数字电路课程设计---霓虹灯控制电路设计报告

引言

课程设计作为实践教学的一个重要环节，对提高学生的的创新能力有着重要的作用，通过这次课程设计，学生不仅能加强对理论知识的理解，而且提高了学生的动手能力，除此之外，还提高了学生解决问题的能力。

随着社会的不断发展，广告的地位和影响日益壮大，尤其是在当今的经济时代，很多的商品都是依靠广告来引导主流消费的。因此，广告作为一种很重要的媒介，已经成为了社会宣传的主导方式。由于其多样性决定了其巨大的开发空间。

广告彩灯作为广告的一个重要元素，也渐渐成为广告的灵魂，也成为了城市夜景的一道亮丽的风景线。

刚刚学完了数电知识，正好通过这次课程设计，进一步巩固了理论知识，而且全面掌握了课设的基本流程，此外，分析与解决问题的能力也得到了相应的提升。

此次设计我们用到了555定时器构成的秒脉冲发生器，74LS138，74LS161,JK触发器以及各种逻辑门电路来实现我的方案，充分利用了模电和数电的知识来不断地解决实验过程中发现的问题，这也是这次课程设计的目的和意义所在。

1 设计意义及要求

1.1 设计意义

在日常生活中，广告灯也已成为了一道亮丽的风景线。灯的种类繁多，变化多样，所以设计广告灯具有重大的实际意义。

学校安排此次课程设计，不仅让我们联系了所学知识，加以应用和分析。而且提高自我分析问题的能力并加强了团队合作的精神。

通过这次设计，我熟悉各种元件的用法和功能，也锻炼了思维能力，最值得说的是：我们将所学知识转化为实物，得到了极大的成就感和满足感。

1.2 设计要求

设计一控制电路，要求彩灯能实现如下追逐图案：

1) 第一层3只红灯右移，每灯亮的时间为0．8秒；

2) 第二层3只蓝灯右移，每灯亮的时间为0．8秒；

3) 第三层3只黄灯右移，每灯亮的时间为0．8秒；

4) 三色彩灯同时右移，每组灯亮的时间为1．6秒；

5) 三色彩灯同时左移，每组灯亮的时间为1．6秒；

6) 彩灯控制电路工作状态按照上述2至6步自动重复循环。

2 方案设计

2.1 设计思路

利用555定时器组成产生0.8s 脉冲信号，通过JK 触发器组成的分频电路将信号分

为1.6s ，用三片移位寄存器74LS194分别控制三种颜色不同的灯的亮灭。用一片74LS161和一片数据选择器74LS153组成序列号产生电路，产生的信号“0001”作为移位寄存器右移的输入信号，而“0000”作为移位寄存器左移的输入信号。用一片74LS161和一片译码器74LS138作为数据发生器，产生的信号作为移位寄存器S0和S1的控制信号，控制移位寄存器左移，右移和保持的功能。

0000或0001

CP

图1 总体方框图

红灯

蓝灯

黄灯

移位寄存器

移位寄存器

移位寄存器

数据选择器

时钟信号

译码器

计数器

计数器

本电路主要由4部分组成：脉冲输出电路所控制的序号信号产生部分，作为移位寄存器的数据输入端；控制移位寄存器左移、右移的信号产生部分；移位寄存器部分，实现了灯的左移右移功能；由555定时电路和分频电路组成的脉冲输出部分。

在555定时电路和分频电路产生的脉冲的触发下，计数器的Q0和Q1作为数据选择器的地址端，在左移和右移的情况下分别产生序列信号“0000”和“0001”，作为移位寄存器的数据输入，在脉冲的触发下，74LS194将信号接纳进去，实现数据的传递，从而实现灯泡的追逐效果。

而计数器74LS161和译码器74LS168组成的部分中，计数器被设计成为为五进制，这是由于三个移位寄存器有五个状态。而译码器有八个信号，可以根据真值表，得到移位寄存器控制输入端的最简逻辑表达式，并将译码器相应的信号端引出，通过门电路组成所需要的信号，来控制移位寄存器的左移、右移和保持的功能。

移位寄存器的输出端接有9个灯，为了实现其追逐的效果

而有555定时电路组成的多谐振荡器产生的0.8S的输出信号，作为单层右移的脉冲。通过JK触发器组成的分频电路将0.8S的信号分为1.6S的信号作为三排灯同时左移右移的脉冲。

2.2 方案设计

1） 我们小组总共设计了五套方案，五套方案有所区别也有相似。我的个人方案，设计原理图如下：

图2 个人方案原理图

该电路中左移右移的输入端均是由数据选择器的输出提供，但其输出有两种情况，

“0000”和“0001”，在全部右移结束时，1X0的输入由1变为0，所以在左移的过程中只有一个高电平，可以实现左移追逐。但这个电路也有缺点，在左移完成时，移位寄存器其实仍为左移，所以在左移完成时，还要等待一段时间才能将左移变为右移。

Y 0Y 1Y 2Y 3Y0

Y3Y1

Y3Y2Y3

c p

cp

0.8s

0.8s

Y 4

Y 3Y 4D 03D 14D 25D 3

6

S R 2S L 7C L K 11S 09S 110M R

1

Q 015Q 114Q 213Q 3

12

U174LS194

D1

LED-RED

D2

LED-RED

D3

LED-RED

D 03D 14D 25D 3

6

S R 2S L 7C L K 11S 09S 110M R

1

Q 015Q 114Q 213Q 3

12

U2

74LS194

D4

LED-BLUE

D5

LED-BLUE

D6

LED-BLUE

D 03D 14D 25D 3

6

S R 2S L 7C L K 11S 09S 110M R

1

Q 015Q 114Q 213Q 3

12

U3

74LS194

D7

LED-YELLOW

D8

LED-YELLOW

D9

LED-YELLOW

D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO

15

ENP 7ENT 10CLK 2LOAD 9MR 1

U4

74LS161

1X061Y

7

1X151X241X332X0102Y

9

2X1112X2122X313A 14B 21E 12E 15

U5

74LS153

1

24

56

U6:A 74LS20D 0

3

Q 0

14

D 14Q 113D 25Q 212D 36Q 311R C O 15

E N P

7

E N T 10C L K 2L O A D 9M R 1U8

74LS161

A 1

B 2C

3

E 16E 24E 3

5

Y 015Y 114Y 213Y 312Y 411Y 510Y 69Y 7

7

U9

74LS138

1

23

U10:A

74LS08

4

56

U10:B

74LS08

9

10

8

U10:C

74LS08

1

2

3

U11:A

74LS00

2

34

51

U7:A 74HC40721

2

3U13:A 74LS3212

13

11

U10:D

74LS08

1

2U15:A

74LS04

J 3Q

5

CLK

1K 2

Q

6

S

4

R

15

U16:A

74LS112

4

5

6

U14:B

74LS08

R

4

DC

7

Q 3G N D

1

V C C

8

TR 2

TH

6

CV

5

U12

555

C1

0.01uF

R1

10k

R2

10k

C2

38uF

自动化0801班

梁明锋学号：0120811360112

1

2

3

U14:A

74LS08

2） 小组方案设计原理图如下：

图3 小组方案原理图

此方案是用单片机做的，电路原理图比较简单 ，连好电路图后只要根据设计要求编

写程序，最后将程序导入单片机，即可运行，但编写程序时，一定要小心，而且在编写的过程中不段的调试，直到程序无误后，将其导入单片机，如果运行时，发现功能仍然没有实现，要再次修改程序，根据电路图所选的端口的顺序和设计的功能要求，修改程序，在不断的调试中得到正确的结果。

2.3 方案比较

个人方案中，由于曾中义和冯梦华的芯片用的是十位的，所以他们所用的芯片最少，但其门电路过多，他们的设计思路有所相似，而我和陶海洋的方案思路和他们的有所不同，但我们的两套方案有那个点，都是通过同样的移位寄存器来实现，但是在信号的采集上有所不同，另外在脉冲的产生电路和分频电路也有所区别。小组方案跟个人方案比较，电路图相当简单，但是编程的调试过程是比较困难，一定要小心。所以各有优缺点。

XTAL2

18

XTAL1

19

ALE 30EA 31PSEN

29

RST

9

P0.0/AD039

P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0

1

P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD 17P3.6/WR 16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427AT89C51

C1

30pF

C2

30pF

X1

CRYSTAL

R10

10k

C3

10uF

D1LED-YELLOW

D2LED-YELLOW

D3LED-YELLOW

D4LED-BLUE

D5LED-BLUE D6

LED-BLUE

D7LED-RED

D8LED-RED

D9

LED-RED

3 部分电路设计

3.1 脉冲输出电路

3.1.1 0.8s 信号产生

下图是由555定时器构成的秒脉冲发生器，它可以产生矩形方波：

图4 555定时器构成的秒脉冲发生器

0.8s

R

4

DC

7

Q 3G N D

1

V C C

8

TR 2

TH

6

CV

5

U12

555

C1

0.01uF

R1

10

R2

10

C2

38uF

根据555定时器的功能表可知,由555定时器构成的多谐振荡器,接通电源后，电容C 被充电，当V C上升到2/3V CC时，触发器被复位，同时发电BJT, T导通，此时V O为低电压，电容C通过R2和T放电，使V C下降。当V C下降到（1/3）V CC时，触发器又被置位，V O翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为：

t PL=R2Cln2 可近似看成t PL=0.7R2C

当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，VC由（1/3）V CC 上升到（2/3）V CC所需的时间为：

t PH=(R1+R2)Cln2 可近似看成t PH=0.7(R1+R2)C

而当V C上升到（2/3）V CC时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：

f=1/( t PL +t PH) 可近似看成f=1.43/[(R1+2R2)C

555定时器引脚图如图5所示，555定时器功能表如表1所示：

VCC DIS TH CO

8 7 6 5

555

1 2 3 4

GND TR OUT RD

图5 555定时器

表1 555定时器功能表

输入输出

阈值输入（V11）触发值（V12）复位（R D）输出（V O）放电管T

××0 0 导通<(2/3)V CC<(1/3)V CC 1 1 截止

>(2/3)V CC>(1/3)V CC 1 0 导通

<(2/3)V CC>(1/3)V CC 1 不变不变

3.1.2 信号分频及选择

本电路需要的信号有两种，0.8s 和1.6s ，且在全部移动时采用1.6s 的信号，因此

要对0.8s 的信号进行分频，再根据采集的信号选取相应的时钟信号。

图6 信号分频及选择

JK 触发器下降沿有效，J=K=1时，每来一个脉冲变化一次，因此它的输出是1.6S 的信号，当Y3与Y4同时为1，根据电路，可以知道此时为单层灯移动，另外根据分频电路可以知道此时输出的也为0.8s 的信号，而当Y3和Y4中有一个0时，电路为全部左移或全部右移的过程。此时电路输出的也为1.6s 的信号，实现了分频和信号的选择的过程。

c p

0.8s

Y 3Y 41

2

3U13:A

74LS32

12

13

11

U10:D

74LS08

1

2

U15:A

74LS04

J 3Q

5

CLK

1K 2

Q

6

S

4

R

15

U16:A

74LS112

4

5

6

U14:B

74LS08

1

2

3

U14:A

74LS08

1） JK 触发器的管脚图和真值分别如图7所示：

Q Q

SD J CP K RD

图7 JK 触发器管脚图

表2 JK 触发器真值表

2） 74LS00与非门的管脚图如图8所示，真值表如表3所示：

图8 74LS00管脚图

J K Q n+1 逻辑功能 0 0 Qn 保持 0 1 0 置0 1 0 1 置1 1

1

Qn

翻转

VCC 1RD 2RD 2CP 2K 2J 2SD 2Q

74LS112

1CP 1K 1J 1SD 1Q 1Q 2Q GND 14 12 15 16

9

13 11 10 8

7

1

2

3

4

5

6

表3 74LS00的真值表

3）74LS04非门的引脚图如图9所示，真值表如表4所示：

图9 74LS04非门的引脚图

表4 74LS04非门的真值表

4) 74LS08与门的引脚图如图10所示，其真值表如表5所示：

图10 74LS08管脚图

表5 74LS08与门的真值表

3.2 实现控制功能的电路

1） 电路中有有3个74LS194芯片，共有5个状态，可以用74LS161和74LS138来

实现，电路如图11所示：

图 11 实现控制功能电路

此图是由74LS161和74LS138来实现的，通过反馈清零法将74LS161设置成为五进制计数器，并通过译码器输出信号，为移位寄存器提供控制信号的来源。而此电路的脉冲来源如图12所示：

图12 脉冲来源电路

\

Y 0Y 1Y 2Y 3Y 4D 03

Q 0

14

D 14Q 113D 25Q 212D 36Q 311R C O 15

E N P

7

E N T 10C L K 2L O A D 9M R 1U8

74LS161

A 1

B 2C

3

E 16E 24E 3

5

Y 015Y 114Y 213Y 312Y 411Y 510Y 69Y 7

7

U9

74LS138

1

2

3

U11:A

74LS00

2

34

51

U7:A

74HC407

由于在软件中没有三输入或门，所以采用四输入或门，只要将其中一个接低电平即可，其他三个输入端将74LS194的输出端Q31，Q32，Q33接入。当每排灯右移结束时或门的输出由0变为1，计数器得到一个触发信号，于是移位寄存器的状态发生变化。当全部右移结束时，或门还有一个上升的转变，于是信号左移，而此时每排灯只有一个高电平，输入为“0000”，所以可以实现追逐效果。当全部左移完成时，输入有所变化，变为第一个状态，单个右移，实现循环效果。

2）根据74LS194的五个状态知道，74LS138的输出也要为五个状态，三个移位寄存器的移位控制信号可以得出S0和S1的真值表如表6所示：

表6 控制信号的真值表

138有效信号S01 S11 S02 S12 S03 S13

Y0 1 0 1 1 1 1

Y1 1 1 1 0 1 1

Y2 1 1 1 1 1 0

Y3 1 0 1 0 1 0

Y4 0 1 0 1 0 1

取0为有效信号，可得各控制信号的逻辑表达式：

S01=S02=S03=Y4

S11=Y0.Y3

S12=Y1.Y3

S13=Y2.Y3

按照上面的逻辑表达式可以经过门电路得到移位寄存器所需要的状态的信号。具体如图13所示：

图13 状态选择电路

3） 74LS138译码器的管脚图如图14所示，真值表如表7所示：

Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7

A B C E1 E2A E2B

图 14 138管脚图

Y0Y3

Y1Y3

Y2Y3

1

2

3

U10:A

74LS08

4

5

6

U10:B

74LS08

9

10

8

U10:C

74LS08

74LS138

表7 74LS138译码器的真值表

4） 74LS161计数器的管脚图如图15所示，而其真值表如表8所示：

图15 161管脚图

表8 74LS161的功能表表

清0 预置

控制

时钟

预置数据输入

输 出

0 X X X X

X X X X 0 0 0 0 1 0 X X D C B A D

C

B

A

1 1 0 X X X X X X 保 持

1 1 X 0 X X X X X 保 持 1

1

1

1

X

X

X

X

计 数

VCC TC Q0 Q1 Q2 Q3 CET PE

74LS161

R CP D0 D1 D2 D3 CEP GND 9 14 12 13 15 6

10 11 16 8

5

4

3

2

1

7

3.3 序列信号产生电路

1） 序列信号产生电路主要是产生0001和0000信号，作为左移右移的输入

信号，电路如图16所示：

图 16 序列信号产生电路

序列信号产生电路由一片74LS161计数器和一片74LS153（由于软件中没有74LS151）数据选择器构成，161在脉冲的作用下计数，将00到11不断的送给153可将1X0到3X0逐个输出，送入移位寄存器的SR 端，SL 端。

当右移时的信号为0001，而左移的信号为0000，所以关键就是1X0的输入，它的采集信号电路图如图17所示

D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO

15

ENP 7ENT 10CLK 2LOAD 9MR 1

U4

74LS161

1X061Y

7

1X151X241X332X0102Y

9

2X1112X2122X313A 14B 21E 12E 15

U5

74LS153

图 17采集信号电路图

本可用三输入与非门，由于软件中没有这个元件，所以用四输入与非门代替，只要将一个输入接高电平即可。其它三个输入端接74LS194的输出端Q31，Q32，Q33。当单个灯右移时，与非门输出肯定为1，这是序列产生电路产生信号1000。当全部右移时，产生1000序列， 而当其结束时与非门输出为0，这是变为全部左移，而序列电路产生的信号为0000，一直这样循环，符合设计要求。

1

24

56

U6:A

74LS2

2）74LS153数据选择器的管脚图如图18所示，真值表如表9所示：

图18 74LS153管脚图

表9 74LS153的真值表

A1 A0 S Y

X X 1 0

0 0 0 D0

0 1 0 D1

1 0 0 D2

1 1 0 D3