电子线路设计实验报告
学生姓名： 高尚 专业班级：生产过程自动化技术1班 指导教师： 工作单位： 工程学院
实验题目： 四花样彩灯控制器
基本要求：设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现
(1) 彩灯一亮一灭,从左向右移动； (2) 彩灯两亮两灭，从左向右移动； (3) 四亮四灭，从左向右移动
(4) 从1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭； (5) 四种花样自动变换。 主要参考元器：
555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，与门74LS08，非门74LS04，四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164。
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1 设计思路
循环彩灯控制可用多种方法实现，但对现代可编程控制器而言，利用移位寄存器实现最为便利。通常用左移寄存器实现灯的单方向移动；用双向移位寄存器实现灯的双向移动。 控制程序中，关键在于数据移位方向的控制。单方向控制的流水灯，使用左移寄存器可容易地实现。如果流水灯的点亮顺序是双向的，则使用双向移位寄存器进行控制。
由于本次设计只是设计了单向的彩灯循环电路，所以彩灯控制电路由三个模块构成，显示电路﹑秒脉冲电路和维持电路。秒脉冲电路全程为电路提供矩形波信号使彩灯定时发亮；显示电路为维持电路提供电源：维持电路在显示电路部分提供电源的情况下为电路提供一段较长的高电平，使彩灯在全部变亮后保持一段时间。同时结合显示电路部分所带元件（主要是74LS194）的性质，使彩灯从右到左依次由暗变亮，亮后维持一段时间，然后熄灭，并且不断重复。
2 方案论证
2.1 备选方案
方案一：在原方案的基础上，用模十六计数器74LS161的输出端的最高位QD作为双D触发器的时钟，可以少用一个555定时器。计数器每计八个数，QD由低电平变为高电平，双D触发器的状态改变，四选一数据选择器74LS153选择下一种码输出，彩灯变为另一种花样，以后四种花样循环改变。如图2-1所示:
3U314ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKRCOQAQBQCQD15131211456U1A174LS04D29U2C8
3U1B4U2B4561074LS08D6543U41C01C11C21C32C02C12C22C3AB~1G~2G92Y9871Y12ABU63QAQBQCQDCLKQEQF~CLRQGQH45610111213
71091274LS04D5U1C74LS08D674LS04D9810111274LS161DU1D74LS04DU7A4~1PR21D31~1CLR51Q61210U7B131474LS164D~2PR92D1113~2CLR2Q2115~2Q74LS74D~1Q74LS74D1 874LS153D
图2-1 比较方案1电路图
方案二：彩灯控制器电原理图如图2-2所示。ICl、IC2由555接成多谐振荡器。IC3由4位2进制计数器74LS93接成16进制计数器，其4个输出端可分别输出对计数脉冲的2、4、8、16分频信号。IC4是双D触发器74LS74，在这里接成两位2进制加法计数器。IC5是双4选l数据选择器74LSl53，这里只用了它的一组4选1数据通道。IC6是3位单向移位寄存器74LSl64，它是产生移动灯光信号的核心器件。驱动电路用8只三极管组成8路射随器作缓冲放大，去触发作电流开关的8只双向可控硅，以控制彩灯发光。电路的十5V电源由220V／9V变压器降压，经D1一D4桥式整流，7805稳压后给控制电路供电。电路图如图2.2：
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图2.2 比较方案2电路图
2.2 方案选择
本次课程设计要求不高，实验电路相对比较简单，可以列出很多不同的实验方案，因此在此就不再一一列举了，就这两个方案进行横向比较既即可。
方案一：如果按此方案连接电路，彩灯无法完成第四种花样（依次点亮，依次熄灭），只能完成一半，依次点亮或依次熄灭，部分实现了设计要求，所以不采用。
方案二：符合实验要求，以最简单的原件和电路构成了任务所需的彩灯循环电路，只要自己设计出时钟脉冲信号即可，模块性突出方便进行多路扩展，故采用这一方案。
3 电路设计
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3.1 选择器件
3.1.1 555定时器
555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555 时基电路有双极型和 CMOS 型两种。LM555/LM555C 系列属于双极型。优点是输出功率大，驱动电流达 200mA。而另一种 CMOS 型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率要小得多，输出驱动电流只有几毫安。
双极型定时器CB555是由比较器C1和C2、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。
图3-1 555定时器引脚图
555引脚图介绍如下 1地( GND )
2触发 (TR),是下比较器的输入
3输出 (OUT),有0和1两种状态,它的状态由输入所加的电平决定 4复位 (R),叫上低电平(<0.3V)时可使输出端为低电平 5控制电压 (CV),可以用来改变上下触发电平值 6门限(阈值） (TH),是上比较器的输入
7放电 (DIS),是内部放电管的输出,它有悬空和接地两种状态,也是由输端 的状态决定
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8电源电(VCC)
VCC5VR11kohm4VCCRST7625CONGND1DISTHRTRI3OUT8U1R251kohm555_VIRTUALC1C20.01uF10uF
图3-2 555内部原理图
上图中TR为低触发端，TH为高触发端，Rd为清零端，CO为控制电压端，D是放电端，OUT是输出端， Vcc是电源端。
3.1.2 74LS164移位寄存器
移位寄存器74LS164由4个触发器和它们的输入控制电路组成。SR为数据右移串行输入端，SL为数据左移串行输入端，A到D为数据并行输入端，QA到QD为数据并行输出端，CLR为移步清零输入端，S0﹑S1为工作状态控制端。
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3-3 74LS164逻辑符号
3.1.3 74LS153四选一数据选择器
要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4。使双D触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双D触发器能产生00、01、10、11这四钟循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四花样循环。令Q1Q2=AB，74LS153数据选择器的功能表如表3-4所示：
B（Q2） A（Q1） 1Y 0 0 0 1 1 0 Z1 Z3 Z4 Z2 Z1 选择器功能表
表3-4 数据
1 1 0 0 由表3-4择器的地址输
可知，数据选入端A、B循
环转变，输出端1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四花样自动循环改变。
3.2 功能模块
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3.2.1 时钟脉冲产生电路
本电路秒脉冲电路由一个集成的555定时器够成，当电源接通后，VCC通过对R1﹑R2向电容器充电。电容上得到电压按指数规律上升，当电压上升到2/3VCC时，输出电压V0为零，电容器放电。当电压下降到1/3VCC时，输出电平为高电平，电容器放电结束。这样周而复始形成了振荡。脉冲发生器由NE555与R1，R2，RP，C1，C2组成的多谐振荡器组成,它是为灯光流动控制器提供流动控制脉冲的，多谐振荡器的振荡频率可根据所需要的灯光流动速度，通过RP进行调节，由于RP阻值较大，所以有较大的调速范围。用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为: T=0.7(R1+2R2)C要用555产生时钟脉冲,控制移位寄存器,要能看到彩灯的流动,其周期设为1秒左右, 电阻值和电容值可设为：R1=1KΩ ， R2=51KΩ ， C=0.01μF由公式计算得：T约等于0.721S电路图如图3-5所示:
C1R251kohmVCC5VR11kohm4RST7625CONGND1DISTHRTRI3OUTVCC8U1555_VIRTUAL
C20.01uF10uF图3-5 另一个555产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换,其周期设为模十六计数器的20倍,改变R1、R2的阻值即可，可设为：R1=1KΩ ， R2=1MΩ ，C=0.01μF，计算得：T=14.42S。
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3.2.2四种码产生电路
根据彩灯要实现的四花样,可确定移位寄存器输出的二进制码,即四种码产生电路要产生的码，如表3-6所示：
周期花样 状态要求 （位） 1 2 3 一亮一灭，从左向右移动 两亮两灭，从左向右移动 四亮四灭，从左向右移动 从1～8从00左到右逐次点4 亮，然后逐次熄灭 要产生这四种码，可由十六进制计数器接组合逻辑门产生 Z1=Q3Q2Q1 Z2=Q3Q2 Z3=Q3 Z4=Q4 所以四种码产生电路如图3-8所示：
16 1111111100000000 8 8 8 10000000 11000000 11110000 码 8
VCC5VU3AU119~CLR~LOAD31072ENTENPCLK3456ABCD14QAQBQCQD131211915115RCO1411212U2A3&74LS04NU3B4U2B6&5674LS08N74LS04NU3C74LS08N74LS04NU3D874LS161N74LS04N
3.2.3彩灯开关电路
要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4。使双D触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双D触发器能产生00、01、10、11这四钟循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四花样循环。开关电路图如图3-9所示：
VCC5V1421AB~1G6592Q~2Q84315101C01C11C21C3~2G1112132C02C12C22C32Y91YU2U1A4~1PR3211CLK1D~1CLR1Q~1Q5610111213U1B~2PR2CLK2D~2CLR774LS74N74LS74N74LS153N
图 3-9 开关电路
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令Q1Q2=AB，数据选择器的地址输入端A、B循环转变，输出端1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四花样自动循环改变。
3.2.4花样输出电路
输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。当输入移位寄存器数据输入端的码为10000000时，清零后在移位脉冲CP的作用下，寄存器数码移动情况如表3-11所示： CP 1 2 3 4 5 6 7 8 Ri 1 0 0 0 0 0 0 0 QA 1 0 0 0 0 0 0 0 QB 0 1 0 0 0 0 0 0 QC 0 0 1 0 0 0 0 0 QD 0 0 0 1 0 0 0 0 表3-11
QE 0 0 0 0 1 0 0 0 QF 0 0 0 0 0 1 0 0 QG 0 0 0 0 0 0 1 0 QH 0 0 0 0 0 0 0 1 由表3-11可看出，输入码中的那位高电平“1” 从寄存器的输出端QA经八个移位脉冲CP作用后逐渐到了QH，使输出端所连接的彩灯依次点亮，实现了彩灯依次点亮的花样。当输入另外的三种码时，寄存器的数码移动原理相似，所以就不累赘了。
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4 电路调试
4.1 总原理图
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图4-1 总体电路图
4.2 电路布线
图4-5 电路运行效果图
心得体会
通过此次设计，使我们更加理解和掌握了循环彩灯的原理，也增强了动手能力，同时对面包板有了更加清晰的认识，学会了如何使用面包板。通过此次设计，我们受益匪浅，也很感谢老师的指导。
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