基于數字集成電路流水燈的設計

摘 要：為了使造價低廉、清潔無污染的LED燈在電子產品裝飾、顯示屏電子廣告、數碼與字符顯示、節能燈等領域得到廣泛的應用，采用LED燈來作裝飾已成為一種時尚。采用數字集成電路的控制方法，結合十進制計數器/譯碼電路設計了該控制系統。該系統由電源、時鐘電路、計數器和譯碼顯示電路4部分組成。能實現任意方式的流水，只要改變每路發光二極管的數目和圖案，就可以實現隨心所欲的流水花樣。它可作為工作狀態指示，具有環保、節能等特點。

關鍵詞：觸發器； 流水燈； 控制器； LED燈

中圖分類號：TN702-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0185-03

Design of Water Lights Based on Digital Integrated Circuit

LU Cui-zhen

(Baise Mechanical and Electrical Project School， Baise 533000， China)

Abstract： In order to make the low cost， clean and pollution-free LED lamps widely applied in the fields of electronic product decoration， screen display advertisement， numerical code and character display， and energy saving lamps， the decoration with the LED lamps has become a fashion. In combition with decimal system counter/decoding circuit， the control method for digital integrated circuit is employed to design the control system of water lights. This system is composed of power source， clock circuit， counter and decoding display circuit. It can realize the random running water way. So long as the number and pattern of each group LED are changed， any running water pattern can be realized.

Keywords： trigger; water light; controller; LED Lamp

當今時代是一個新技術層出不窮的時代，尤其是在自動化智能控制的電子領域，給人們的生活增添了色彩，也帶來了方便和舒適。比如五顏六色的廣告流水燈每到晚上把許多娛樂場所、理發店、賓館、飯店、公司的門外點綴得格外迷人。制作流水燈的方法有多種［1］，有傳統的分立元件，由數字邏輯電路構成的控制系統和單片機智能控制系統等。對于第一種方法，雖然電路簡單，但性能不穩定，工作可靠性差；而第三種方法對于電子技術初學者來說，難度又偏大，因此下面根據多年的教學經驗來介紹由數字集成電路控制的流水燈的設計方法。

1 設計的任務要求

采用邊沿JK觸發器(74LS112)、D觸發器(74LS74)和3-8線譯碼器(74LS138)構成一個流水燈電路。要求系統共有8個燈，其效果始終是7亮1暗，且這1暗燈循環下移或者上移。

2 設計的思路與電路組成框圖

首先應用74LS112和74LS74中3個觸發器構成異步八進制加法或減法計數器；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，如此反復循環，形成流動效果［2］。該電路由電源、時鐘脈沖產生電路、加法計數器、譯碼及LED顯示系統等五部分組成。

3.2 各部分電路功能

3.2.1 電源電路

電源電路中，220 V市電通過變壓器降壓成12 V的交流電，后經過VD1～VD4組成的橋式整流電路整流和C1濾波，再經7805穩壓到5 V直流電壓作為時鐘脈沖產生電路和計數器及譯碼顯示電路的電源。

3.2.2 時鐘脈沖產生電路

時鐘脈沖產生電路主要是為計數器提供時鐘脈沖，它是由555定時器構成的多諧振蕩器［3-4］，如圖2所示。

其中，R1，R2和C3是外接定時元件，那么當接通電源瞬間，由于電容C3來不及充電，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，電源經R1，R2對電容C3充電，使第2和第6腳電位按指數規律上升，當第2和第6腳電位上升到電源電壓的2/3時，第3腳輸出翻轉為低電平，放電管VT導通，此時電容C3充電結束，開始通過R2和放電管放電。隨著電容C3放電的不斷進行，其兩端電壓逐漸下降，當降到電源電壓的1/3時，輸出又變為高電平，放電管VT截止，電源再次對電容C3充電，這樣經過電容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，電容的充電過程實質為電容兩端電壓從1/3VCC上升至2/3VCC這段時間，故充電時間為：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這段時間，放電時間為：T放=0.7R2C3。可見，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)

3.2.3 加法計數器電路

圖3是由兩個下降沿JK觸發器和一個上升沿D觸發器構成的異步3位二進制加法計數器，各觸發器均接成計數狀態［5-6］，具體由74LS112雙JK觸發器和74LS74雙D觸發器來實現。假設在計數之前，先給復位端RD一個負脈沖，使各觸發器均處于0態，從初始狀態000開始，每輸入一個計數脈沖，計數器的狀態按二進制遞增(加1)，輸入第8個計數脈沖后，計數器又回到000狀態。其計數規律見表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路發光二極管組成［7-8］。在開始計數前，首先按一下復位按鈕S，使計數器輸出為000，這樣經3-8譯碼器譯碼成十進制數的“0”，因此對應于的輸出為低電平，LED0不亮，而其余7個輸出端均為高電平，所以從LED1~LED7都亮。那么，當往計數器送第一個CP時，計數器輸出為001，經3-8譯碼器譯碼成十進制數的“1”，因此對應于的輸出為低電平，LED1不亮，而其余7個輸出端均為高電平，所以從LED0，LED2~LED7都亮。如果繼續送第2，第3個脈沖時，則依次是LED2，LED3不亮，當送到第7個脈沖時，LED7不亮。也就完成了這一暗從上至下的移動，當再來第8脈沖時，又開始下一輪循環。由于本電路的時鐘產生周期是0.1 s那么，4 s內流水燈可以完成5次循環，如此反復循環，產生的效果就像水的流動一樣，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［9-10］。

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10 V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。

復位開關S選用6×6的輕觸開關。其余集成電路的型號按電路圖所標注的選擇。

5 功能擴展

(1) 如果將圖3計數器設計成減法計數器，可以使這7亮1暗從下往上循環移動。另外只要將8路發光二極管反接，就可實現7暗1亮。

(2) 若每路用若干個發光二極管并聯，可組成一句簡單的漢字語句或英文句子。

6 結 語

該設計具有性能穩定、壽命長、成本低、電路簡單、實用性強等優點。較為完整地介紹了常用流水燈的制作方法，是學習數字電路過程中比較經典、有趣、且能再現設計流程的一款作品，能有效提高數字電路初學者的學習興趣、動手能力和解決實際問題的能力。

參 考 文 獻

［1］曾廣明.新型流水燈的組裝教學［J］.電子制作，2009(6)：15-16.

［2］張慶雙.燈光控制應用電路集粹［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［3］劉繼平.電子技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［4］王俊峰.學電子技術入門到成才［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［5］徐新艷.數字與脈沖電路［M］.北京：電子工業出版社，2001.

［6］秦曾煌.電工學(下冊)：電子技術［M］.5版.北京：高等教育出版社，1999.

［7］康華光.電子技術基礎(數字部分)［M］.4版.北京：高等教育出版社，2000.

［8］朱國興.電子技能與訓練[M].2版.北京：高等教育出版社，2000.

［9］林鋼.實用電子元器件［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［10］陳穎.電子材料與元器件［M］.北京：電子工業出版社，2003.

作者簡介：

盧翠珍 女，1969年出生，廣西橫縣人，講師。主要研究方向為電路設計。