基于数字集成电路流水灯的设计
摘要：为了使造价低廉、清洁无污染的LED灯在电子产品装饰、显示屏电子广告、数码与字符显示、节能灯等领域得到广泛的应用，采用LED灯来作装饰已成为一种时尚。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。
关键词：触发器；流水灯；控制器；LED灯
当今时代是一个新技术层出不穷的时代，尤其是在自动化智能控制的电子领域，给人们的生活增添了色彩，也带来了方便和舒适。比如五颜六色的广告流水灯每到晚上把许多娱乐场所，理发店、宾馆、饭店、公司的门外点缀得格外迷人。制作流水灯的方法有多种，有传统的分立元件，由数字逻辑电路构成的控制系统和单片机智能控制系统等。对于第一种方法，虽然电路简单，但性能不稳定，工作可靠性差；而第三种方法对于电子技术初学者来说，难度又偏大，因此下面根据多年的教学经验来介绍由数字集成电路控制的流水灯的设计方法。
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。[!--empirenews.page--]
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)[!--empirenews.page--]
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。较为完整地介绍了常用流水灯的制作方法，是学习数字电路过程中比较经典、有趣、且能再现设计流程的一款作品，能有效提高数字电路初学者的学习兴趣、动手能力和解决实际问题的能力。