8路彩灯控制电路设计

《8路彩灯控制电路设计》课程设计报告专业：班级：姓名：学号：指导教师：2014年6月25日目录1.课程设计的目的·········································12.课程设计题目描述和要求································13.电路设计··············································14.设计过程中遇到的问题及解决办法·························75.结论与体会·············································8附表参考书目············································91.课程设计目的1.熟悉仿真软件Multisim,使用软件经行电路仿真；2.掌握数字电路课程学习的常见芯片的功能，熟悉其工作原理；3.了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学的分析问题、解决问题；4.增强学生动手能力，增加学生理论和实践结合的机会。2.课程设计题目描述和要求设计题目八路彩灯控制电路设计，即设计并制作8路彩灯控制电路，用以控制8个LED按照不同的花色闪烁设计要求1．接通电源，电路开始工作，LED灯闪烁；2．LED灯按照事先设计的方式工作，要求闪烁的模式不能少于三种模式3.电路设计3.1闪烁花型设计花型Ⅰ：8路彩灯分成两半从右到左依次点亮，全亮后再从右到左依次熄灭。花型Ⅱ：8路彩灯由中间到两边对称的依次点亮，全亮后仍由中间到两边对称熄灭。花型Ⅲ：8路彩灯分成两半从左到右依次点亮，全亮后再从左到右依次熄灭。花型Ⅳ：8路彩灯由两边到中间对称的依次点亮，全亮后仍由两边到中间对称熄灭。花型状态编码表如表3.1.1所示。每种花型连续循环两次，四种花型轮流交替，为了更好的显示结果本文用指示灯模拟彩灯。表3.1.18路彩灯输出状态编码表节拍脉冲Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7花型Ⅰ花型Ⅱ012345678000000000001000100110011011101111111111111101110110011001000100000000000000000000001100000111100011111101111111111100111110000111000000100000000节拍脉冲Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7花型Ⅲ花型Ⅳ0123456780000000010001000110011001110111011111111011101110011001100010001000000000000000010000001110000111110011111111111011111100011110000011000000000003.2设计原理3.2.1系统的逻辑功能分析彩灯控制电路的原理框图如图3.2.1所示，它主要由控制器、编码器和脉冲信号发生器等部分组成。（报告正文部分）：图3.2.1彩灯控制器原理图编码器根据花型按节拍输出8路编码信号，控制彩灯按规定的规律亮、灭；脉冲信号发生器控制器编码器8路彩灯编码信号控制器为编码器提供所需的节拍脉冲及控制信号，控制整个系统的工作；脉冲信号发生器为系统提供时钟脉冲信号。3.2.2器件的选择74LS194N·························································2片74LS161N·························································2片74LS04D·························································6片74LS76D·························································1片时钟电压源·······················································1个VCC（5V）·························································3个3.3设计方案（1）编码器的设计。分析表3.1.1，实现花型Ⅰ时前四位Q0Q1Q2Q3为左移环形计数器的规律，后四位Q4Q5Q6Q7为左移环形计数器的规律；实现花型Ⅱ时前四位Q0Q1Q2Q3为左移环形计数器的规律，后四位Q4Q5Q6Q7为右移环形计数器的规律；实现花型Ⅲ时前四位Q0Q1Q2Q3为右移环形计数器的规律，后四位Q4Q5Q6Q7为右移环形计数器的规律；实现花型Ⅳ时前四位Q0Q1Q2Q3为右移环形计数器的规律，后四位Q4Q5Q6Q7为左移环形计数器的规律。用两片74LS194N分别对四个彩灯经行编码，编码器的Multisim仿真电路图如图3.2.2所示。图3.2.2编码器的Multisim仿真电路图编码器选用的是2片4位双向移位寄存器74LS194N组成2个环形计数器，74LS194N的特性表见附表3.1.2。图3.2.2中两片74LS194N的工作方式控制信号S0、S1由控制器控制。U5片74L194N数据左移串行输入端SL=Q0,右移串行输入端SR=Q3。U6片74L194N数据左移串行输入端SL=Q4右移串行输入端SR=Q7。U5片74L194N的工作方式控制端S1和节拍脉冲是D触发器的逻辑关系，即在节拍脉冲通过D触发器后连接S1。U6片74LS194N的S1端口与U5片74L194NS1端口和节拍脉冲是异或关系。因此可以得出U5、U6的左右移动的控制连接电路。图3.2.3两片74L194N的左右移动控制电路（2）控制器的设计。分析表3.1.1知道花型Ⅰ、花型Ⅱ、花型Ⅲ、花型Ⅳ经过8个CLK脉冲信号作用循环一次。本设计是每种花型连续循环两次，这样需要16个CP脉冲信号作用，实现一次大循环需要64个CLK脉冲信号。这样设计一个32拍的节拍器用两个周期实现四种花型的循环。节拍控制器的时序如图3.2.4所示16个花型Ⅰ循环两次16个花型Ⅰ循环两次图3.2.4控制器的时序图32拍的节拍脉冲，可以通过计数器对CLK时钟脉冲信号32分频的方法产生，用2片集成二位进制计数器74LS161N级联成8为二进制计数器，集成计数器74LS161N的特征见附表3.1.3。控制器的Multisim仿真电路如图3.2.5图3.2.5控制器的Multisim仿真电路（3）时钟脉冲信号。时钟脉冲信号源选用Multisim中的时钟电压源，振荡频率设置在100Hz左右。也可由555定时器外接电阻、电容元件构成多谐振荡器或用石英晶体多谐振荡器产生时钟信号。3.4总体电路的设计与仿真各单元电路的设计与仿真完成后，最后连接各单元电路，构成完整的彩灯控制电路系统。系统的总体Multisim仿真电路如图3.2.6所示。图3.2.6系统的总体Multisim仿真电路由仿真结果看本设计能够和好的实现所设想的四种花型的变化即花型Ⅰ：8路彩灯分成两半从右到左依次点亮，全亮后再从右到左依次熄灭。花型Ⅱ：8路彩灯由中间到两边对称的依次点亮，全亮后仍由中间到两边对称熄灭。花型Ⅲ：8路彩灯分成两半从左到右依次点亮，全亮后再从左到右依次熄灭。花型Ⅳ：8路彩灯由两边到中间对称的依次点亮，全亮后仍由两边到中间对称熄灭。且每种花型循环两次。4设计过程中遇到的问题及解决办法设计中最早遇到的问题就是节拍脉冲控制两片74LS194N的左右移动端口的逻辑关系，第一次连接时只得到连续左移的效果。解决的办法是在把节拍CLK脉冲波形图与左边第一片74LS194N的S1、S0端口的设计波形图画出来然后观察得到CLK和S1、S0的逻辑关系，发现可以使用D触发器实现CLK到S1、S0的波形转换。这样就确定了左边第一片74LS194N的左右移的端口控制。再写出第二片74LS194N的S1端口与第一片74LS194N的S1与CLK之间的01逻辑表，得出第二片的S1与它们是异或的逻辑关系。这样在电路中加上了一个D触发器和一个异或门就可解决上述问题。然后遇到的就是接到电路中的触发器没有实现预想的功能，通过示波器观察发现经由触发器输出的波形并没有变化。第一次加入触发器时并没有直接使用D触发器而是使用的是JK触发器J、K端悬空实现D触发器的计数功能。但是经过实际连接发现了J、K端悬空时并没有实现D触发器的功能。然后经过多次摸索发现书中说的悬空是指什么都不接那样就表示接高电平，而在这个软件中悬空的话是要直接接一个高电平的，不然实现不了预想的功能。经过不断的改进本设计最终选用了一个D触发器，实现预想的功能。最后遇到的问题就是灯的替换显示问题。当时为了得到明显的花型显示选用是指示灯而不是二极管，在将指示灯替换回二极管时，再对电路经行仿真问题就出想了。软件提示有错误，根据提示我对电路做了更改。在二极管接地端之前接了300Ω的电阻。再次进行仿真时一切如预想的花型变换。5结论与体会这次的课程设计时间上是很仓促的只有一星期的时间但是实际是连5天都没到因为中间我们有考试，那样就耽误了很多的时间。此次的课程设计在借助图书同学的帮助下我用了3天左右的时间完成了。虽然自由短短的3天时间但是还是学到了很多。设计使用的两个主要的芯片74LS194N、74LS161N在上学期时已经有过接触，为了此次设计我有找到上学期的课本复习了一下相关知识。设计中还用到的其他已学知识也经行了加深复习如基本电路图的设计。通过此次的实践设计我学会了理论和实际的联系。就书中的“悬空”端口处不连接线路，在书中是处于状态表示高电平，而在实际连接如若“悬空”端不连高电平书中表示的“悬空”就实现不了。此次的设计更是让我明白了请教同学的重要性，自己在苦苦思考的问题也许同学的一句话就会使你茅塞顿开。所以和同学交流自己的思想，将问题讨论一下比自己在哪里苦苦思考好的多。同学间要学会交流、学会相互帮助。经过三天的不懈奋斗最后在仿真时最怕的就是结果不如自己设计的那样。可是往往事实不是那样的。只有不停的仿真，检查电路，找到问题，解决问题。这样的过程虽然辛苦但也正是设计的乐趣所在。虽然得到的结果不如自己的设想当时在不断的改向自己的目标时也是有成就感的。在设计时不断地考虑芯片各个端口的功能，产生的进位，输出的信号，以及现有的逻辑关系与所需的逻辑关系。综合考虑设计电路，虽然有的问题可能思考很久依旧没有结果，这时查找资料询问同学则是很好的选择。看着自己在纸上画的波形图，写的逻辑表达式以及仿真的结果顿时有了很大的成就感，三天的时间很短设计时间很仓促，答辩完成后再看看自己的设计图发现还是有很大的修改空间。更换不同的端口界线就实现了其他不同的花型变换，其中的门电路可以使用其他的一个或两个芯片来代替，这样整个电路就会显得更加清晰明了。附件：附表3.1.274LS194N的特性表输入输出R̅DCPS1S0DSLDSRD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0011111x0↑↑↑xxxxx11011000xxxxxxxddxxxxxd3d2d1d0xxx0000Q3nQ2nQ1nQ0nd3d2d1d0dQ3nQ2nQ1nQ2nQ1nQ0ndQ3nQ2nQ1nQ0n附表3.1.374LS161N特性表输入输出R̅DCPLD̅̅̅̅EPETA3A2A1A0Q3Q2Q1Q001111x↑↑xxx0111xxxx110xx0xd3d2d1d0xxx0000d3d2d1d0计数保持保持参考书目：［1］秦增煌，《电工学》，北京，高等教育出版社，2013年［2］任骏原，藤香，李金山，《数字逻辑电路Multisim仿真技术》，北京，电子工业出版社，2013年