太原理工四路彩灯显示电路数字逻辑.doc

设计课题：四路彩灯显示系统设计
1. 设计任务和要求
设计一个四路彩灯控制器,设计要求如下：
（1） 接通电源后，彩灯可以自动按预先设置的程序循环闪烁。
（2） 设置的彩灯花型由三个节拍组成：
第一节拍：四路彩灯从左向右逐次渐亮，灯亮时间1s，共用4s；
第二节拍：四路彩灯从右向左逐次渐灭，也需4s；
第三节拍：四路彩灯同时亮0.5s,然后同时变暗,进行4次,所需时间也为4s。
（3）三个节拍完成一个循环，一共需要12s。一次循环之后重复进行闪烁。
2. 设计分析
四路彩灯既有四路输出，设依次为、、、，若“1”表示灯亮，“0”表示灯灭，由课题要求可知四路彩灯显示系统要求如下表1所示的输出显示。
表1 四路彩灯输出显示
说 明
输 出
所用时间

开机初态
0 0 0 0

第一节拍
逐次渐亮
1 0 0 0
1 1 0 0
1 1 1 0
1 1 1 1
1s
1s
1s
1s

第二节拍
逆序渐灭
1 1 1 0
1 1 0 0
1 0 0 0
0 0 0 0
1s
1s
1s
1s

第三节拍
同时亮0.5s，然后同时灭0.5s，进行四次
1 1 1 1
0 0 0 0
1 1 1 1
0 0 0 0
1 1 1 1
0 0 0 0
1 1 1 1
0 0 0 0
0.5s
0.5s
0.5s
0.5s
0.5s
0.5s
0.5s
0.5s
由上表可知，需要一个分频器起节拍产生和控制作用，每4s一个节拍，3个节拍共12s后反复循环。一个节拍结束后应产生一个信号到节拍程序执行器，完成彩灯渐亮、渐灭、同时亮、同时灭等功能。
分频及节拍控制可以用一个模12计数器来完成；彩灯渐亮、渐灭可以用器件的左移、右移功能来实现，因此可选用移位寄存器74194来完成。同时亮0.5s、同时灭0.5s可考虑把1Hz的秒脉冲信号直接加到输出显示端来完成。
综上所述，要完成四路彩灯显示功能需要有分频器、节拍控制器、节拍程序执行器及脉冲源等电路。
记第一，二，三节拍分别为有效时间应为4秒，结束马上开始，后马上开始，如此循环不断。为此可考虑采用移位寄存器构成的移位型控制器。由于有三个状态，因此需要用三个触发器对现时状态进行记忆，为使各状态的有效时间间隔为4秒，则驱动该移位控制器动作时钟周期应为4秒。应在开机瞬间，使移位型控制器的状态被确定下来，即节拍应为100，可控制输入信号使触发器置位、复位来实现。
为实现功能要求器件具有右移功能，为实现功能要求器件有左移功能；而且左、右移输入可为“0”也可为“1”；为实现功能，要求器件同时具有并行置数功能。因此可选用一种具有左移、右移和并行置数功能的通用移位寄存器74LS194。74LS194具有并行输入端A、B、C、D，并行输出端、、、，右移输入端SR，左移输入端SL和模式控制输入端，以及一个无条件直接清除端CLR。模式控制输入，有00、01、10、11四种组合方式，分别表示双向移位寄存器所具有的四种功能，即禁止、右移、左移和并行置数。为了使当=100时， =01（右移），=010时，=10（左移），当=001时=11（并行置数）。
74LS194的输出端初态均为零，在开机瞬间，使移位控制端 的状态被确定下来，即 =100时， =01 右移串行数据输入端 SR经脉冲信号经四分频电路和 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯从右到左依次亮共 4秒 ，当 =010 =10 左移串行数据输入端 SL经脉冲信号经四分频电路和 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯从左到右依次灭共 4秒， =001 =11 并行数据输入端 A、B、C、D经脉冲信号经四分频电路和 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯同时为“ 1”0.5秒、同时为“0”0.5秒，重复4遍共4秒，完成一个循环共需12秒，12个CP脉冲。
3. 设计方案
分析以上设计任务，该控制系统完成如图3-4所示的控制流程，系统结构框图如图3-5所示。其中脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为1Hz的时钟信号；分频器将1Hz的时钟信号四分频，用以产生0.25Hz（即4S）的时钟信号；节拍控制器产生三个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移和送数功能，可以使用双向通用移位寄存器74LS194完成；显示电路完成系统循环演示的指示，可以用发光二极管模拟。
系统控制流程图及控制系统结构框图如下图所示：

4. 设计实现
下图为四路彩灯显示的一种简易实现电路。该电路选用同步十六进制计数器74161实现模12分频及节拍控制，用4位双向移位寄存器74191实现彩灯的渐亮、渐灭功能。

图3：四路彩灯显示系统的一种实现电路

四路彩灯显示系统的工作过程如表2所示。74161的输出为；74194的输出为；四路彩灯的输出为。74194的工作方式控制端，。在第一节拍中，，74194实现右移功能，即在时钟脉冲作用下，把逐次移进；在第二节拍中，，74194实现左移功能，即在时钟脉冲作用下，把逐次反方向移进。由于前两个节拍中，门G关闭，输出为0，因此四路彩灯的输出。在第三节拍中，，74194仍然左移，一直保持为0000。此时，门G打开，时钟脉冲CP同时加到四个输出端，由于CP是1Hz秒脉冲，在1s时间内高电平和低电平持续时间均为0.5s，因此实现同时亮0.5s、同时灭0.5s，在4s内共进行4次。第三节拍结束后返回第一节拍，如此反复，实现四路彩灯循环显示。

表2 四路彩灯工作过程
说明
秒脉冲
74161
74194
彩灯输出

第一节拍

0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1
0 1
0 1
0 1
1 0 0 0
1 1 0 0
1 1 1 0
1 1 1 1
1 0 0 0
1 1 0 0
1 1 1 0
1 1 1 1
第二节拍

0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1
1 0
1 0
1 0
1 0
1 1 1 0
1 1 0 0
1 0 0 0
0 0 0 0
1 1 1 0
1 1 0 0
1 0 0 0
0 0 0 0
第三节拍

1 0 0 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 0 1 1
1 0
1 0
1 0
1 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0

1Hz时钟CP
注：时钟由第三节拍的1011返回到第一节拍的0000循环进行
5. 四路彩灯系统程序表
说明
输出

时间
开机状态
0 0 0 0

1 1 1 1
4s

0 0 0 0
4s

1 1 1 1
1 1 1 1
0 0 0 0
0 0 0 0

4s

6. 所需器件
74LS194 1个、74LS161 1个, 74LS32 5个， 74LS04 2个，74LS20 1个，发光二级管4个， 导线若干条。
7. EDA仿真电路图

通过EDA仿真，该电路可以实现实验要求的四路彩灯显示系统及其循环。

8. 设计实现功能
系统启动后按开关两次, 自动从初始状态按照规定程序完成3个节拍的循环演示。第一节拍：四路彩灯从左向右逐次渐亮。第二节拍：四路彩灯从右向左逐次渐灭。第三节拍：四路彩灯同时亮,然后同时变暗。
9. 实际电路的连接和调试
按照仿真的电路图和上面芯片的引脚图在面包板上连好线路，经检查无误后，接通电源可看到四个二极管都亮，拔动开关，调好脉冲，观察二极管的变化，可以看到电路和仿真的一样。
10. 参考文献
白静.数字电路与逻辑设计 西安电子科技大学出版社，2009.
11. 经验总结
通过本学期对数字电路逻辑设计一书的学习，课程结束后完成了本次课程设计。在此次课程设计实验中，通过查找资料和网上搜索相关资料，我学会了寄存器的使用方法， 熟悉了寄存器的一般应用，基本掌握了数字系统设计和调试的方法。在课设中我们可以观察到，当输入“12”个脉冲以后，输出数据回到起始值，12个脉冲构成一组循环，因此，可以把该电路作为一个“12”进制的计算器。通过本课课设我基本掌握了数字系统的仿真与设计方法。使我认识到在实际电路的连接时，要注意每一个引脚的接法，在选双开关时，面板上没有，要引线接双开关。通过这次课设，我对电子技术中的诸多知识有了更深刻的理解，也初步学会了如何将理论知识有机地与实际结合加以运用。这是一次我受益匪浅的学习。