1、明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 12011 2012 学年 第 2 学期 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： 通信工程 班 级： 10 通信（1）班 姓 名： 高建 汪璐璐 牛淼 徐晴 范传龙 陈浩 崔少华 指导教师： 冯锁 电气工程系明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 2任务书课题名称 数字电子技术课程设计-灯光显示电路指导教师（职称） 冯锁（讲师）执行时间 20112012 学年第二学期 第 15 周学生姓名 学号 承担任务高建 1009131021 电路 Multisim 仿真徐晴 100913112
2、9 555 定时器的应用牛淼 1009131113 电路器件参数计算陈浩 1009131005 74LS191 预置零设计汪璐璐 1009131123 74LS191 的应用范传龙 1009131013 原理图绘制崔少华 1009131009 灯光驱动电路设计设计目的1. 掌握计数、译码和显示驱动电路的设计。2. 能根据实际不用的要求实现不同的输出。设计要求1. 三个彩灯红、绿、黄循环显示。彩灯显示的状态如下表所示。CP R G Y0 0 0 01 0 0 12 0 1 03 0 1 14 1 0 05 1 0 16 1 1 07 1 1 12. 画出电路原理图。3. 进行电路的仿真和调试。明
3、德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 3摘 要灯光显示电路是人们生活中必不可少的一个部分。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。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
4、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。关键字：灯光 显示电路 LED明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 4目录第一章 绪论 5第二章 设计原理 .7第三章 电路设计 .83.1 集成 555 定时器多谐振荡器 .83.2 74LS191 计数器的运用 .103.3 74LS191 预置零设计 .123.4 驱动电路 13第四章 Multisim 仿真 .13总结 17参考文献 .18附录 19答辩记录及评分表 .19明
5、德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 5图表清单图 3 .1原理图 8图 3 .2 555定时器 8图 3 .3由 555定时器构成的多谐振荡器 9图 3 .4工作波形图 .10图 3 .5同步十六进制加/减计数器 74LS191逻辑图 11图 3 .6同步八进制计数器 .11图 3 .7 74lS191接成 8进制计数器 .12图 3 .8 8进制计数器改进图 .12图 3 .9驱动电路 .13图 4 .1电路原理图 .14图 4 .2脉冲信号 .14图 4 .3初始状态 .15图 4 .4第一个脉冲来临时 .15图 4 .5第三个脉冲信号来临时 .15图 4 .6第四个脉
6、冲信号来临时 .16图 4 .7第七个脉冲信号来临时 .16表 3 .1同步十六进制加/减计数器 74LS191功能表 12表 3 .2 74LS191功能表 .12图 2 .1原理框图 7明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 6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
7、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。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。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
8、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： 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 0.030.06W） ，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
9、的绿色照明光源。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+50环境下正常工作。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。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
10、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 1015W 之间。明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 7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
11、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
12、门电路的使用。本课程设计的原理框图如下图所示：图 2 .1 原理框图多谢振荡器 计数器 驱动电路明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 8第三章 电路设计电路原理图如图所示图 3 .1原理图电路的设计一共包括了信号发生器、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 .2 555定时器明德尚能 博学日新数字电子
13、技术课程设计报告 灯光显示电路 9由 555 定时器构成的多谐振荡器如图 3.2 所示：图 3 .3由 555定时器构成的多谐振荡器如上图所示，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
14、）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PHT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 ）PLTVcc 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（ 1/32
15、/3）Vcc 之间变化。工作波形如下：明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 10t0u t0u31CV200PHTL图 3 .4工作波形图充电时间常数 T 充=（R1R2）Cln =(R1+R2)Cln2Vcc-VT-Vcc-VT+放电时间常数 T 放Cln2R2所以电路的振荡周期为T=T 充+T 放=(R1+2R2)Cln2振荡频率为f= =1T 1（R1+2R2）Cln23.2 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
16、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
17、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。明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 11图 3 5同步十六进制加/减计数器 74LS191逻辑图引脚说明：MAX/MIN 进位输出/错位输出端，CLOCK 时钟输入端（上升沿有效） ，ENG 计数控制端（低电平有效） ，AD 并行数据输入端，LOAD 异步并行置入控制端（低电平有效） ，QAQD 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CLK1 S LD U/D 工作状态 1 1 保持 0 预置数 0
18、1 0 加法计数 0 1 1 减法计数图 3 .6同步八进制计数器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 10001111 这八个状态，得到八进制计数器。明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 123.3 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CLK1 S LD U/D 工作状态 1 1
19、 保持 0 预置数 0 1 0 加法计数 0 1 1 减法计数图 3 .7 74lS191接成 8进制计数器但是,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 .8 8进制计数器改进图如图所示，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
20、。明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 133.4 驱动电路图 3 .9驱动电路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）aI a/20=0.17k(其中 1.5 为 74139 的电压降，R 实
21、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1.52.3 间，最大不能超过 2.5。因此,R2R7 电阻值取 200 。明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 14第四章 Multisim 仿真运用 Mult
22、isim11 仿真程序，电路原理图如图 4.1 所示图 4 .1电路原理图明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 15图 4 .2脉冲信号图 4 .3初始状态明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 16图 4 .4第一个脉冲来临时图 4 .5第三个脉冲信号来临时图 4 .6第四个脉冲信号来临时明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 17图 4 .7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
23、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
24、成熟的许多，另我有了一中”春眠不知晓”的感悟。明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 18短短的课程设计，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，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。参考文献1王仁祥. 电力新技
25、术概论M. 北京：中国电力出版社，2009.2戈东方. 电力工程电气设计手册.第 1 册，电气一次部分M. 北京：中国电力出版社，1989.3丁毓山、雷振山. 中小型变电所使用设计手册 M. 北京：中国水利水电出版社，2000.4姚志松、姚磊. 中小型变压器实用手册M. 机械工业出版社，2008.5祝淑萍. 工业企业电力网际变电设备M. 北京：冶金工业出版社，2003 43-54.6刘百昆. 实用电工技术问卷J. 内蒙古：内蒙古人民出版社，1992.明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 197傅知兰主编. 电力系统电气设备选择与实用计算M. 北京：中国电力出版社，2004.
26、8李金伴、陆一心. 电气材料手册M. 化学工业出版社，2005.9清华大学高压教研组. 高压断路器M. 北京：水利电力出版社，1978.10华东电气. SF6 金属封闭组合电器 M. 北京：华东电气股份有限公，1997.附录器件名称 型号 参数 说明U2 74LS191DU3A 74HC09N_2VU1A 74HC01N_2VVDD VDD 12VRI RI 1R1 R1 28.86KR2 R2 200KR3 R3 200KR4 R4 200K555_VIRTUAL Timer 555_VIRTUALTimer明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 20V1 V1 12VV2 V2 0V 12VV3 V3 100KU4 U4 导通电流 20mAU5 U5 导通电流 20mAU6 U5 导通电流 20mAC C 1uFCf Cf 1uF答辩记录及评分表课题名称答辩教师（职称）答辩时间 学年第 学期 第 周明德尚能 博学日新数字电子技术课程设计报告 灯光显示电路 21答辩记录评 分 表学生姓名 学号 评分高建 1009131021徐晴 1009131129牛淼 1009131113陈浩 1009131005汪璐璐 1009131123范传龙 1009131013崔少华 1009131009
