NE555+74LS190+74HC42数电彩灯控制器仿真与设计报告

彩灯控制器仿真原理图如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下载）

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2018-9-13 22:18 上传

基本要求：

(1)设计一个十盏彩灯的控制电路，要求彩灯具有单向流水效果

（2）彩灯的流向可以变化。可以正向流水，也可以逆向流水。彩灯流动的方向为手动控制

提高要求：

（3）彩灯流动的方向也可以自动控制，自动控制往返变换时间为5s

（4）彩灯可以间歇流动，10s间歇一次，间歇时间1s。

二．方案设计与论证

在基本求上分析，我们可以简单的看出需要10盏彩灯，还有一个发出脉冲信号的源件，并且需要可以使信号循环移位的元器件，这个元器件可以有很多种选择，然后对于高级的要求，可以看出，这里需要一个计数器跟555定时器和电容电阻组成的脉冲电路，从而实现提高要求里面的需求，以下的两个方案则是对于基本要求而设计出来的两个可行方案。

方案一：由时钟信号电路，控制电路和电阻和流水灯组组成。时钟信号电路有一片555芯片、电容、电阻组成脉冲发生器。主要是为灯光流动控制器提供流动控制的脉冲。其中的控制电路包括用四位二进制计数器74LS160和与非门连接控制彩灯串行输入，用四片移位寄存器74LS194并联和或门连接控制流水灯的输出。

方案二：对于方案一本方案采取了另一种比较简单的方法，用了一个74LS190可预置的十进制同步加/减计数器，一个74HC42四线--十线译码器，跟一个开关就实现了彩灯的左移以及右移功能，我们通过控制开关来控制74LS190可预置的十进制同步加/减计数器采取加计数功能还是减计数功能，然后再将信号输出给74HC42四线--十线译码器，从而就实现了彩灯的左移以及右移功能，这种方案设计比方案一简单了很多，好操作。

经由上述比较采用方案二得出电路方案的大致框图如下：

脉冲输出 →控制电路  → 74LS190二—十进制可逆计数器

                                     ↓

电阻和流水灯组← 74HC42四线——10线译码器和非门

                       图1 总体设计框图

• 单元电路设计与参数计算
  

74LS190电路是十进制同步可逆计数器，它是单时钟控制的，能够完成置数、加减计数、保持功能，还有进位或借位、级联等功能。功能表如下：

74HC42是二-十进制译码器，其输入的是十进制数的二进制编码（BCD码），输出的是与10个十进制数字相对应的10个信号，就是把输入的BCD码翻译成10个十进制数字信号的译码器。其真值表如下：

74LS190可逆计数器接受脉冲，上升沿触发计数，每来一个上升沿信号计数一次，相应在74HC42译码器中就翻译一次，就会使10个led灯逐渐亮起。

它由分压器、比较器、基本R--S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5K?的等值电阻串联而成。分压器为比较器1A、2A提供参考电压，比较器1A的参考电压为2/ 3 Vcc，加在同相输入端，比较器2A的参考电压为 1 /3Vcc，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放1A、2A组成。高电平触发信号加在1A的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R--S触发器_ DR端的输入信号；低电平触发信号加在2A的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R—S触发器_ DS端的输入信号。基本R--S触发器的输出状态受比较器1A、2A的输出端控制。

由555定时器组成的多谐振荡器如图3.4所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图3.5所示。

图5  由555定时器组成的多谐振荡器

图6 　工作波形图

设电容的初始电压Uc＝0，t＝0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触 发端THV＝TLV＝0<1 /3Ｖcc，比较器A1输出为高电平，A2输出为低电平，即_ RD=1, _SD=0?（1表示高电位，0表示低电位），RS?触发器置１，定时器输出u0=1?此时_ Q=0, 定时器内部放电三极管截止，电源Vcc经1R，2R向电容Ｃ充电，cu逐渐升高。当uc上升到 1/ 3 Vcc时，A2输出由0翻转为１，这时_RD=_SD=1，R_S?触发顺保持状态不变。所以0<t<1 t期间，定时器输出u0为高电平１。

t=t1时刻，uc上升到2 /3 Vcc，比较器A1的输出由１变为0， 这时_RD=0?，_SD=1，R_S触发器复0，定时器输出u0=0。

t1<t<t2期间，_ Q1=1,放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ通过R2放电。uc按指数规律下降， 当uc<2 /3 Vcc时比较器A1输出由0变为1，Ｒ－Ｓ触发器的_RD=_SD=1 ，Ｑ的状态不变，u0的状态仍为低电平。

t=t2时刻，uc下降到1 /3 Vcc，比较器A2输出由1变为0，R---S触发器的_RD=1， _SD=0，触发器处于1，定时器输出u0=1?。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出u0=1?，电容放电时，u0=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波,其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

振荡周期:  由图7可知，振荡周期T=T1+T2。T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。

充电时间 T1=(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2)C ????                  

放电时间 T2=R2Cln2=0.7R2C?

矩形波的振荡周期T=T1+T2=ln2(R1+2R2)C=0.7(R1+2R2)C ???

?   因此改变R1、R2和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。

1．总原理图

图9   仿真总电路图

2．电路完整工作过程描述（总体工作原理）

如图4.1为彩灯控制器电路。其中主要由时钟信号发生器555、可逆计数器74LS190，4-10线译码器74HC42、和D触发器反馈控制电路组成。

时钟信号发生器与NE555构成，产生信号频率为f=1/ 0.7(R4+R2)C1

改变参数改变可以设置实验所需频率，控制彩灯的流速。时钟信号发生器的脉冲作为可逆计数器74LS190的脉冲源。

Sw2手动，打向左边、自动开关为为手动，打向右边为自动。

Sw1控制灯的流向。打向地时，给U12的5引脚输入低电平，U12作加法计数，通过4-10线译码器74HC42翻译成可视信号，控制彩灯正向流动；打向电源时，

给U12（计数器）的5引脚输入高电平，U12作减法计数，通过4-10线译码器74HC42翻译成可视信号，控制彩灯逆向流动。

因调出555输出的脉冲周期为T=0.7(R1+2R2)C=0.7*(10K+2*30K)*10*10^-6=.05s

所以10个刚好为5s。然后U13（双D触发器其中的一个触发器）在第一个灯亮时（高电平）置0，则Q非输出高电平给计数器的U/D端，让其做减法计数；U13（双D触发器其中的一个触发器）在第十个灯亮时（高电平）时，即来了一个上升沿脉冲，使输出翻转（Q非连着D）则Q非输出低电平给计数器的U/D端，让其做加法计数，如此实现5s自动往返。

五、仿真调试与分析

第二：由电路自动控制led灯的流向。就是通过双D触发器中的一个D触发器的反馈电路实现自动控制led灯的流向。

在U/D端用个一刀双掷开关控制手动开关和自动流向（双D触发器中的一个Q非输出）

（1）如图：正向流动（图10—2）（图10—3）。

                                     图10—2

图10—3

（2）如图：逆向流动（图10—4）和（图10—5）

                图10—4

第三：

因调555输出的脉冲周期为T=0.7(R1+2R2)C=0.7*(10K+2*30K)*10*10^-6=.05s

所以10个刚好为5s。然后U13（双D触发器其中的一个触发器）在第一个灯亮时（高电平）置0，则Q非输出高电平给计数器的U/D端，让其做减法计数；U13（双D触发器其中的一个触发器）在第十个灯亮时（高电平）时，即来了一个上升沿脉冲，使输出翻转（Q非连着D）则Q非输出低电平给计数器的U/D端，让其做加法计数，如此实现5s自动往返。

如下为全图11

• 结论与心得
  

时间总是过得那么快的，就这样就过了一周，一周的时间的确很短，但是我们在这一周中学的还是挺多的。一开始选到了这个题目就感觉没什么思路的，然后就去查看有关资料，查到的资料还是比较有用的，有了资料也没那么容易做到的。毕竟课程设计不同于实验课，电路图的方法和原件都是靠自己去想和去挑选的，还有电路图都要自己设计。开始的时候仔细分析题目，再加上自己找到的资料与提示和同组成员一起去分析，心中才有了一点思路。将每个要求根据不同的功能化分成模块，再分别进行设计，逐个攻破，最后再将其整合即可。

其实在开始课程设计之前就多少有听闻说这个实验的难度，所以在课程设计到来之前都是带着一点担忧的心情，刚开始拿到题目的时候真的一点思路都没有然后就上网查找相关的资料以及去图书馆查找相关的书籍，刚开始查找到的资料很大部分都是通过Multisim这个软件来完成这个实验的，在那个时候我就在想要不要去学习这个软件的运用方法然后在这个软件里面通过借鉴一些前辈们的做法然后自己做出来，但是感觉这样子有点花时间而且以后Multisim这个软件的使用次数可能会有点少，所以我就想试试看能不能在proteus上面实现课程设计里面彩灯控制的课程，刚开始是遇到了很多的难题，元器件的不同以及相关功能的不了解是一个很大的难关，最主要的原因是之前学的数字电子技术的知识遗忘了很多，所以又马上找出之前的书本查阅了相关元器件的功能以及用法，网上很多参考文献的做法都是运用了书本上的内容，所以复习之前学过的知识是很重要的一个环节。

通过一个星期的课程设计我深刻的了解对学过的知识点的及时复习是非常重要的，因为你不知道你以后是否要运用到你现在学习到的知识，当你运用到的时候你就会感谢之前你的努力学习，在课程设计中我还明白了一个道理，想要做成功一件事需要沉得住气，要有耐心，当遇到难题一时半会解不出来的时候，不要给自己太大的压力，要给自己信心，相信自己可以解决这些难题，团队合作也是一个很重要的条件，一个人的力量是有限，两个人的力量肯定是比一个人强得多的，俗话讲：三个臭皮匠赛过诸葛亮，所以在课程设计过程中要多与组员讨论，你解决不了的问题有可能组员解决的了，或者实现某一功能的路径组员有更简单的方法。在过去的一个星期里面，虽然有苦但是收获也是很多的

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