彩灯控制器的设计

彩灯控制器的设计
一、设计任务与要求
1、以半导体数码管作为控制器的显示器，它能自动地依次显示出数字0、1、
2、
3、
4、
5、
6、
7、
8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、2、4、6、8（偶数列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音乐符号数列），然后又依次显示出自然数列、奇数列、偶数列和音乐符号数列……如此周而复始，不断循环。

2、打开电源时，控制器可自动清零，从接通电源时刻起，数码管最先显示出自然数列的0，再显示出1，然后按上述规律变化。

二、方案设计与论证
设计要求总的电路能够实现以此输出自然数列、奇数数列、偶数数列和音乐数列，而且还要求能够实现上述顺序的循环，总电路主要可以分成三个部分。

第一部分就是自然、奇数、偶数和音乐四个数列电路。

这里使用的只要就是计数器，计数器在时序电路中应用的很广泛，它不仅可以用于对脉冲进行计数，还可用于分频，定时，产生节拍脉冲以及其他时序信号。

运用计数器的不同的功能和不同的接发就可以实现不同的序列输出了。

第二部分是将上述四个独立的数列电路通过或门将计数器的输出端通过一定方式连接整合成一个大的计数电路，即只用一片数码管就能实现上述四个数列电路的显示输出。

最后还有一个部分就是循环电路。

设计内容要求按照先自然序列然后到奇数序列再到偶数序列最后是音乐序列这样的顺序周而复始的循环。

为了实现这个循环输出的功能，可以用移位寄存器或者是译码器的输出端来控制四个数列电路控制四个计数器的工作情况，可以让四个计数器依次工作，就可以达到要求的依次循环输出数列。

方案一、利用移位寄存器来实现循环电路
电路图如下
图1用74LS194实现的循环电路
这个电路图实现循环主要是依靠74LS194的移位功能来完成的。

先让开关SW1拨至与电源相接，就是接入高电平，这样移位寄存器有了脉冲信号之后就可以实现置数的功能，四个输出端为1000，再将开关SW1拨至与地相接也就是接入低电平，这时寄存器就可以实现移位的操作了，然后通过脉冲信号的触发下，寄存器的输出就可以从1000→0100→0010→0001，这样依次循环了。

然后四个输出端用来控制计数器的信号控制端就可以控制序列输出了。

循环电路的设计采用74LS194移位寄存器，通过74LS194移位寄存器的四个输出端子分别控制四个计数器工作，74LS194的功能表和原理图分别如下表和图所示。

输入输出
清零CLR
控制信号串行输入时钟
CLK
工作状态S1 S0 右移左移
0 ×××××0
1 0 0 ×××保持
方案二：
要让四个数列依次循环则采用一个2线--4线译码器和一个四进制计数器。

用译码器的输出依次去控制芯片清零端，在通过一个四进制计数器去控制译码器输入，使其在四个输出间不断循环，而计数器的时钟脉冲则可通过每个芯片的进位端经过一四输入或门输出来控制。

这个部分主要用到的是芯片74HC390计数器和74HC139译码管，它们的功能表如下表所示。

表2 74HC390的功能表
0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1
三、单元电路设计与参数计算
1、自然序列
由于74HC160本身就是一个十进制计数的芯片，因此对于这个部分就只需按照其功能表来接电路就可以实现十进制自然序列输出了。

在脉冲信号的触发下，计数器的输出端的状态依次为0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001，然后再将计数器的输出端和数码管的输入端口相接就可以在数码管上面看到依次显示从0到9了。

其序列显示电路图如下图
2、奇数序列
将奇数1，3，5，7，9用8421BCD码分别表示为：“0001”，“0011”，“0101”，“0111”，“1001”，可以发现最后一位都为1，因此可以在上述十进制自然序列的基础上将数码管的最低位接高电平就可以实现奇数序列了。

虽然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但是由于数码管最低位接高电平，在数码管显示的则是奇数列
3、偶数序列
将偶数0，2，4，6，8用8421BCD码分别表示为“0000”，“0010”，“0100”,“0110”,“1000”,可以发现最后一位都为0，因此可以在上述十进制自然序列的基础上将数码管的最低位接低电平就可以实现偶数序列了。

虽然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但是由于数码管最低位接高电平，在数码管显示的则是偶数列。

4、音乐序列
音乐序列的特点是从0显示到7后又再变为0，这里可以将数码管的最高位固定接低电平就可以实现了。

因为74LS160的输出端只有三个与数码管相接，当74LS160的输出为“1000”和“1001”时，这时由于数码管最高位是固定接低电平的，也就是数码管的输入端仍是“0000”，“0001”。

这样数码管的显示就又变成0和1了。

四、总电路工作原理及元器件清单
1．总原理图
2．电路完整工作过程描述（总体工作原理）
电路图中四个74LS160的输出端口分别与四个与门相接，然后再将四个门电路的输出端分别与数码管的输入端相接。

其中产生自然数列和音乐数列的脉冲信号的频率是产生奇数序列和偶数序列的脉冲信号的频率是2倍，这是因为为了实现数字显示时间间隔相等的要求，这里利用二分频器很好地实现了这一功能。

当打开电路的开关后，首先就是输出自然序列，这时是U1先工作，它的清零端接的是“1“，这时就是它处在计数的操作，然后输出通过与或门相接再接至数码管的输入端，就可以依次显示从0到9，当U1的输出要从9变到0的瞬间，它的进位端的状态是”1”，然后通过一个或门接至74HC390的脉冲输入端，这时从“0”变至“1”，恰好有一个脉冲，就可以通过译码器使U4开始工作即开始计数，它从9变至1时，又通过进位端给74HC390一个脉冲，然后就通过译码器又使U8开始工作，它从0变至8，当它从8变至0时，它的进位端又变至“1”，就又可以给74HC390一个脉冲信号，最后就通过译码器控制U9的工作，输出音乐数列。

如此周而复始的这样循环，就可以实现我们需要的功能了
3
元件序号型号主要参数数量备注
U1~U4 74160 Q0\Q1\Q2\Q3\CLK 4 计数器
五、仿真调试与分析
六、结论与心得
这次的课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。

我相信是对我的一个很好的提高。

平时在学习理论知识的时候，根本就没有想到我所学的这些东西有什么用它们可以做成什么，只是一味利用它们来解决课后的习题，没有想其他的用途。

这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多电路，例如频率计、交通灯、数字钟……这些都是我们自己可以实现的，突然感觉自己学的东西很有用，我相信这样就可以激发我以后的学习兴趣，这样有利用今后更好地学习。

通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。

这次的设计电路我用到了计数器还有译码器，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，发现它们的功能远比功能表里面说的多很多，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。

另外在分析比较设计循环电路的环节中，我还考虑过利用移位寄存器来设计循环，可是发现移位寄存器的脉冲不好控制。

不过我还是学会了移位寄存器的很多功能，以及通过查阅资料也知道了它的很多种典型的电路。

最后一个知识点就是利用555定时器来设计多谐振荡器，我采用的电路就是课本里介绍的典型电路，通过这个电路也让我了解了555定时器的功能，还有一个就是利用JK触发器来实现分频的功能。

这些都是我这次设计所用到的知识点，通过这次的设计我巩固了对这些理论性的知识的理解。

最后我觉得我自己也学到了一些方法，比如中我了一般设计时序电路的主要
步骤，还有如何利用PROTUES，MULTISIM等学习软件，方面以后的学习很仿真。

而且我很赞同学校这种利用课程设计来考验我们动手能力和动脑能力的教学方式，这样一方面激发了我们自主学习的兴趣，另一方面也巩固了学习到的理论知识，可以从实践中积累实际的经验，而不是老停留在理论学习的阶段。

当然这次的设计学到的不仅仅是知识，还有如何去查阅资料，如何去完成一份报告书等等。

总之我觉得这样的实践对我们现在的学习以及以后的工作都是很大的帮助，而且对我分析问题的方法也有很大的帮助，使我考虑问题更周到，更全面。