彩燈控制器設(shè)計(jì)論文 74ls160+ne555實(shí)現(xiàn)

ID:161768 · 發(fā)表于 2017-8-15 02:33

目錄

摘要

一、選題背景

1、功能要求

2、方案論證

3、基本設(shè)計(jì)任務(wù)

4、發(fā)揮設(shè)計(jì)任務(wù)

5、電路特點(diǎn)

二、電路設(shè)計(jì)

1、總體方框圖

2 、總體工作原理

3各主要電路及部件工作原理

3.2 循環(huán)控制部分（JK觸發(fā)器、74LS138）

3.3 兩個(gè)74LS160控制4個(gè)數(shù)列簡要說明

3.4 上電復(fù)位電路

4 原理總

5 元器件清單

6 調(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)（或者仿真結(jié)果）

6.1 各主要功能塊的單獨(dú)調(diào)試（按焊接步驟）

6.1.1 74ls48與數(shù)碼管的調(diào)試

6.1.2 555與降頻器的調(diào)試

循環(huán)部分和非門的調(diào)試

兩個(gè)74LS160的調(diào)試

觸發(fā)器和74LS138的聯(lián)合調(diào)試

組合電源調(diào)試

6.2 調(diào)試總結(jié)果分析

參考文獻(xiàn)

摘要

彩燈控制器的設(shè)計(jì)課題是為強(qiáng)化我們所學(xué)的電子技術(shù)，結(jié)合書本理論知識(shí)，結(jié)合實(shí)際操作。這是一個(gè)理論結(jié)合實(shí)踐的過程。這次我們采用2片74ls160作為主要元件，通過這個(gè)元器件的工作特點(diǎn)，控制彩燈的各種序列的變換。通過結(jié)合觸發(fā)器的選擇，對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻和使用555產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率，從而改變數(shù)字的顯示時(shí)間間隔的時(shí)間。

一、選題背景

數(shù)字電子技術(shù)在我們生活中的應(yīng)用非常之廣泛，不論是在各個(gè)方面都會(huì)涉及到它，小到家用電器的自動(dòng)控制，大到神舟九號(hào)和天空一號(hào)航天器的設(shè)計(jì)，都無可避免的要運(yùn)用它。并且鑒于以理論推動(dòng)實(shí)踐及理論實(shí)踐相結(jié)合為指導(dǎo)思想，特此用我們所學(xué)的理論知識(shí)來實(shí)踐這次課程設(shè)計(jì)。

1、功能要求

以74LS160為主要器件，加之以循環(huán)電路、脈沖電路、顯示電路、復(fù)位電路等，即可實(shí)現(xiàn)題目所述的功能（打開電源時(shí)，控制器可自動(dòng)清零，從接通電源時(shí)刻起，自動(dòng)地依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和1、2、3、4、5、6、7（音樂符號(hào)數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號(hào)數(shù)列……如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)）。并且需要保證每個(gè)數(shù)字顯示的時(shí)間基本相等，這個(gè)時(shí)間在0.5~2秒內(nèi)可調(diào)。

2、方案論證

方案一：可以用74LS153、74LS160及NE555加以必要的電路來實(shí)現(xiàn)。此電路的特點(diǎn)在于：雖然電路簡單、器件使用少、但是理解思路不是很好，但是控制不易。而且不易處理音樂數(shù)列。

方案二，用74ls190和74LS191，譯碼器，三態(tài)門及必要門電路亦可實(shí)現(xiàn)，這種方案使用器件很少，但是時(shí)鐘脈沖是由190的進(jìn)位端接191的時(shí)鐘脈沖端。不能實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)字顯示時(shí)間一樣。

方案三：以JK觸發(fā)器作為循環(huán)控制部分構(gòu)成四進(jìn)制（00-01-10-11），74ls138構(gòu)成循環(huán)控制部分，加必要的門電路，結(jié)合74LS160便可實(shí)現(xiàn)。此方法較為普通。

在設(shè)計(jì)過程中，由于先設(shè)計(jì)出的是第二種方案，考慮其簡單易行、思路清晰，方便調(diào)試，綜合考慮，采用方案三。

3、基本設(shè)計(jì)任務(wù)

用NE555、74LS160、JK觸發(fā)器、74ls48數(shù)碼管以及必要的門電路設(shè)計(jì)一個(gè)控制電路使其在開機(jī)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：自動(dòng)地依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和1、2、3、4、5、6、7（音樂符號(hào)數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號(hào)數(shù)列……如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)）。

4、發(fā)揮設(shè)計(jì)任務(wù)

加上4個(gè)LED分別指示每個(gè)循環(huán)狀態(tài)。

5、電路特點(diǎn)

用較為簡單的思路實(shí)現(xiàn)課題功能，運(yùn)用2個(gè)74LS160顯示4組數(shù)列，其中奇偶數(shù)列共同使用一片，自然數(shù)列和音樂數(shù)列在一起共用一片74ls160，再有就是設(shè)計(jì)了4個(gè)狀態(tài)指示LED。

二、電路設(shè)計(jì)1、總體方框圖

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2017-8-15 02:27 上傳

圖2-1 總體方框圖

2 、總體工作原理

本系統(tǒng)重要部分為循環(huán)控制部分，循環(huán)控制部分中的JK觸發(fā)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)四進(jìn)制循環(huán)狀態(tài)，通過74LS138譯碼后會(huì)產(chǎn)生4個(gè)控制狀態(tài)，這4個(gè)控制狀態(tài)將分別控制74LS160的工作狀態(tài)并用二極管的亮滅表示出來，選中不同的74LS160工作在不同的狀態(tài)，在脈沖的作用下經(jīng)7448譯碼后便可以顯示出4組數(shù)字。

3各主要電路及部件工作原理

3.1 2Hz脈沖及降頻（555、JK觸發(fā)器）

圖3-1-1 NE555多諧振蕩器電路圖3-1-2JK觸發(fā)器降頻電路

多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸入信號(hào)，就可以自動(dòng)地產(chǎn)生出矩形脈沖。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，所以又稱為無穩(wěn)電路。在多諧振蕩器中，由一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號(hào)是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無需外加觸發(fā)脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關(guān)。多諧振蕩器的周期可以用公式:

t=（R1+2R2）Cln2

計(jì)算，即上圖3-1多諧振蕩器的周期約為0.5s。

降頻電路是由一個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)成，當(dāng)J端和K端接成高電平時(shí)就是一個(gè)T型觸發(fā)器。T觸發(fā)器在一個(gè)脈沖的下降沿Q端的狀態(tài)會(huì)變化一次，由這個(gè)原理便可以做成0.5倍頻降頻器。

參數(shù)計(jì)算：

因?yàn)樾枰粋€(gè)0.5~2秒的可調(diào)脈沖，因此根據(jù)上述公式，C=47uf可以計(jì)算得出R=R1+2R2, 得出R=15K~~61K。R1取47K的滑動(dòng)變阻器和5K，R2取5K。

當(dāng)滑動(dòng)變阻器的阻值為0的時(shí)候，即產(chǎn)生0.5S的脈沖，當(dāng)滑動(dòng)變阻器滑到最大值的時(shí)候，產(chǎn)生2S的脈沖。

3.2 循環(huán)控制部分（JK觸發(fā)器、74LS138）

圖3-2-1 JK觸發(fā)器構(gòu)成的四進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路

圖3-2-2 K觸發(fā)器及74LS138構(gòu)成的循環(huán)控制電路

如圖3-2-1 JK觸發(fā)器構(gòu)成的四進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路，當(dāng)開機(jī)時(shí)，復(fù)位信號(hào)會(huì)使其輸出高低位為00，在接下來的脈沖下輸出會(huì)以00—01—10—11—00—01……循環(huán)。

JK觸發(fā)器構(gòu)成的四進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路的設(shè)計(jì)過程：

（詳見附件）

狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如下：

圖3-2-3狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

據(jù)表中次態(tài)對(duì)應(yīng)Q高*、Q低*，畫出卡諾圖化簡。

次態(tài)卡諾圖如下：

圖3-2-4 Q高*

圖3-2-5 Q低*

由圖3-2-4、圖3-2-5可得：

Q高*= Q高· Q低’+ Q高’·Q低，

Q低*= Q低’。

由JK觸發(fā)器的狀態(tài)方程

Q*=J·Q’+K’·Q ,

便可得J、K的關(guān)系，其連線便如上電路圖。

3.3 兩個(gè)74LS160控制4個(gè)數(shù)列簡要說明

由于要顯示4組數(shù)字，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和1、2、3、4、5、6、7（音樂符號(hào)數(shù)列），分析每組的特點(diǎn)，音樂數(shù)列和自然數(shù)列都是按順序來，而奇偶數(shù)列則是間隔了一個(gè)數(shù)，因此可以歸為兩組；音樂數(shù)列和自然數(shù)列、奇偶數(shù)列。以這樣的思路就可以用2個(gè)74LS160來計(jì)數(shù)。

音樂數(shù)列和自然數(shù)列的74LS160：

圖3-3-1 74LS160A

自然數(shù)列是從0開始的，因此運(yùn)用起來較簡單。自然數(shù)列直接用就可以,；對(duì)于音樂數(shù)列則到了7的的時(shí)候就要復(fù)位到0，解決方法如下：在要消除異步復(fù)位時(shí)的閃爍的前提下，可以用同步置位，即在輸出端口到達(dá)0111時(shí)把其低3位處理成職位信號(hào)，再考慮別的控制因素的情況下，電路便可如上圖方法設(shè)計(jì)。

并且由于音樂數(shù)列是1~7所以我們才有一些門電路實(shí)現(xiàn)在偶數(shù)列結(jié)束之后，應(yīng)當(dāng)將74ls160從1開始計(jì)數(shù)，但是經(jīng)過實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)1顯示的時(shí)間有點(diǎn)短（這是因?yàn)楫?dāng)使能從0變到1的時(shí)候基本上clk時(shí)鐘信號(hào)就會(huì)有作用沿，所以顯示的時(shí)間根本就沒有持續(xù)一個(gè)周期就從1變到2了）。所以我們采用門電路結(jié)合音樂輸入使能信號(hào)實(shí)現(xiàn)把0變成1。

奇偶數(shù)列的74LS160：

圖3-3-2 74LS160B

對(duì)于奇偶數(shù)列的處理，可以從輸出四位二進(jìn)制看出解決問題的方法，奇數(shù)列：0001,0011,0101,0111,1001。偶數(shù)列：0000,0010,0100,0110,1000。假如顯示部分不接四位二進(jìn)制輸出的最低位，最低位接0，則可以得到偶數(shù)列的輸出；反之，顯示部分不接四位二進(jìn)制輸出的最低位，最低位接1，則可以得到奇數(shù)列的輸出。對(duì)于這個(gè)奇偶數(shù)列的74LS160，假如和音樂數(shù)列、自然數(shù)列的74LS160接同一個(gè)脈沖，則會(huì)出現(xiàn)兩類數(shù)字的跳動(dòng)周期不一樣，那么就可以用0.5倍頻降頻器來實(shí)現(xiàn)。

3.4 上電復(fù)位電路

圖3-4-1 復(fù)位電路

復(fù)位電路用于兩個(gè)74LS160和JK觸發(fā)器的清零，使得在一開機(jī)的情況下全部從零開始。因?yàn)樵谝簧想姷倪^程中電阻上的電壓變?yōu)楦唠娖�，而所有的觸發(fā)器的RD清理端都需要低電平，所以中間必須接入反向器。

4 原理總
5 元器件清單

6 調(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)（或者仿真結(jié)果）6.1 各主要功能塊的單獨(dú)調(diào)試（按焊接步驟）6.1.1 74ls48與數(shù)碼管的調(diào)試

焊接時(shí)最先做74ls48與數(shù)碼管的連接。連接好后通上電源，首先測試數(shù)碼管的全部點(diǎn)亮。把74ls48的測試端LT’接地，可以看到數(shù)碼管顯示8字，說明數(shù)碼管是好的。接著，把74ls48的LE端接地、BI’和LT’接高電平，此時(shí)在輸入端A、B、C、D接相應(yīng)的信號(hào)使數(shù)碼管顯示0-9各個(gè)字符。通過以上的測試便能得知此電路的好壞。

通過以上的測試方法，本電路沒有問題、可以使用。

6.1.2 555與降頻器的調(diào)試

通過把555_VIRTUAL接成多謝振蕩電路便可以輸出方波，通過公式t=（R1+2R2）Cln2的計(jì)算可得方波周期。本電路用R1=R2=24kΩ、C=10uF，則t=0.5s，再通過接0.5倍頻的JK觸發(fā)器便得到1s方波。這兩個(gè)方波脈沖分別給兩個(gè)74LS160提供信號(hào)。

調(diào)試：照電路圖接好線路后，給電路通上電。通過測試555_VIRTUAL的out端和JK觸發(fā)器的Q端，看其是否為0.5Hz和1Hz。同時(shí)可以依據(jù)555的3腳接出的脈沖接到發(fā)光二極管上。觀看等的亮滅情況。

在仿真軟件上得到的結(jié)果如下圖：

圖6-1-2-1 復(fù)位電路

循環(huán)部分和非門的調(diào)試

此部分由一個(gè)JK觸發(fā)器、一個(gè)74LS138和4個(gè)非門構(gòu)成，可以分別輸出4個(gè)高電平用以控制兩個(gè)74LS160的工作。

測試：焊接好電路后，上電。給JK觸發(fā)器一個(gè)低頻脈沖，用示波器測量4個(gè)非門的輸出端，若每個(gè)非門會(huì)分別輸出高電平，則此電路是好的。

兩個(gè)74LS160的調(diào)試

兩個(gè)74LS160和一些必要的門電路便可以構(gòu)成4個(gè)數(shù)列的循環(huán)輸出。如圖6-1-4-1即為自然數(shù)列和音樂數(shù)列的組合，如圖圖6-1-4-2即為奇、偶數(shù)列的組合。

圖6-1-4-1 74LS160A自然數(shù)列和音樂數(shù)列的組合

圖6-1-4-2 74LS160B奇、偶數(shù)列的組合

把上圖兩個(gè)電路的輸出端通過或門按主圖紙接好線后，再把Y0、Y1、Y2、Y3接4個(gè)非門輸出端，聯(lián)合以上6.1.2、6.1.3便可以測試。

測試：接通總電源，把兩個(gè)74LS160及JK觸發(fā)器均復(fù)位一下，觀察數(shù)碼管的顯示。如果出現(xiàn)0-9、1-9、0-8、1-7這樣的顯示情況，則電路沒有問題。若出現(xiàn)不顯示則是復(fù)位沒有成功，以后連上復(fù)位電路后便會(huì)沒有問題。

觸發(fā)器和74LS138的聯(lián)合調(diào)試

當(dāng)控制輸出觸發(fā)器的輸出端D0和D1，就能間接控制發(fā)光二極管的亮滅，當(dāng)D0和D1同時(shí)為0的時(shí)候亮的是第一盞燈。只需要控制輸入就行，在通過理論計(jì)算，如果和理論值是一樣的，那電路就基本沒有問題。

組合電源調(diào)試

當(dāng)接好所有的線之后，使用萬用表的短路端來測試所有的電源線是否接觸良好，各塊芯片的電源連接是否正常，以及電源線有沒有短路情況。這個(gè)步驟是在接好線路之后通電前的必做的一步，他直接影響到是否整快板子的好壞。是保護(hù)芯片的重要一步。

6.2 調(diào)試總結(jié)果分析

以上的每個(gè)主要的小功能部分調(diào)試是很容易成功的，在調(diào)試過程中也遇到一些問題，比如：在沒有接上電復(fù)位電路的時(shí)候，容易出現(xiàn)數(shù)碼管不顯示，這個(gè)問題的原因是其中的一個(gè)74LS160沒有被復(fù)位，其輸出端全為高電平，則74ls48不能譯出，即會(huì)出現(xiàn)數(shù)碼管不顯示，這個(gè)問題的解決方法便是接上上電復(fù)位電路。

還有就是在一些參數(shù)計(jì)算也是很重要的，例如由于我們的奇偶數(shù)在同一快74ls160上顯示，所以需要在是奇數(shù)是通過偶數(shù)加一實(shí)現(xiàn)，但是我們沒有選擇加法器，而是采用顯示奇數(shù)的使能端再接上或門，但是使能端又連接了一個(gè)發(fā)光二極管，由于發(fā)光二極管的顯示特性，需要有一定的電流才能點(diǎn)亮，電阻不能取太大，但是又不能取得太小，太小和發(fā)光二極管的壓降都會(huì)改變電平。當(dāng)初我由于選擇了一個(gè)壓降大的發(fā)光二極管，使得電平從高電平變成模糊電平。從而使得顯示不正常。所以在參數(shù)的設(shè)計(jì)和元件的選擇方面今后還是要更加慎重。

在接線沒有錯(cuò)誤的情況下，以上的調(diào)試應(yīng)該是沒有問題的，實(shí)踐證明，通過每一個(gè)小部分的各自調(diào)試可以把系統(tǒng)化小，使得解決問題的效率提高，整個(gè)系統(tǒng)的成功率增大。

參考文獻(xiàn)

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