圈式流水灯电路的设计

目录

1 技术指标 (1)

1.1技术要求 (1)

1.2 初始条件 (1)

2 设计方案及其比较 (1)

2.1 圈式流水灯电路的基本原理 (1)

2.2 方案一 (1)

2.2.1 电路原理框图及原理图 (1)

2.2.2 方案一电路原理分析 (2)

2.3 方案二 (3)

2.3.1 电路原理图 (3)

2.3.2 方案二电路原理分析 (3)

2.4 方案三 (4)

2.4.1 电路原理框图及原理图 (4)

2.4.2 方案三电路原理分析 (4)

2.5 方案比较 (5)

3 实现方案 (5)

3.1 实现方案元件清单 (5)

3.2 实现电路原理分析 (6)

3.2.1 矩形脉冲产生电路 (6)

3.2.2 八进制序列脉冲产生电路 (7)

3.2.3选通发光二级管及显示电路 (8)

3.2.4 实现方案总电路图及原理分析 (9)

3.3 实现方案面包板布线图 (10)

4 调试过程及结论 (10)

4.1 Proteus仿真结果 (11)

4.2 面包板线路调试过程 (11)

4.3 调试出现的问题 (12)

4.4 结论 (12)

5 心得体会 (12)

6 参考文献 (13)

圈式流水灯电路的设计

1技术指标

1.1 技术要求

设计一种利用发光二极管作为流水灯指示,实现连接成圆圈式的发光二极管依次循环点亮形成移动的光点,要求可以实现流水灯的循环时间可以调节。

1.2 初始条件

直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具。

2 设计方案及其比较

2.1 圈式流水灯电路的基本原理

圈式流水灯电路主要包括两部分电路，第一部分电路产生矩形脉冲波，该部分电路可由555定时器构成多谐振荡器产生。第二部分电路实现选通发光二级管的功能，使圈式排列的灯循环闪亮，该部分电路的实现可采取多种方案。

流水灯发光时间的调节可以通过改变第一部分多谐振荡电路外接电阻，电容实现，也可以通过改变第二部分电路的频率即进制来实现。

2.2 方案一

2.2.1 电路原理框图及原理图

图1为方案一电路的原理框图。电路由脉冲产生电路，八进制序列脉冲产生电路，选通发光二级管电路及显示电路组成。

图1 方案一的原理框图

图2为方案一的电路原理图。由NE 555定时器,74LS 161计数器，74LS 138译码器及相应元器件组成。

图2 方案一的电路原理图

2.2.2 方案一电路原理分析

将NE 555定时器连接成多谐振荡器，用来产生矩形脉冲信号，矩形脉冲信号作为74LS 161计数器的输入脉冲触发计数器工作，将计数器的Q 3端通过一个非门与清零端MR 相连构成8进制计数器，计数器的低三位输出端与74 LS 138译码器的低三位输入端连接，则计数器产生的000-111的八进制序列经译码器译码输出，译码器的输出端循环输出低电平。将发光二级管阴极连接在输出端则实现了八盏灯的循环点亮。

发光时间的调节通过滑动变阻器实现。RV 1’为滑动变阻器接入电路部分的电阻，多谐振荡电路产生脉冲的周期T =0.7*C 2*(R 1+2R2+2RV 1’)，频率f =1/T 。发光二级管发光时间即为T 。改变RV 1’的值可改变脉冲频率，进而实现了发光时间长短的调节。C 1为退耦合电容，消除工作过程中由于输出信号突变引起的干扰，提高电路的稳定性。C 2与相应电阻连接构成充放电电路。R 3为过流保护电阻。

多谐振荡器矩

形脉冲产生电

路。（NE 555） 八进制序列脉冲产生电路 （74LS 161） 选通发光二级管电路 （74LS 138） 显示电路 （LED ）

2.3.1 电路原理图

图3是方案二的电路原理图。电路主要由矩形脉冲产生电路与十进制计数分频器电路构成。由于4017芯片可看做是计数器与译码器的组合，所以省略其原理框图。

图3 方案二的电路原理图

2.3.2 方案二电路原理分析

方案二的矩形脉冲产生电路及发光时间的调节原理同方案一。IC4017芯片为十进制计数译码器，可实现计数和译码的功能，可用来代替方案一中的74 LS161计数器和74 LS138译码器。其内部由计数器及译码器两部分组成，经计数译码后实现了在连续脉冲触发下，输出端从Q0-Q7端依次输出与脉冲同步的高电平的功能。输出端与发光二级管相连可达到灯依次闪亮的的效果。

4017芯片的CLK端为脉冲输入端。E为使能端，低电平有效。MR为清零端，高电平清零。4017有Q0-Q9 10个输出端，当有连续脉冲输入时，Q0-Q9循环输出高电平。将Q8端与MR端相连，当第九个脉冲输入时Q8输出由低电平变为高低电平，MR端输入高电平，各输出端清零，在接下来的脉冲到来时又从Q0到Q7循环输出高电平脉冲信号。将发光二级管连成共阴极，阳极与Q0-Q7连接，可实现八盏灯的循环闪亮。

2.4.1 电路原理框图及原理图

图4为方案三的电路原理框图，其由脉冲产生电路，N 进制控制电路，选通及显示电路组成。

图4 方案三的原理框图

图5为方案三的电路原理图，电路主要由NE 555定时器，74LS 161计数器与74LS 199移位寄存器组成。

图5 方案三的电路原理图

2.4.2 方案三电路原理分析

方案三中由多谐振荡电路产生的脉冲周期T =0.7C 2(R 1+2R 2),频率f =1/T ，作为下一级计数器的输入脉冲。74LS 161计数器可以将输入脉冲N 分频（N 小于等于16），即N 进

多谐振荡器矩

形脉冲产生电路。（NE555） N 进制 控制电路 （74LS161） 选通发光二级管电路 （74LS199） 显示电路 （LED ）

制。通过计数器的RCO进位输出端输出的分频后的脉冲又作为移位寄存器的触发脉冲，每触发一次，寄存器右移一次。

每盏灯发光时间T’=NT，发光时间的调节通过改变计数器的进制数实现（改变N）。单刀双掷开关SW1，SW2，SW3，SW4可以改变D0，D1,D2,D3的置数状态。若将D3D2D1D0置为1001，在脉冲触发下计数器加计数，RCO端在Q3-Q0为1111时输出一个高电平脉冲经非门后使计数器重新置数。实现了Q3-Q0端循环输出1001,1010,1011,1100,1101，1110,1111的电平信号（7进制循环计数）。每七个脉冲RCO端输出一个高电平脉冲作为寄存器的触发脉冲。移位寄存器需先将寄存器置数，使Q7-Q0初始状态为1000,0000。通过SW5控制寄存器是置数还是右移。JK端与Q7相连使每次从Q7端移出的信号通过JK 端送给Q1，并在每个脉冲到来时将该信号右移。由于Q7初始为高电平，所以该寄存器电路实现了将高电平循环从Q7-Q1-Q7的移动，实现了发光二级管的选通。发光二级管连接成共阴极接法。每盏灯的发光时间为7T。

2.5 方案比较

方案一：该方案电路较简单可行，芯片便宜且常用，发光时间的调节灵敏度高于方案三。

方案二：该方案电路最为简单，不过4017芯片价格较高，且与555连用时易出现问题。

方案三：该方案电路所需元器件较多，控制起来较麻烦，发光时间的调节只能整数倍调节，灵敏度低。

经对比，且考虑到现有芯片的基础上选择方案一。

3 实现方案

3.1 实现方案元件清单

集成芯片：NE555（一个），74LS161（一个），74LS138（一个）；

电阻：27k(两个)，100（一个）；

电容：0.01 uf（一个）10uf（一个）；

发光二级管：LED （八个）

3.2 实现电路原理分析

3.2.1 矩形脉冲产生电路

所用芯片：NE555定时器

芯片简介：555定时器是多用途的数字—模拟混合集成电路，利用它能极方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器，使用灵活，方便。NE 555定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V —16V 工作。输出驱动电流约为200mA 。图6为NE555芯片的管脚图与波形图。

图6 NE555芯片管脚图与波形图

管脚介绍：图7中1脚是接地端；2脚是低电平触发端入端；3脚是输出端；4脚是复位端；5脚是电压控制端；6脚是高电平触发端入端；7脚是放电端；8脚是电源端。

图7为矩形脉冲产生电路原理图，由NE 555定时器构成多谐振荡电路。

图7 矩形脉冲产生电路原理图

NE555芯片1与8端接电源Vcc，Vcc经R1，R2给电容C2充电，给输入端输入直流信号，C2反复充放电，实现了输出矩形波的功能。输出脉冲周期T=0.7C2(R1+2R2)，f=1/T。其中C2=10uF，R1=R2=27K，所以T=0.567s，f=1.764Hz。

3.2.2 八进制序列脉冲产生电路

所用芯片：74LS161计数器

芯片简介：集成74LS161是四位二进制同步加法计数器，MR为异步清零端，低电平有效；PE为同步预置数控制端，低电平有效；该计数器为上升沿触发有效，当MR=PE=1时在CP端输入计数脉冲作用下，计数器进行二进制加法器计数。图8为74LS161计数器管脚图。

图8 74LS161计数器管脚图

管脚图介绍：2脚为脉冲输入端，3脚-6脚(P0-P3)为数据输入端，1脚(MR)是清零端，7脚，10脚（CEP、CET）为使能端，9脚(PE)为置数端，11脚-14脚(Q3-Q0)为数据输出端是，15脚(TC)为进位输出端。

图9为八进制序列脉冲产生电路原理图，产生000-111序列脉冲。

图9 八进制序列脉冲产生电路原理图

将ENP，ENT，LOAD，MR端接电源Vcc（即高电平）。CLK脉冲输入端接上级NE555的3脚输入端，在每个脉冲上升沿触发计数器加计数一次，计数器输出端Q3—Q0循环输出0000—1111。由于只把Q2，Q1，Q0作为下级输入，所以Q2Q1Q0会循环输出000—111八进制序列脉冲信号，八进制序列脉冲作为下级的数据输入信号控制选通电路工作。

3.2.3选通发光二级管及显示电路

所用芯片：74LS138译码器

芯片简介：74LS138是集成3-8线译码器，图10为74LS138译码器管脚图。1，2， 3端口为三个输入端口，E1、E2和E3这三个使能端，正常工作时E1接高电平，E2和E3需要接低电平。Y0-Y7为输出端口，译码器工作时每一次只有一个端口输出低电平，实现了数据的选择性输出，74LS138译码器可以将信号的地址从二进制转换成十进制，并从对应的输出端输出一个低电平。其输入输出电压为7V。

图10 74LS138译码器管脚图

图11为选通发光二极管及显示电路，实现了流水灯圈式闪亮的要求。

图11 选通发光二级管及显示电路

74LS138译码器的A，B，C输入端分别连接74LS161计数器的Q0，Q1，Q2端。使能端E1接高电平，E2，E3接低电平，译码器可实现译码功能，作用是将CBA端输入的二进制信号（C为高位）转换成十进制并从相应端口输出低电平。也就是将输入的八进制循环脉冲000—111译码输出，000对应Y0端口输出低电平，111对应Y7端口输出低电平，以此类推。当电路工作时Y0—Y7端口循环输出低电平。实现了选通作用。

将八个LED灯以共阳极的方式分别连在Y0—Y7端口，排列成圈式。电路工作时，经译码器选通后发光二极管D1—D8循环闪亮。R3为过流保护电阻，防止电流过大烧坏二极管。

3.2.4 实现方案总电路图及原理分析

下图12为实现方案电路原理图。实现方案以方案一为原型加以调整，由于提供的元器件不能满足发光时间可调的功能所以省略滑动变阻器的电路部分。调整后的电路还省略

了一个非门，同样可以实现设计要求，且更为简单。

图12 实现方案的总电路原理图

实现方案电路由矩形脉冲产生电路，八进制序列脉冲产生电路，选通发光二级管及显示电路四部分组成。接通电源后，由NE555定时器构成的多谐振荡器，产生了矩形脉冲信号，脉冲周期T=0.567s，频率f=1.764Hz。矩形脉冲信号从NE555定时器的3脚输出。输入到74LS161计数器的脉冲端，每个脉冲上升沿触发计数器加计数一次，Q3，Q2，Q1输出端循环输出000—111序列脉冲，并作为74LS138译码器的输入。译码器将二进制序列转换为十进制，并从相应输出端输出低电平信号。LED灯采用共阳极接法，各个阴极连接在译码器7个输出端口，译码器输出端循环输出低电平信号，八个LED灯被循环点亮。实现圈式流水灯的效果。

3.3 实现方案面包板布线图

图13为实现方案面包板布线图。

4 调试过程及结论

4.1Proteus仿真结果

用Proteus电子辅助设计软件绘制实现电路原理图并进行仿真调试。图14为其仿真结果图。

图14 Proteus软件仿真图

仿真现象：按下仿真键后，电路正常工作，D1—D8循环闪亮，实现圈式流水灯效果。

4.2 面包板线路调试过程

小组成员按照实现电路原理图在面包板上布线，由于电路芯片较多且技术要求LED排

成圈式所以给电路连接带来很大的不便。布线前先画了布线图然后在不交叉不跳线的基础

上将电路连接成功。调试时，将面包板电路的电源端引出一根导线连接直流稳压电源的正

极，将面包板电路的公共地端连接直流电压源的负极。输入电压调为3.3V，电路工作，圈

式排列的8个发光二级管循环闪亮，每次只有一个亮。图15为面包板线路调试过程图。

图15面包板线路调试过程图

经测量，电路工作时LED灯两端电压分别为+2.05V（亮时）与-2.94 V（不亮时）。

4.3 调试出现的问题

由于NE555的工作电压为4.5V—16V，调试选用的输入电压为3.3V，虽调试成功但输入电压选的不合理，多谐振荡电路产生的矩形脉冲会出现失真。74LS138译码器的工作电压应不高于7V，所以输入的电压幅值最好在4.5V—7V之间。

4.4 结论

实现电路经调试验证可以实现技术要求，显示电路有保护电阻实现过流保护。所选芯片为常用芯片，级联使用方便，无多余元件，调试时选取合理电压即可实现圈式流水灯循环闪亮的效果。实验成功。

5 心得体会

这次的数电课设是我们第二次做电路方面的课程设计，因为已经有了上学期模电课设的经验，这次课设进行的更加顺利。这次课设经历我的收获很多也很开心。

我们小组的课题是“圈式流水灯电路的设计”，因为这个电路很有实用价值所以我对这次的课设很感兴趣。课题的实现原理较简单，在设计方案时想到可以用8位移位寄存器实现选通功能。可是电路连线太复杂，元件多所以舍弃。这次课设中用面包板连接电路图比较麻烦，因为面包板较小且8个发光二极管要连接成圈式，给连线造成困难。我和另一位组员李佳耐心的布线最终在不跳线的基础上把电路连接成功。布线简洁美观，很欣慰。最后的调试很成功，圈式排列的8盏灯循环闪亮，美中不足的是直流电压没选择好，选择3.3V不合理，合理的范围应为5V—7V。这也说明我们功课做的不够，在以后的实验中一定要避免此类的错误。

实践的过程总能让人发现自己的优缺点，不论结果如何，收获都很多。可能因为数电实验本身就比较简单，所以设计方案时没遇到什么大的问题，能把理论知识运用到实际中去确实让人感到欣慰。实际应用过程中发现了很多课堂上学习没有注意到的事情，理论学习往往会忽略实际应用中的很多细节问题，比如芯片一些端口的使用。这也告诫我们要不

断的投身实践，完善自己的理论知识和实践能力。最终调试电路出现的不足也提醒了我做事有时不够细心，以为电路原理简单就松懈了导致犯了错误。操作前应该做好充分的准备，不能有半点懈怠，否则实践中一定会出现问题，态度决定一切，尤其是对于实验，良好的实验素养是要从平时每次大大小小的实验中积累的。同时在实验中我们既要学会合作又要学会独立的思考问题，发现问题，解决问题。在这个过程中我们要善于丰富自己的知识，不论是查阅资料还是询问。能力是一点一滴培养起来的。

这次实验结束后我有了想自己做一些简单的小电路的想法，以我们的学习能力，我们完全有能力自己设计并制作实用电路。我想通过自己动手实践学习的理论知识，丰富课外知识，积累实践经验。增加兴趣的同时也在为我以后的学习工作打下良好的基础。

总之，每次课设的机会都很难得，很珍惜这次机会，我会在今后的学习实践中一点点的完善自己。实践出真知，探索的道路还等着我们自己开垦。

6 参考文献

［1］伍时和，吴友宇，凌玲.数字电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009.4

［2］李桂安，葛年明，周泉编.电子技术实验及课程设计.南京：东南大学出版社，2008.8 ［3］毕满清.电子技术试验与课程设计. 北京:机械工业出版社,2005.7

［4］路勇.电子电路实验及仿真.北京：清华大学出版社,2004