数字集成电路实现流水灯设计

 

采用数字集成电路的控制方法，结合十进制计数器/译码电路设计了该流水灯控制系统。该系统由电源、时钟电路、计数器和译码显示电路4部分组成。能实现任意方式的流水，只要改变每路发光二极管的数目和图案，就可以实现随心所欲的流水花样。它可作为工作状态指示，具有环保、节能等特点。

　　1 设计的任务要求

　　采用边沿JK触发器(74LS112)、D触发器(74LS74)和3-8线译码器(74LS138)构成一个流水灯电路。要求系统共有8个灯，其效果始终是7亮1暗，且这1暗灯循环下移或者上移。

　　2 设计的思路与电路组成框图

　　

 

　　首先应用74LS112和74LS74中3个触发器构成异步八进制加法或减法计数器;再将输出端Q2Q1Q0分别与74LS138(3-8译码器)的地址码输入端A2A1A0相连，使译码器相继译码。其电路组成框图如图1所示。

　　3 电路工作原理

　　3.1 电路原理

　　

 

　　电路原理图如图2所示，该系统为8路流水灯控制器，它的控制形式为7亮1暗，且这1暗始终是从上至下移动，如此反复循环，形成流动效果。该电路由电源、时钟脉冲产生电路、加法计数器、译码及LED显示系统等五部分组成。

　　3.2 各部分电路功能

　　3.2. 1 电源电路

　　电源电路中，220 V市电通过变压器降压成12 V的交流电，后经过VD1～VD4组成的桥式整流电路整流和Ct滤波，再经7805稳压到5 V直流电压作为时钟脉冲产生电路和计数器及译码显示电路的电源。

　　3.2.2 时钟脉冲产生电路

　　时钟脉冲产生电路主要是为计数器提供时钟脉冲，它是由555定时器构成的多谐振荡器，如图2所示。

　　其中，R1，R2和C3是外接定时元件，那么当接通电源瞬间，由于电容C3来不及充电，致使电容器C3两端电压为低电平，即555的第2和第6脚电位小于电源电压的1/3，故555的第3脚输出为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C3充电，使第2和第6脚电位按指数规律上升，当第2和第6脚电位上升到电源电压的2/3时，第3脚输出翻转为低电平，放电管VT导通，此时电容C3充电结束，开始通过R2和放电管放电。随着电容C2放电的不断进行，其两端电压逐渐下降，当降到电源电压的1/3时，输出又变为高电平，放电管VT截止，电源再次对电容C3充电，这样经过电容C3的不断充电和放电，在输出端可得一系列的矩形脉冲。由上分析可知，电容的充电过程实质为电容两端电压从1/3Vcc上升至2/3Vcc这段时间，故充电时间为：T充=0.7(R1+R2)C3，而电容的放电是指电容两端电压从2/3Vcc降至1/3Vcc这段时间，放电时间为：T放=0.7R2C3。可见，电路一旦起振后，电容两端电压始终在(1/3～2/3)Vcc之间变化，其振荡周期为：T=T充+T放=0.7(R1+2R2)

　　3.2.3 加法计数器电路

　　

 

　　图3是由两个下降沿JK触发器和一个上升沿D触发器构成的异步3位二进制加法计数器，各触发器均接成计数状态，具体由74LS112双JK触发器和74LS74双D触发器来实现。假设在计数之前，先给复位端RD一个负脉冲，使各触发器均处于0态，从初始状态000开始，每输入一个计数脉冲，计数器的状态按二进制递增(加1)，输入第8个计数脉冲后，计数器又回到000状态。其计数规律见表1。

　　

 

　　3.2.4 译码显示电路

　　从图2可知，译码显示电路是由3-8译码器74LS138和8路发光二极管组成。在开始计数前，首先按一下复位按钮S，使计数器输出为000，这样经3-8译码器译码成十进制数的“0”，因此对应于的输出为低电平，LED0不亮，而其余7个输出端均为高电平，所以从LED1～LED7都亮。那么，当往计数器送第一个CP时，计数器输出为001，经3-8译码器译码成十进制数的“1”，因此对应于的输出为低电平，LED1不亮，而其余7个输出端均为高电平，所以从LED0，LED2～LED7都亮。如果继续送第2，第3个脉冲时，则依次是LED2，LED3不亮，当送到第7个脉冲时，LED 7不亮。也就完成了这一暗从上至下的移动，当再来第8脉冲时，又开始下一轮循环。由于本电路的时钟产生周期是0.1 s那么，4 s内流水灯可以完成5次循环，如此反复循环，产生的效果就像水的流动一样，因此，就把它称为“广告流水灯”。

　　4 元器件选择

　　由于本电路功耗较少，所以电源变压器选用二次电压为12 V，3～5 W的小型变压器。VD1～VD4均选用1N4007型硅整流二极管。LED0～LED7选用φ5 mm的高亮度红色发光二极管。C1可选用耐压值为25 V的铝电解电容器，C2，C3耐压值为10V的铝电解电容器，C4为圆片电容。 5.1 kΩ，220 Ω的电阻选用1/8 W的金属膜或碳膜电阻器。复位开关S选用6×6的轻触开关。其余集成电路的型号按电路图所标注的选择。

　　5 功能扩展

　　(1)如果将图3计数器设计成减法计数器，可以使这7亮1暗从下往上循环移动。另外只要将8路发光二极管反接，就可实现7暗1亮。

　　(2)若每路用若干个发光二极管并联，可组成一句简单的汉字语句或英文句子。

　　6 结语

　　该设计具有性能稳定、寿命长、成本低、电路简单、实用性强等优点。