基于數(shù)字集成電路流水燈的設(shè)計(jì)

摘要：為了使造價(jià)低廉、清潔無(wú)污染的LED燈在電子產(chǎn)品裝飾、顯示屏電子廣告、數(shù)碼與字符顯示、節(jié)能燈等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，采用LED燈來(lái)作裝飾已成為一種時(shí)尚。采用數(shù)字集成電路的控制方法，結(jié)合十進(jìn)制計(jì)數(shù)器／譯碼電路設(shè)計(jì)了該控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電源、時(shí)鐘電路、計(jì)數(shù)器和譯碼顯示電路4部分組成。能實(shí)現(xiàn)任意方式的流水，只要改變每路發(fā)光二極管的數(shù)目和圖案，就可以實(shí)現(xiàn)隨心所欲的流水花樣。它可作為工作狀態(tài)指示，具有環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：觸發(fā)器；流水燈；控制器；LED燈

    當(dāng)今時(shí)代是一個(gè)新技術(shù)層出不窮的時(shí)代，尤其是在自動(dòng)化智能控制的電子領(lǐng)域，給人們的生活增添了色彩，也帶來(lái)了方便和舒適。比如五顏六色的廣告流水燈每到晚上把許多娛樂(lè)場(chǎng)所，理發(fā)店、賓館、飯店、公司的門(mén)外點(diǎn)綴得格外迷人。制作流水燈的方法有多種，有傳統(tǒng)的分立元件，由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)和單片機(jī)智能控制系統(tǒng)等。對(duì)于第一種方法，雖然電路簡(jiǎn)單，但性能不穩(wěn)定，工作可靠性差；而第三種方法對(duì)于電子技術(shù)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，難度又偏大，因此下面根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來(lái)介紹由數(shù)字集成電路控制的流水燈的設(shè)計(jì)方法。

1 設(shè)計(jì)的任務(wù)要求
    采用邊沿JK觸發(fā)器(74LS112)、D觸發(fā)器(74LS74)和3-8線譯碼器(74LS138)構(gòu)成一個(gè)流水燈電路。要求系統(tǒng)共有8個(gè)燈，其效果始終是7亮1暗，且這1暗燈循環(huán)下移或者上移。

2 設(shè)計(jì)的思路與電路組成框圖
    首先應(yīng)用74LS112和74LS74中3個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成異步八進(jìn)制加法或減法計(jì)數(shù)器；再將輸出端Q2Q1Q0分別與74LS138(3-8譯碼器)的地址碼輸入端A2A1A0相連，使譯碼器相繼譯碼。其電路組成框圖如圖1所示。

3 電路工作原理
3．1 電路原理
    電路原理圖如圖2所示，該系統(tǒng)為8路流水燈控制器，它的控制形式為7亮1暗，且這1暗始終是從上至下移動(dòng)，如此反復(fù)循環(huán)，形成流動(dòng)效果。該電路由電源、時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路、加法計(jì)數(shù)器、譯碼及LED顯示系統(tǒng)等五部分組成。[!--empirenews.page--]

3．2 各部分電路功能
3．2. 1 電源電路
    電源電路中，220 V市電通過(guò)變壓器降壓成12 V的交流電，后經(jīng)過(guò)VD1～VD4組成的橋式整流電路整流和Ct濾波，再經(jīng)7805穩(wěn)壓到5 V直流電壓作為時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路和計(jì)數(shù)器及譯碼顯示電路的電源。
3．2．2 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路
    時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路主要是為計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘脈沖，它是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，如圖2所示。
    其中，R1，R2和C3是外接定時(shí)元件，那么當(dāng)接通電源瞬間，由于電容C3來(lái)不及充電，致使電容器C3兩端電壓為低電平，即555的第2和第6腳電位小于電源電壓的1／3，故555的第3腳輸出為高電平，放電管VT截止。這時(shí)，電源經(jīng)R1，R2對(duì)電容C3充電，使第2和第6腳電位按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)?shù)?和第6腳電位上升到電源電壓的2／3時(shí)，第3腳輸出翻轉(zhuǎn)為低電平，放電管VT導(dǎo)通，此時(shí)電容C3充電結(jié)束，開(kāi)始通過(guò)R2和放電管放電。隨著電容C2放電的不斷進(jìn)行，其兩端電壓逐漸下降，當(dāng)降到電源電壓的1／3時(shí)，輸出又變?yōu)楦唠娖?，放電管VT截止，電源再次對(duì)電容C3充電，這樣經(jīng)過(guò)電容C3的不斷充電和放電，在輸出端可得一系列的矩形脈沖。由上分析可知，電容的充電過(guò)程實(shí)質(zhì)為電容兩端電壓從1／3Vcc上升至2／3Vcc這段時(shí)間，故充電時(shí)間為：T充=0．7(R1+R2)C3，而電容的放電是指電容兩端電壓從2／3Vcc降至1／3Vcc這段時(shí)間，放電時(shí)間為：T放=0．7R2C3?？梢?jiàn)，電路一旦起振后，電容兩端電壓始終在(1／3～2／3)Vcc之間變化，其振蕩周期為：T=T充+T放=0．7(R1+2R2)[!--empirenews.page--]
3．2．3 加法計(jì)數(shù)器電路
    圖3是由兩個(gè)下降沿JK觸發(fā)器和一個(gè)上升沿D觸發(fā)器構(gòu)成的異步3位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，各觸發(fā)器均接成計(jì)數(shù)狀態(tài)，具體由74LS112雙JK觸發(fā)器和74LS74雙D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。假設(shè)在計(jì)數(shù)之前，先給復(fù)位端RD一個(gè)負(fù)脈沖，使各觸發(fā)器均處于0態(tài)，從初始狀態(tài)000開(kāi)始，每輸入一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)按二進(jìn)制遞增(加1)，輸入第8個(gè)計(jì)數(shù)脈沖后，計(jì)數(shù)器又回到000狀態(tài)。其計(jì)數(shù)規(guī)律見(jiàn)表1。

3．2．4 譯碼顯示電路
    從圖2可知，譯碼顯示電路是由3-8譯碼器74LS138和8路發(fā)光二極管組成。在開(kāi)始計(jì)數(shù)前，首先按一下復(fù)位按鈕S，使計(jì)數(shù)器輸出為000，這樣經(jīng)3-8譯碼器譯碼成十進(jìn)制數(shù)的“0”，因此對(duì)應(yīng)于的輸出為低電平，LED0不亮，而其余7個(gè)輸出端均為高電平，所以從LED1～LED7都亮。那么，當(dāng)往計(jì)數(shù)器送第一個(gè)CP時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出為001，經(jīng)3-8譯碼器譯碼成十進(jìn)制數(shù)的“1”，因此對(duì)應(yīng)于的輸出為低電平，LED1不亮，而其余7個(gè)輸出端均為高電平，所以從LED0，LED2～LED7都亮。如果繼續(xù)送第2，第3個(gè)脈沖時(shí)，則依次是LED2，LED3不亮，當(dāng)送到第7個(gè)脈沖時(shí)，LED 7不亮。也就完成了這一暗從上至下的移動(dòng)，當(dāng)再來(lái)第8脈沖時(shí)，又開(kāi)始下一輪循環(huán)。由于本電路的時(shí)鐘產(chǎn)生周期是0．1 s那么，4 s內(nèi)流水燈可以完成5次循環(huán)，如此反復(fù)循環(huán)，產(chǎn)生的效果就像水的流動(dòng)一樣，因此，就把它稱為“廣告流水燈”。

4 元器件選擇
    由于本電路功耗較少，所以電源變壓器選用二次電壓為12 V，3～5 W的小型變壓器。VD1～VD4均選用1N4007型硅整流二極管。LED0～LED7選用φ5 mm的高亮度紅色發(fā)光二極管。C1可選用耐壓值為25 V的鋁電解電容器，C2，C3耐壓值為10V的鋁電解電容器，C4為圓片電容。  5．1 kΩ，220 Ω的電阻選用1／8 W的金屬膜或碳膜電阻器。復(fù)位開(kāi)關(guān)S選用6×6的輕觸開(kāi)關(guān)。其余集成電路的型號(hào)按電路圖所標(biāo)注的選擇。

5 功能擴(kuò)展
    (1)如果將圖3計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)成減法計(jì)數(shù)器，可以使這7亮1暗從下往上循環(huán)移動(dòng)。另外只要將8路發(fā)光二極管反接，就可實(shí)現(xiàn)7暗1亮。
    (2)若每路用若干個(gè)發(fā)光二極管并聯(lián)，可組成一句簡(jiǎn)單的漢字語(yǔ)句或英文句子。

6 結(jié)語(yǔ)
    該設(shè)計(jì)具有性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、成本低、電路簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。較為完整地介紹了常用流水燈的制作方法，是學(xué)習(xí)數(shù)字電路過(guò)程中比較經(jīng)典、有趣、且能再現(xiàn)設(shè)計(jì)流程的一款作品，能有效提高數(shù)字電路初學(xué)者的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。