循环彩灯
摘 要：设计一个循环彩灯控制电路，该电路实现了让八个彩灯循环闪烁的功能，并且循环闪烁的时间为1秒。其中，闪烁时间由555定时器这样的时钟电路产生周期为1秒的脉冲所控制；彩灯的循环闪烁由十进制计数器接受定时器产生的脉冲所控制；彩灯显示功能由三线八线译码器实现，输出分配数据直接控制灯的闪烁。用Multisim 10对设计电路进行仿真可得到八个发光二极管循环闪烁的结果。
关键词：循环彩灯；555定时器；计数器；译码器；发光二极管 2. 设计方案 2.1 任务分析
任务中要实现8个彩灯循环闪烁，可以通过译码器实现。要求又有1秒的时间控制，因此需要一个时钟控制电路，555定时器可以产生；又要使八个彩灯依次闪烁且循环，故要用可逆计数器来实现一个加法功能，才能保证实现要求。需要注意的是计数器输入端怎样接高低电平才能实现循环；使用译码器来进行译码。 2.2 方案论证
根据任务要求，将整个设计化为三大电路：
一、 时钟电路。首先用555定时器进行设置，与电阻和电容一起构成周期为一秒的时钟周期发生器，为电路提供时钟信号产生一秒的脉冲，支持整个电路的工作。
二、 驱动电路。可以由74LS192N计数器和74LS138N三线八线译码器组成用以驱动发光二极管正常工作的电路，并且在时钟电路的控制下让八个发光二极管循环工作。
三、 输出电路。由八个发光二极管组成，在驱动电路控制下循环工作。
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3. 方案实施
3.1 原理图设计
选择合适的数字器件，应用DXP或multisim软件绘制各单元的逻辑电路图。 1、 时钟电路
用555定时器设计的多谐振荡器如图1所示。
VCC5VR148kΩ8VCC4R248kΩ762C210uFIC=0V5RSTDISTHRTRICONGNDC110nFIC=0V1LM555CMOUT3U4
图1 555定时器构成的脉冲发生器电路
用555定时器构成的多谐振荡器电路如图1所示：图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电；外界控制输入端（5脚）通过0.01uF电容接地。下面图2是多谐振荡器的工作波形图。
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图2 多谐振荡器的工作波形图
电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，Vc=0v，所以555定时器状态为1，输出Vo为高电平。同时，集电极输出端（7脚）对地断开，电源Vcc对电容C充电，电路进入暂稳态一，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。暂稳态Ⅰ的维持时间，即输出Vo的正向脉冲宽度T1≈0.7(R1+R2)C；暂稳态二的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度T2≈0.7R2C。
因此，振荡周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振荡频率f=1/T。正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比Ｄ，由上述条件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，则D≈1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。 2、 驱动电路
下面图3是用SN74LS192N设计的计数器控制电路。
VCC5V151109ABCDU1QAQBQCQD326711~LOAD~BO1314CLR~CO125UP4DOWN74LS192D图3 计数器设计的控制电路
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器，其工作原理是：74192上升沿触发，由UP，DOWN两管脚控制加减计数，有异步置数端LOAR和异步复位端CLR，BO’和CO’分别输出高电平表示加进位和减进位。由于74192没有保
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持脚，故需要外围电路实现保持功能。因为74192上升沿触发，所以把UP，DOWN强制置低电平即可实现保持功能。
四个主从触发器的输出端，由两计数(时钟)输入之一的“低”到“高”电平的过渡而被触发。计数方向在其它计数输入端为“高”时，由脉冲的计数输入端所定。当置数输入为“低”时，把所希望的数据送入数据输入端上，来把每个输出端预置到两电平之一。输出将符合于计数脉冲的数据输入的改变。清零输入在加高电平时，迫使所有输出端为低电平。清零功能于计数输入和置数输入。清零、计数和置数等输入端都是缓冲过的。借位和进位两输出端可级 联递增计数和递减计数两功能。借位输出在计数器下谥时，产生宽度等于递减计数输入的脉冲；同样，进位输出在计数器上谥时, 产生宽度等于递加计数输入的脉冲。
下面是驱动电路的另一个器件74LS138译码器所构成的电路图。
VCC5V1A2B3C6G14~G2A5~G2BU3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y71514131211109774LS138D
图4 由74LS138译码器组成的部分驱动电路
译码器可以将输入代码的状态翻译成相应的输出信号，以高、低电平的形式在各自的输出端口送出，以表示其意愿。译码器有多个输入端和多个输出
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端。假如输入端个数为1个，每个输出端只能有两个状态，则输出端个数最多有2n个。常用译码器输入、输出端口数来称呼译码器，如3线-8线译码器，4线-10线译码器等。74138就是一个三线-八线译码器。
74138有三个输入端：OE1、OE2A、OE2B和八个输出端Y0-Y7，当三个输入端的编码为000时，译码器输出Y0=0，而Y1-Y7=1。即Y0对应于OE1、OE2A、OE2B为000状态，低电平有效。A、B、C为使能控制端，起到控制译码器是否能进行译码的作用。只有C输入为高电平，A和B都为低电平时才能进行译码，否则不论输入为何值，输出端均为1。 3、 输出电路
输出电路有八个发光二极管和一个330Ω的保护电阻，驱动电路传输的是低电平才会导通所以八个二极管要反向放置，下面图5是此设计的输出电路图。
LED9LED8VCC5VLED2LED3R3100ΩLED4LED5LED6LED7
图5 八个发光二极管组成的输出电路图
3.2 电路仿真
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在各单元电路设计的基础上，用multisim软件把各单元电路连接起来，画出符合软件要求的系统整体逻辑电路图。系统整体电路设计完成后，对系统整体进行仿真，验证设计的正确性。本设计的循环彩灯仿真电路图如下。
图6 循环彩灯的仿真电路图
仿真结果是：八个发光二极管依次闪烁,经过严密的时间测量，由于计算数据的误差每个彩灯闪烁的时间不正好是一秒钟，有毫秒的误差。
3.3 PCB制作
经过仿真以后，在DXP软件中新建电路原理图在进行编译执行后，对其进行元件的封装的选择，选择合理的封装之后在进行PCB布线。
1、 PCB板布线
在布线前要在DXP中完成对电路图个元件的封装。在封装时要注意，因为对于同一个元件可能又有多种封装方式。封装时要根据所给元件的类型对各个元件进行封装。
封装完成后，把原理图导入PCB板后，再对元件的位置重新手动摆放，布线是要尽量减少交叉重叠的线。观察元件的三视图，以保证封装是正确。
2、 电路板制做
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完成布线后，对PCB图进行打印输出，然后再用制板机制板。制板时要尽量使线不要相连，以免制出的板不能使用。制板完成后，要对制好的板进行钻孔，打磨，直至板合格为止。
3.4 安装与调试
按照打印好的电路图，在PCB板上利用电烙铁进行各元件的焊接。焊接时要注意不能使焊盘焊接处与其他线相连。调试时可能得不出仿真时的结果，要结合各方面进行考虑，电阻，电容，或者是电路的焊接问题。调试的时候以为安装好就可以直接工作，结果彩灯未按预先估计那样闪烁，经过反复仔细检查发现线路焊接有两个点脱焊，修正后需要进一步的检查与调试。
4. 结果与结论
仿真结果和预期的一样，八个灯依次循环闪烁。继续制板安装后进行调试灯未亮，仔细检查后是之前布线时的一根红线脱焊，在进行修正之后又调试了下灯仍然不亮，检查后未发现焊接处的问题，可能是电阻或电容的参数设置有问题，继续进行调试了下灯终于亮了，达到了八个彩灯依次循环闪烁的效果。
5. 收获与致谢
通过这次实习我对数字电路产生了浓厚的兴趣，也有了新的认识，发现它在实际中应用的很广泛，而且在实习中我对555定时器，74192,74138这些芯片有了更深一层的了解。但是实习过程中也遇到了不少的问题,尤其是一开始在电路图的设计方面不知道如何下手，整个电路必须充分考虑到各个方面才能使电路设计完整，经过老师的指导和查询资料才最终实现预期的效果。然后布线、制版分布元件，最后是焊接，经过细心周密的设计后终于成功完成任务。
这次课程设计要特别感谢***老师、***老师、***老师的耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，在此我表示深深的感谢！
6. 参考文献
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[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2005. [2]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:高等教育出版社,2005. [3]邱关源,罗先觉.电路（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2006. [4]阎 石.数字电子技术（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2005. [5]张阳天,韩异凡. Protel DXP电路设计[M].北京:高等教育出版社,2005.
7. 附件
7.1 电路原理图
电路原理图如下图7所示。
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图7 电路原理图
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7.3 元器件清单
本设计所用到的元件清单如表1所示。
表1 元器件清单
元器件种类 555定时器 74LS192 74LS138 LED彩灯 330Ω电阻 48kΩ电阻 10uF电容 0.01uF电容 数目（个） 1 1 1 8 1 2 1 1
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