移位寄存器型彩燈控制器課程設計

1、<p>　　課程設計(綜合實驗)報告</p><p>　　( 2011 -- 2012 年度第 1 學期)</p><p>　　名 稱： 數(shù)電實驗設計 </p><p>　　題 目：移位寄存器型彩燈控制器</p><p>　　院 系：電氣與電子工程學院 </p><

2、;p>　　班 級： 電氣0911 </p><p>　　學 號： 1091171121 </p><p>　　日期：2011 年 1 月 5 日</p><p>　　一、課程設計(綜合實驗)的目的與要求</p><p><b>　　1.目的</b>&l

3、t;/p><p>　　1.1綜合實驗是教學中必不可少的重要環(huán)節(jié)，通過綜合實驗鞏固、深化和擴展學生的理論知識與初步的專業(yè)技能，提高綜合運用知識的能力，逐步增強實際工程訓練。</p><p>　　1.2注重培養(yǎng)學生正確的設計思想，掌握綜合實驗的主要內(nèi)容、步驟和方法。</p><p>　　1.3培養(yǎng)學生獲取信息和綜合處理信息的能力、文字和語言表達能力以及協(xié)作工作能力。<

4、/p><p>　　1.4提高學生運用所學的理論知識和技能解決實際問題的能力及其基本工程素質(zhì)。</p><p><b>　　2.要求</b></p><p>　　2.1 能夠根據(jù)設計任務和指標要求，綜合運用電子技術課程中所學到的理論知識與實踐技能獨立完成一個設計課題。</p><p>　　2.2根據(jù)課題需要選擇參考書籍，查閱手

5、冊、圖表等有關文獻資料。要求通過獨立思考、深入鉆研綜合實驗中所遇到的問題，培養(yǎng)自己分析、解決問題的能力。</p><p>　　2.3進一步熟悉常用電子器件的類型和特性，掌握合理選用的原則。</p><p>　　2.4學會電子電路的安裝與調(diào)試技能，掌握常用儀器設備的正確使用方法。利用“觀察、判斷、實驗、再判斷”的基本方法，解決實驗中出現(xiàn)的問題。</p><p>　　2

6、.5學會撰寫綜合實驗總結(jié)報告。</p><p>　　2.6通過綜合實驗，逐步形成嚴肅認真、一絲不茍、實事求是的工作作風和科學態(tài)度，培養(yǎng)學生樹立一定的生產(chǎn)觀點、經(jīng)濟觀點和全局觀點。要求學生在設計過程中，堅持勤儉節(jié)約的原則，從現(xiàn)有條件出發(fā)，力爭少損壞元件。</p><p>　　2.7在綜合實驗過程中，要做到愛護公物、遵守紀律、團結(jié)協(xié)作、注意安全。</p><p>　　二

7、、設計（實驗）正文</p><p>　　課題一 移位寄存器型彩燈控制器</p><p>　　彩燈控制器可以自動控制多路彩燈按不同的節(jié)拍循環(huán)顯示各種燈光變換花型，它廣泛用于大型燈會、舞臺燈光控制、體育館燈光控制以及節(jié)假日燈光裝飾中。實現(xiàn)彩燈控制的方法很多，如用EPROM編程、單片機、純硬件電路等。當彩燈路數(shù)較少且花型變換較為簡單時，可采用移位寄存器進行控制。</p><

8、p>　　1.設計的題目及要求</p><p>　　1.1.要求采用移位寄存器設計一個彩燈控制器。</p><p>　　1.2要求以按一定規(guī)律改變彩燈的輸入電平值，控制彩燈的亮與滅，按預定規(guī)律顯示一定的花型。所要求的花型如下：</p><p>　　花型1：8路彩燈從左至右順次漸亮，全亮后逆序漸滅；循環(huán)兩次。</p><p>　　花型2：8

9、路彩燈從中間到兩邊對稱地逐次漸亮，全亮后仍由中間到兩邊逐次漸滅；循環(huán)兩次。</p><p>　　花型3：8路彩燈分兩半，從左至右順次漸亮，全亮后則滅，循環(huán)三次。</p><p>　　表1.花型真值表如下：</p><p>　　表2.彩燈控制器一次總循環(huán)的狀態(tài)列表</p><p>　　當然三種花型也可以與上述相反，即：</p>&

10、lt;p>　　花型1：8路彩燈從右至左順次漸亮，全亮后逆序漸滅；循環(huán)兩次。</p><p>　　花型2：8路彩燈從兩邊到中間對稱地逐次漸亮，全亮后仍由兩邊到中間逐次漸滅；循環(huán)兩次。</p><p>　　花型3：8路彩燈分兩半，從右至左順次漸亮，全亮后則滅，循環(huán)三次。</p><p>　　1.3三種花型先以慢節(jié)拍顯示一遍，再以快節(jié)拍顯示一遍，構(gòu)成一次大循環(huán)，然后

11、重復。當然也可以相反。</p><p>　　2.設計思路及過程。</p><p><b>　　2.1原理框圖</b></p><p>　　彩燈控制器以某種節(jié)拍按一定規(guī)律改變彩燈的輸入電平值，控制彩燈的亮與滅，按預定規(guī)律顯示一定的花型。因此彩燈控制器需要一個能夠按一定規(guī)律輸出不同高低電平編碼信號的編碼發(fā)生器，同時還需要編碼發(fā)生器所要求的時序信號和

12、控制信號。由于實際應用場合所帶彩燈可能是功率較大的白熾燈或其它，因此還需要一定的驅(qū)動電路，實驗中因采用發(fā)光二極管或指示燈，故可省略驅(qū)動電路。彩燈控制器的原理框圖如圖3.1.1所示。</p><p>　　圖1 彩燈控制器原理框圖</p><p><b>　　2.2設計思路</b></p><p>　　2.2.1節(jié)拍控制電路</p>

13、<p>　　三種花型循環(huán)一次需要16*2+8*2+5*3=63個節(jié)拍，再加上清“0”一拍，共64拍。三種花型若先以慢節(jié)拍顯示一遍，再以快節(jié)拍顯示一遍，這樣構(gòu)成一次大循環(huán)共需128節(jié)拍。如圖3.1.2所示。</p><p>　　圖2 快慢節(jié)拍的時鐘電路框圖</p><p>　　CPL（慢）的1-32節(jié)拍顯示花型1，其中1-8節(jié)拍移位寄存器右移8位，9-16節(jié)拍移位寄存器左移8位

14、，17-32節(jié)拍重復1-16節(jié)拍內(nèi)容。CPL（慢）的33-48節(jié)拍顯示花型2，其中33-40節(jié)拍移位寄存器1左移，移位寄存器2右移，41-48節(jié)拍重復33-40節(jié)拍內(nèi)容。CPL（慢）的49-63節(jié)拍顯示花型3，其中49-53節(jié)拍2個移位寄存器右移，54-58、59-63節(jié)拍重復49-53節(jié)拍內(nèi)容。CPL（慢）的64節(jié)拍總清“0”。CPH（快）的64節(jié)拍與慢節(jié)拍顯示相同。因此，節(jié)拍控制電路需要產(chǎn)生8、16、32、64、128拍的節(jié)拍控制信

15、號。節(jié)拍控制信號電路框圖3.1.1，節(jié)拍控制信號時序圖3.1.4。</p><p>　　圖3 節(jié)拍控制信號電路框圖</p><p>　　圖4 節(jié)拍控制信號時序圖</p><p>　　CP7=0時，移位脈沖CP為慢節(jié)拍CPL；CP7=1時，CP為快節(jié)拍CPH。所以能夠選擇快慢節(jié)拍的移位脈沖CP的表達式為：，CP7的周期為128節(jié)拍。</p><

16、p>　　2.2.2編碼發(fā)生器</p><p>　　表3.通用移位寄存器74LS194的功能表如下：</p><p>　　要實現(xiàn)上述花型顯示，關鍵是移位寄存器的功能控制端S0、S1和左移SL、右移SR的信號電平如何組織。</p><p>　　2.2.3 清零電路</p><p>　　清零電路如圖1.5所示。清零電路的功能如下：</p

17、><p>　　a)系統(tǒng)總清零，用啟動開關S控制。</p><p>　　b)花型3每5拍清零一次，。</p><p>　　c)三種花型運行一遍即第64拍總清零一次，可用對周期為64拍的CP6微分得到的負脈沖實現(xiàn)。</p><p>　　圖5 清零控制電路</p><p>　　3.設計報告要求（設計報告格式見附錄1）</

18、p><p>　　3.1 目的與要求：根據(jù)任務書進行填寫。</p><p>　　3.2 正 文：簡單敘述設計過程（包括原理、方案）；畫出完整的電路原理圖，并簡</p><p><b>　　述各部分的功能。</b></p><p>　　3.3 總結(jié)與結(jié)論：寫出設計和調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及解決方法；簡述心得體會。<

19、/p><p><b>　　4.實驗設計過程</b></p><p>　　4.1 明確設計要求。設彩燈控制器輸出為1時可以點亮彩燈，為0時不能點亮，根據(jù)原題要求列出彩燈一次總循環(huán)的狀態(tài)列表?？紤]到74X194能左移、右移、清零或并行置數(shù)，可滿足題目的要求，兩片74X194共有8個輸出信號，分別控制8路彩燈。由于一次花型循環(huán)實為63拍，再加一拍清零共64拍，此外，設計還要求

20、慢節(jié)拍和快節(jié)拍各循環(huán)一次，所以總共需要128拍。對彩燈的控制信號來說，需要的狀態(tài)數(shù)實為64個。當一次循環(huán)完成后，需要一個信號改變所選的時鐘的頻率。</p><p>　　4.2 由以上的分析，可將電路分為三部分：</p><p><b>　　圖6.設計電路分塊</b></p><p>　　4.3 下面分別設計這三部分電路：</p>

21、<p>　　4.3.1節(jié)拍產(chǎn)生電路：這部分電路其實要完成兩個功能。一是64個狀態(tài)的產(chǎn)生，二是時鐘頻率的選擇。方案:七位二進制計數(shù)器+二選一數(shù)據(jù)選擇器。128節(jié)拍產(chǎn)生及快慢分頻控制器的設計：一個時鐘信號產(chǎn)生電路，其框圖如圖10-23所示，能通過由Q6（第七位二進制數(shù)）、D觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的二選一數(shù)據(jù)選擇器選擇輸出某頻率的時鐘信號或它的二分頻信號，并將信號傳遞給拍產(chǎn)生器和移位寄存器，以此來實現(xiàn)彩燈快、慢共128節(jié)拍的控制。Q

22、5Q4Q3Q2Q1Q0從000000—111111循環(huán)變化，產(chǎn)生64個不同的狀態(tài)，Q6用于選擇時鐘的頻率。即64拍之后，時鐘的頻率改變。電路圖如下：</p><p><b>　　圖7.節(jié)拍產(chǎn)生電路</b></p><p>　　圖.8節(jié)拍電路頻率的校驗</p><p>　　由上圖檢驗電路顯示，當時100hz的振蕩器工作時，第一片D觸發(fā)器的高電平周

23、期是10ms，結(jié)果正確。</p><p>　　圖.9節(jié)拍電路頻率的校驗</p><p>　　由上圖檢驗電路顯示，當時1000hz的振蕩器工作時，第一片D觸發(fā)器的高電平周期是1ms，結(jié)果正確。</p><p>　　圖.10節(jié)拍電路頻率的校驗</p><p>　　由上圖檢驗電路顯示，當時1000hz的振蕩器工作時，第六片D觸發(fā)器的高電平周期是32

24、ms，結(jié)果正確。</p><p>　　圖.11節(jié)拍電路頻率的校驗</p><p>　　由上圖檢驗電路顯示，當時100hz的振蕩器工作時，第六片D觸發(fā)器的高電平周期是320ms，結(jié)果正確。</p><p>　　4.3.2 控制信號產(chǎn)生電路。用產(chǎn)生的狀態(tài)經(jīng)過一定的邏輯運算后控制74X194的S0、S1、SR、SL即可得到所需要的花型。</p><p&

25、gt;　　要想設計控制電路，不得不看我們所需要的花型結(jié)果。</p><p>　　題目中要求采用移位寄存器按照一定的節(jié)拍，一定的規(guī)律改變彩燈的輸入電平值，來控制彩燈的亮與滅，使其顯示不同的花型，首先對彩燈的狀態(tài)進行約定，Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7來表示彩燈的狀態(tài)，其中“1”表示相應的彩燈發(fā)光，“0”表示相應的彩燈熄滅，根據(jù)上面的設計要求列出彩燈狀態(tài)一次循環(huán)的真值表如下：</p>&

26、lt;p>　　表4 彩燈一次循環(huán)的狀態(tài)真值表</p><p>　　上表中用帶雙箭頭的直線將每種花型下的8個彩燈的狀態(tài)分成兩組，每組包含4個彩燈。由于每個移位寄存器只能存儲4個狀態(tài)，所以從上表中可以明顯看出本設計題目只需要兩個移位寄存器，即可滿足題目的要求。</p><p>　　表5.74LS194的功能表</p><p>　　要實現(xiàn)上述花型顯示，關鍵是移位寄存

27、器的功能控制端S0、S1和左移SL、右移SR的信號電平如何組織。</p><p>　　通過上面有關控制器部分的論述，將7位二進制數(shù)的輸出變量Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6作為組合邏輯電路的輸入，而寄存器的S0、S1、SL、SR、Choose作為組合邏輯電路的輸出，這樣就實現(xiàn)了控制器對移位寄存器的控制。表4為控制器的慢節(jié)拍或快節(jié)拍的64個狀態(tài)與74LS194的控制信號的對應關系：</p>&

28、lt;p>　　表6 控制器的狀態(tài)與74LS194芯片的控制信號對應關系</p><p>　　對于6變量的卡諾圖，每個變量的化簡的圖都較復雜，現(xiàn)以S0(2)為例畫卡諾圖進行化簡，其他各變量的表達式求法類似，這里不再一一畫出。</p><p><b>　　表7.卡諾圖化簡</b></p><p>　　由上面的卡諾圖可得+</p>

29、<p>　　同理可以得到其他控制變量的表達式如下：</p><p><b>　　= +</b></p><p><b>　　+</b></p><p>　　根據(jù)上面的各量的表達式畫出組合邏輯電路圖，再將時鐘信號和7位二進制計數(shù)器電路加入，即完成整個彩燈控制電路的設計，最后在計算機上調(diào)試。</p>

30、<p>　　圖12.控制電路用邏輯門來實現(xiàn)4.3.3 花型產(chǎn)生電路：用兩片74X194的八路輸出分別控制八個彩燈即可。電路圖如下</p><p>　　圖13.花型產(chǎn)生電路</p><p>　　4.3.4將上述三個部分結(jié)合起來，即可得到完整的電路圖：</p><p><b>　　圖14.完整電路</b></p><p

31、>　　三、課程設計（綜合實驗）總結(jié)或結(jié)論</p><p>　　本次試驗讓我對數(shù)電知識有了更進一步的認識,讓我知道如何在實際生活中運用學過的知識。其實，在剛開始我并不像選擇此題，我覺得很難。但是隊友的一句話讓我打起了精神，他說可以將學會的彩燈控制技術用于表白。這句話對我最大的觸動就是，出于學習技術而不是挑剔難度去選擇試題對我們學習知識更有幫助。本次綜合實驗所做的題目為移位寄存器型彩燈控制器，其綜合考察了組合邏

32、輯電路和時序邏輯電路的設計，同時將觸發(fā)器、計數(shù)器、移位寄存器和數(shù)據(jù)選擇器等數(shù)字電子集成的電路結(jié)合起來，具有一定的綜合性。通過本次試驗讓我了解了數(shù)字系統(tǒng)的設計步驟和方法，對一些特定的功能模塊也有了更深的的理解.</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　《數(shù)字電子技術基礎》</p><p><b>　　附錄一：

33、</b></p><p>　　一、課程設計(綜合實驗)的目的與要求</p><p>　　正文為宋體，五號字 行間距為21 </p><p>　　------------</p><p>　　------------</p><p>　　二、設計（實驗）正文</p><p>　　正

34、文為宋體，五號字 行間距為21 </p><p>　　------------</p><p>　　------------</p><p>　　三、課程設計（綜合實驗）總結(jié)或結(jié)論</p><p>　　正文為宋體，五號字 行間距為21 </p><p>　　------------</p><