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《数字电子技术》 课程设计报告 题 目：灯光显示电路的设计 专 业：10级 通信工程 班 级：通信一班 姓 名:高 指导教师：冯* 电气工程系 任务书 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | - 三个彩灯红、绿、黄循环显示。彩灯显示的状态如下表所示。
2. 画出电路原理图。 3. 进行电路的仿真和调试。 |
摘要 灯光显示电路是人们生活中必不可少的一个部分。有光明的地方，就有人类文明。数万年前，人类就已经懂得使用自然之火来御寒、烧烤和照明。三千多年前，人类开始使用简单灯具承载火烛，书写文明史。从粗糙的石灯到青铜灯，陶瓷灯到电灯，灯具的历史变迁打上了深刻的时代烙印，同时也是社会经济和文化的缩影。 最初 LED 用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的 LED 在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以 12 英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的 140 瓦白炽灯作为光源。 灯光显示电路在LED光方面有大量应用如汽车信号灯。而汽车信号灯也是 LED 光源应用的重要领域。 1987 年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于 LED 响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。 另外， LED 灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。 灯光显示电路广泛的应用于信号灯，在我们日常生活中起着重要的作用。 本文设计了一个灯光显示电路，三个彩灯红、绿、黄循环显示，跟交通灯有异曲同工之妙，并且利用软件对相应的电路进行仿真，仿真结果表明电路能够很好的显示灯光循环。 目录 第一章 绪论 第二章 设计原理 第三章 电路设计 3.1 集成555定时器多谐振荡器 3.2 74LS191计数器的运用 3.3 74LS191预置零设计 3.4 驱动电路 第四章 Multisim仿真 总结 参考文献 答辩记录及评分表 附录 第一章 绪论 LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，LED灯晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。 对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔LED灯具图片中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单；成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。 LED特点为：①新型绿色环保光源：LED运用冷光源，眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质。LED的工作电压低，采用直流驱动方式，超低功耗（单管0.03~0.06W），电光功率转换接近100%，在相同照明效果下比传统光源节能80%以上。LED的环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可回收，没有污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。②寿命长：LED为固体冷光源，环氧树脂封装，抗震动，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万~10万小时，是传统光源使用寿命的10倍以上。LED性能稳定，可在-30~+50oC环境下正常工作。 ③多变换：LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256X256X256（即16777216）种颜色，形成不同光色的组合。LED组合的光色变化多端，可实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。 ④高新技术：与传统光源的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功地融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术和嵌入式控制技术等。传统LED灯中使用的芯片尺寸为0.25mmX0.25nm，而照明用LED的尺寸一般都要在1.0mmX1.0mm以上。LED裸片成型的工作台式结构、倒金字塔结构和倒装芯片设计能够改善其发光效率，从而发出更多的光。LED封装设计方面的革新包括高传导率金属块基底、倒装芯片设计和裸盘浇铸式引线框等，采用这些方法都能设计出高功率、低热阻的器件，而且这些器件的照度比传统LED产品的照度更大。 目前一个典型的高光通量LED器件能够产生几流明到数十流明的光通量，更新的设计可以在一个器件中集成更多的LED，或者在单个组装件中安装多个器件，从而使输出的流明数相当于小型白炽灯。例如，一个高功率的12芯片单色LED器件能够输出200lm的光能量，所消耗的功率在10~15W之间。 第二章 设计原理 LED光源的应用非常灵活，可以做成点、线、面各种形式的轻薄短小产品；LED的控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光；不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果。LED已经被广泛应用于各种照明设备中，如电池供电的闪光灯、微型声控灯、安全照明灯、室外道路和室内楼梯照明灯以及建筑物与标记连续照明灯。 LED的出现，是LED从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。白光LED最接近日光，更能较好地反映照射物体的真实颜色，所以从技术角度看， LED无疑是最尖端的技术。目前， LED已开始进入一些应用领域，应急灯、手电筒、闪光灯等产品相继问世，但是由于价格十分昂贵，故而难以普及。LED普及的前提是价格下降，而价格下降必须在LED形成一定市场规模后才有可能，两者的融合最终有赖于技术进步。 LED的出现打破了传统光源的设计方法与思路，在这次的数点课程设计中，我们的题目是灯光显示电路，这个题目跟LED灯有着很多的联系，其中更是包含了很多数电的知识，比如芯片以及各种门电路的使用。 第三章 电路设计 电路原理图如图所示; 图3.0原理图 电路的设计一共包括了信号发生、计数器、灯光驱动等三部分。下面将一一介绍。 3.1集成555定时器多谐振荡器 多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换。 555定时器如图3.1所示： 
图3.1 由555定时器构成的多谐振荡器如图3.2所示： 
图3.2 如上图所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（THR脚） 和低电平触发端（TRI脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（DIS脚）接到R1，R2的连接处。 由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压Uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出Uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压Uc按指数规律上升,当Uc上升到（2/3）Vcc时，输出Uo为低电平，放电管VT导通，把Uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间 的长短与电容的充电时间有关。 由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间 的长短与电容的放电时间有关，随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容C充电，电路又翻转到第一暂稳态。所以，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。工作波形如下： 
图3.3 充电时间常数T充=（R1＋R2）Cln=(R1+R2)Cln2. 放电时间常数T放＝Cln2×R2 所以电路的振荡周期为 T=T充+T放=(R1+2R2)Cln2 振荡频率为 f== 3.2 74LS191计数器的运用 在数字系统中使用得最多的时序电路要算是计数器了。计数器不仅用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。计数器的种类非常繁多。如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以将计数器分为同步式和异步式两种。在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。而在异步计数器中，触发器的翻转是有先有后，不是同时发生的。如果按计数过程中计数器的数字增减分类，有可以将计数器分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器（或称为加/减法计数器）。随着计数脉冲的不断输入而作递增计数的称为加法计数器，作递减计数的称为减法计数器，可增可减的称为可逆计数器。如果按计数器中数字的编码分类方式，还可以分成二进制计数器、二-十进制计数器、格雷码计数器等。此外，有时也用计数器的计数容量来区分各种不同的计数器，如十进制计数器、六十进制计数器等。 本实验用到的是同步十六进制加/减计数器74LS191，以下是它的逻辑图。 图3.4 引脚说明：MAX/MIN 进位输出/错位输出端，CLOCK 时钟输入端（上升沿有效），EN G 计数控制端（低电平有效），A~D 并行数据输入端，LOAD 异步并行置入控制端（低电平有效），QA～QD 输出端，RC 行波时钟输出端（低电平有效），DOWN/UP 加/减计数方式控制端。 表3.1 同步十六进制加/减计数器74LS191功能表 下图即利用同步十六进制加/减计数器74LS191接成同步八进制计数器。 图3.5 采用置数法时可以从计数循环中的任何一个状态置入适当的数值而跳跃N-M个状态，得到M进制计数器。图2.1中的接法是用Q3Q2Q1Q0=0111状态译码产生LD’=0信号，下一个CLK信号到达时置入0000状态，从而跳过1000~1111这八个状态，得到八进制计数器。 3.3 74LS191预置零设计 74LS191是单时钟同步十六进制加/减计数器，其功能表如下图所示 表3.2 74LS191功能表
图为74ls191接成8进制计数器， 图3.6 但是,为了保证74ls191芯片的输出时从000开始的，也就是三个LED灯的初始状态时从全部熄灭开始的，我们将以上8进制计数器又进一步做了改进，如图所示 图3.7 如图所示，在未加入脉冲信号之前，74LS191的QD端输出的是低电平，经过U1A非门之后信号变为高电平，这是，高电平与V2的低电平共同通过U3A与门信号又转变为低电平，后作用于74LS191的置数端，将QA,QB,QC置零，如此一来，LED信号灯就从全部熄灭开始工作。 3.4 驱动电路 图3.8 所谓动态驱动实际就是分时点亮不同位置的数码管，由于人眼的惰性，当数码管熄灭的时间小于1/25秒=40ms时，给人们感觉是一直被点亮。 所以每位数码管点亮时间T=40ms/数码管位数；即T=40/4=10ms；即f=1000/10=100Hz;数码管每段平均电流I由其上面的技术参数可知I=20mA；每位数码管的平均电流 =每段的电流乘数码管的段数； =20mA乘7段=140mA；R=（5-1.5-0.1）/20=0.17k(其中1.5为74139的电压降，R实际电路中为0.17k，亮度要高时取0.1k)。因此设计时要考虑提供更高的驱动电流，才能满足亮度的要求。由于LED显示器是以LED为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二级管的相同。但由于LED显示器内含多个发光二级管，所以需有如下特殊参数： 发光强度：由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在1.5~2.3间，最大不能超过2.5。 因此,R2~R7电阻值取200 。 第四章 Multisim仿真 运用multisim11仿真程序，电路原理图如图4.1所示 图4.1 图4.2脉冲信号 图4.3初始状态 图4.4第一个脉冲来临时 图4.5第二个脉冲来临时 图4.6第三个脉冲信号来临时 4.7第四个脉冲信号来临时 图4.8第七个脉冲信号来临时 仿真中，我们使电平信号从最初000到最终的111，一次循环下去，即三个led灯的三个亮灭情况按二进制变换情况而变化。仿真结果分析验证了我们组设计电路的正确性。 总结 紧张而有辛苦的课程设计结束。当我快要完成老师下达给我的任务的时候，我仿佛经过一次翻山越岭，登上了高山之颠，顿感心旷神意，眼前豁然开朗。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。 说实话，课程设计真的有点累．然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这几天的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消．虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多，另我有了一中”春眠不知晓”的感悟。 通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致．课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱：导，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定呀养成一种高度负责，认真对待的良好习惯．这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练。 短短三周是课程设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，几年来的学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会用．想到这里，我真的心急了，老师却对我说，这说明课程设计确实使我你有收获了．老师的亲切鼓励了我的信心，使我更加自信。 最后，我要感谢我的老师们，是您严厉批评唤醒了我，是您的敬业精神感动了我，是您的教诲启发了我，是您的期望鼓励了我，我感谢老师您今天又为我增添了一幅坚硬的翅膀．今天我为你们而骄傲，明天你们为我而自豪。
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