太原理工大學(xué)數(shù)電課程設(shè)計(jì)四路彩燈顯示電路

本科課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)名稱：四路彩燈顯示系統(tǒng)四路彩燈顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的熟悉常用中規(guī)模計(jì)數(shù)器的邏輯功能。掌握移位寄存器的工作原理，掌握計(jì)數(shù)、譯碼電路的工作原理及應(yīng)用。通過實(shí)際電路方案的分析比較，設(shè)計(jì)計(jì)算，元件選取，安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)，初步掌握簡單實(shí)用電路的分析方法和工程設(shè)計(jì)方法。學(xué)會撰寫課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。二、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)四路彩燈控制器,設(shè)計(jì)要求如下：接通電源后，彩燈可以自動(dòng)按預(yù)先設(shè)置的程序循環(huán)閃爍。設(shè)置的彩燈花型由三個(gè)節(jié)拍組成：第一節(jié)拍：四路彩燈從左向右逐次漸亮，燈亮?xí)r間1s，共用4s；第二節(jié)拍：四路彩燈從右向左逐次漸滅，也需4s；第三節(jié)拍：四路彩燈同時(shí)亮0.5s,然后同時(shí)變暗,進(jìn)行4次,所需時(shí)間也為4s。（3）三個(gè)節(jié)拍完成一個(gè)循環(huán)，一共需要12s。一次循環(huán)之后重復(fù)進(jìn)行閃爍。三、元件、儀器選擇元件型號個(gè)數(shù)74LS194174LS161174LS20174LS00174LS322導(dǎo)線若干實(shí)驗(yàn)箱1四、設(shè)計(jì)過程（1）設(shè)計(jì)思路四路彩燈既有四路輸出，設(shè)依次為、、、，若“1”表示燈亮，“0”表示燈滅，由課題要求可知四路彩燈顯示系統(tǒng)要求如下表1所示的輸出顯示。由表1可知，需要一個(gè)分頻器起節(jié)拍產(chǎn)生和控制作用，每4s一個(gè)節(jié)拍，3個(gè)節(jié)拍共12s后反復(fù)循環(huán)。一個(gè)節(jié)拍結(jié)束后應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)信號到節(jié)拍程序執(zhí)行器，完成彩燈漸亮、漸滅、同時(shí)亮、同時(shí)滅等功能。說明輸出所用時(shí)間開機(jī)初態(tài)0000第一節(jié)拍逐次漸亮10001100111011111s1s1s1s第二節(jié)拍逆序漸滅11101100100000001s1s1s1s第三節(jié)拍同時(shí)亮0.5s，然后同時(shí)滅0.5s，進(jìn)行四次111100001111000011110000111100000.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s表1：四路彩燈輸出顯示分頻及節(jié)拍控制可以用一個(gè)模12計(jì)數(shù)器來完成；彩燈漸亮、漸滅可以用器件的左移、右移功能來實(shí)現(xiàn)，因此可選用移位寄存器74194來完成。同時(shí)亮0.5s、同時(shí)滅0.5s可考慮把1Hz的秒脈沖信號直接加到輸出顯示端來完成。綜上所述，要完成四路彩燈顯示功能需要有分頻器、節(jié)拍控制器、節(jié)拍程序執(zhí)行器及脈沖源等電路。記第一，二，三節(jié)拍分別為有效時(shí)間應(yīng)為4秒，結(jié)束馬上開始，后馬上開始，如此循環(huán)不斷。為此可考慮采用移位寄存器構(gòu)成的移位型控制器。由于有三個(gè)狀態(tài)，因此需要用三個(gè)觸發(fā)器對現(xiàn)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行記憶，為使各狀態(tài)的有效時(shí)間間隔為4秒，則驅(qū)動(dòng)該移位控制器動(dòng)作時(shí)鐘周期應(yīng)為4秒。應(yīng)在開機(jī)瞬間，使移位型控制器的狀態(tài)被確定下來，即節(jié)拍應(yīng)為100，可控制輸入信號使觸發(fā)器置位、復(fù)位來實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)功能要求器件具有右移功能，為實(shí)現(xiàn)功能要求器件有左移功能；而且左、右移輸入可為“0”也可為“1”；為實(shí)現(xiàn)功能，要求器件同時(shí)具有并行置數(shù)功能。因此可選用一種具有左移、右移和并行置數(shù)功能的通用移位寄存器74LS194。74LS194具有并行輸入端A、B、C、D，并行輸出端、、、，右移輸入端SR，左移輸入端SL和模式控制輸入端，以及一個(gè)無條件直接清除端CLR。模式控制輸入，有00、01、10、11四種組合方式，分別表示雙向移位寄存器所具有的四種功能，即禁止、右移、左移和并行置數(shù)。為了使當(dāng)=100時(shí)，=01（右移），=010時(shí)，=10（左移），當(dāng)=001時(shí)=11（并行置數(shù)）。74LS194的輸出端初態(tài)均為零，在開機(jī)瞬間，使移位控制端的狀態(tài)被確定下來，即=100時(shí)，=01右移串行數(shù)據(jù)輸入端SR經(jīng)脈沖信號經(jīng)四分頻電路和通過兩或門組成的節(jié)拍電路，使四路彩燈從右到左依次亮共4秒，當(dāng)=010=10左移串行數(shù)據(jù)輸入端SL經(jīng)脈沖信號經(jīng)四分頻電路和通過兩或門組成的節(jié)拍電路，使四路彩燈從左到右依次滅共4秒，=001=11并行數(shù)據(jù)輸入端A、B、C、D經(jīng)脈沖信號經(jīng)四分頻電路和通過兩或門組成的節(jié)拍電路，使四路彩燈同時(shí)為“1”0.5秒、同時(shí)為“0”0.5秒，重復(fù)4遍共4秒，完成一個(gè)循環(huán)共需12秒，12個(gè)CP脈沖。分析以上設(shè)計(jì)任務(wù)，該控制系統(tǒng)完成如圖1所示的控制流程，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-5所示。其中脈沖源采用秒脈沖發(fā)生器，用以提供頻率為1Hz的時(shí)鐘信號；分頻器將1Hz的時(shí)鐘信號四分頻，用以產(chǎn)生0.25Hz（即4S）的時(shí)鐘信號；節(jié)拍控制器產(chǎn)生三個(gè)節(jié)拍循環(huán)的控制信號；節(jié)拍程序執(zhí)行器完成在每個(gè)節(jié)拍下的系統(tǒng)動(dòng)作，即數(shù)據(jù)的左移、右移和送數(shù)功能，可以使用雙向通用移位寄存器74LS194完成；顯示電路完成系統(tǒng)循環(huán)演示的指示，可以用發(fā)光二極管模擬。系統(tǒng)控制流程圖及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：圖1：四路彩燈控制流程圖圖2：四路彩燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（2）電路實(shí)現(xiàn)下圖電路選用同步十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器74161實(shí)現(xiàn)模12分頻及節(jié)拍控制，用4位雙向移位寄存器74191實(shí)現(xiàn)彩燈的漸亮、漸滅功能。

圖3：四路彩燈顯示系統(tǒng)的電路實(shí)現(xiàn)（3）功能分析四路彩燈顯示系統(tǒng)的工作過程如表2所示。74161的輸出為；74194的輸出為；四路彩燈的輸出為。74194的工作方式控制端，。在第一節(jié)拍中，，74194實(shí)現(xiàn)右移功能，即在時(shí)鐘脈沖作用下，把逐次移進(jìn)；在第二節(jié)拍中，，74194實(shí)現(xiàn)左移功能，即在時(shí)鐘脈沖作用下，把逐次反方向移進(jìn)。由于前兩個(gè)節(jié)拍中，門G關(guān)閉，輸出為0，因此四路彩燈的輸出。在第三節(jié)拍中，，74194仍然左移，一直保持為0000。此時(shí)，門G打開，時(shí)鐘脈沖CP同時(shí)加到四個(gè)輸出端，由于CP是1Hz秒脈沖，在1s時(shí)間內(nèi)高電平和低電平持續(xù)時(shí)間均為0.5s，因此實(shí)現(xiàn)同時(shí)亮0.5s、同時(shí)滅0.5s，在4s內(nèi)共進(jìn)行4次。第三節(jié)拍結(jié)束后返回第一節(jié)拍，如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)四路彩燈循環(huán)顯示。說明秒脈沖7416174194彩燈輸出第一節(jié)拍00000101000110101010110001100111011111000110011101111第二節(jié)拍10010111001111010101011101100100000001110110010000000第三節(jié)拍0001001101010111010101000000000000000001Hz時(shí)鐘CP表2：四路彩燈工作過程按照設(shè)計(jì)好的電路圖和芯片的引腳圖在實(shí)驗(yàn)箱上連好線路，經(jīng)檢查無誤后，接通電源后，可觀察到四個(gè)發(fā)光二極管按照從左向右逐次漸亮，從右向左逐次漸滅，時(shí)亮,然后同時(shí)變暗完成3個(gè)節(jié)拍的循環(huán)。與理論分析一致。附：引腳圖及部分芯片功能表圖4：74LS194芯片引腳圖輸入輸出0XXXXXXXXX1XX0XXXXXX111XX101X1XXXX1O1X0XXXX1101XXXXX1100XXXXX100XXXXXXX00001011表3：74LS194芯片功能表圖5：74LS161引腳圖輸入輸出0XXXXXXXX10XX1111XXXX1