8路移存型彩灯控制器数字逻辑课程设计报告.docx
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8路移存型彩灯控制器数字逻辑课程设计报告
目录
摘要2
1绪论3
2总体方案设计4
3单元模块设计5
3.1脉冲信号产生模块5
3.2计数电路模块7
3.3花型控制电路模块8
4系统综述,总体电路图10
5分析总结，体会12
参考文献………………………………………………………………………………14
鸣谢……………………………………………………………………………………14
附录:
元器件及工具清单的引脚图和功能表………………………………………15
摘要
通过设计多路彩灯系统来加深对主要器件的理解与应用。
本实验主要由振荡电路产生秒脉冲信号，经分频电路、计数电路、花型控制和显示电路后，由发光二极管模拟输出。
通过系统的设计、元件的选取、参数的选取等，来加深对各主要器件引脚分布、功能等的理解，从而提高电子设计能力的整体水平。
进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。
熟悉几种常用集成数字芯片，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计，了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。
培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
作为课程实验与毕业设计的过度，课程设计为两者提供了一个桥梁。
关键词：
脉冲信号；分频电路；计数电路；花环电路；彩灯；
技术摘要：
1：
8路移存型彩灯控制器
2：
要求彩灯组成两种以上的花型。
3：
每种花型连续循环两次，各种花型轮流交替
、
第一章绪论
随着科学的发展，人们生活水平的提高，人们不满足于吃饱穿暖，而要有更高的精神享受。
不论是思想还是视觉，人们都在追求更高的美。
特别是在视觉方面，人们已经不满足于一种光，彩灯的诞生让人们的视觉对美有了更深的认识。
LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑已经成为一种时尚，我们的城市也因为这些彩灯倍显靓丽与青春，人们也倍感生活的快节奏，繁华的生活也在鞭策着人们向前努力奋进、创造更多的财富。
因为彩灯体积小，外观精致，非常适合于节日、婚庆背景布置、歌厅、音乐会、舞台、舞厅宾馆、酒楼、商厦、橱窗、店铺、家具等各种场所，彩灯得到了广泛的应用。
现在市场上的彩灯五花八门，种类繁多，样式应有尽有，能够满足人们的各种需求，但是它们的原理和工作方式，却有着很大的相同点。
而本次实验就是为了让我们能充分、实际、深刻的了解彩灯的工作原理，学会连接简单的彩灯电路。
对彩灯工作所需的几种必备器件，其工作原理、布局、引言、外观美化等等，都做到了解、熟悉、掌握到应用。
希望能够通过本次实验，做到理论与实际相结合，活学活用，学以致用。
由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。
在设计中更多的使用中，规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简捷，而且能提高电路的可靠性，降低成本。
因此用集成电路来实现更多更复杂的器件功能则成为必然。
随着社会市场经济的不断繁荣和发展，各种装饰彩灯、广告彩灯越来越多地出现在城市中。
在大型晚会的现场，彩灯更是成为不可缺少的一道景观。
小型的彩灯多为采用霓虹灯电路则不能胜任。
在彩灯的应用中，装饰灯、广告灯、布景灯的变化多种多样，但就其工作模式，可分为三种主要类型：
管做成各种各样和多种色彩的灯管，或是以日光灯、白炽灯作为光源，另配大型广告语、宣传画来达到效果。
这些灯的控制设备多为数字电路。
而在现代生活中，大型楼宇的轮廓装饰或大型晚会的灯光布景，由于其变化多、功率大，数字长明灯、流水灯及变幻灯。
长明灯的特点是只要灯投入工作，负载即长期接通，一般在彩灯中用以照明或衬托底色，没有频繁的动态切换过程，因此可用开关直接控制，不需经过复杂的编程。
流水灯则包括字形变化、色彩变化、位置变化等，其主要特点是在整个工作过程中周期性地花样变化。
本文所要设计的彩灯是用八个发光二极管代替的，能通过外部开关的操作，来实现彩灯亮点的左移、右移、全亮、全灭的效果。
因此其会在越来越多的场合中使用，这使本设计具有很大的借鉴意义。
这种控制电路可靠性，灵活性高，使用范围广，特别适合中小城市的交通灯、霓虹灯等的应用。
而且，它对其他类似系统的开发具有一定的借鉴意义。
目前彩灯的应用情况LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。
彩灯广泛应用于流水灯、跑马灯、鸳鸯戏水灯、流水灯、控制功能，并给出了具体的硬件电路和相应的程序。
此课题设计具有很大现实意义，LED彩灯广泛应用于商业街广告灯，也可作为歌厅、酒吧照明。
第二章总体方案的设计
总体电路共分三大块。
第一块时钟信号的产生；第二块实现花型的控制及节拍控制；第三块实现实现花型的演示。
主体框图如下：
针对题目设计要求，经过分析与思考，拟定以下两种总体方案：
方案一：
由555定时器组成的时钟脉冲发生器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号，计数器（74ls161N）用来累计和寄存输入脉冲个数的时序逻辑部件。
用集成移位寄存器（74ls194）接成环形结构，由于该电路置初态后，在移位脉冲作用下，输出端接花型灯，显示相应的信号。
通过互补信号，直接控制移位寄存器的s0，s1端，达到不同花型的输出。
方案二：
秒信号发生器常用石英晶体振荡器和CMOS反相器实现，选用振荡频率为32768HZ的石英晶体。
因为32768＝215，只要经过215分频就可以得到稳定度很高的秒信号。
分频器可选用14位二进制串行计数器CC4060，再加一级触发器二分频，就能够对石英晶体振荡器输出的32768HZ信号进行215分频。
用集成移位寄存器（74ls194）接成环形结构，由于该电路置初态后，在移位脉冲作用下，输出端接花型灯，显示相应的信号。
通过互补信号，直接控制移位寄存器的s0，s1端，达到不同花型的输出。
总体方案的选择
方案一与方案二最大的不同就在，前者脉冲信号产生器只有555定时器产生，元件种类使用少，且都较熟悉易于组装电路，电路设计模块化，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试带来方便。
后者脉冲信号产生器虽然稳定，缺点则是原理相对复杂，不易理解。
基于以上原因，加上为了确保短时间内完成课程设计，我选择了连线少，易于组装和调试的方案二。
第三章单元模块设计
设计所使用的元件及工具：
74LS161（四位二进制同步计数器）----------------------2个；
74LS194（移位寄存器）------------------------------2个；
发光二极管---------------------------------------------8个；
555定时器-----------------------------------------------1个；
电容：
1μf----------------------------------------------1个；
0．01μf---------------------------------------------1个；
电阻：
604Ω------------------------------------------------------------1个；
1.25kΩ----------------------------------------------1个；
3.1脉冲信号产生模块
由一片555加上适当电容及电阻实现。
电容取：
1μf0.01μf
电阻取：
603Ω1.25kΩ
电路图如下：
波形产生电路由555定时器构成。
555定时器时钟的2，6脚相连并通过电容C3接地，并同时通过R2接到7脚，7脚通过R1接电源VCC，构成多谐振荡器。
同时产生方波时钟信号由3脚输出。
555构成的多谐振荡器电路工作原理如下：
（a） 首次充电过程
刚接通电源时，设Vc=0，则Vc1=1，Vc2=0，SR锁存器被置1，即Q=1，故V0跳变为高电平。
同时T截止，Vcc经R1和R2向C充电。
（b） 放电过程
Vc由0开始充电，当充到Vc=2/3Vcc时，Vc1=0，Vc2=1，SR锁存器被置0，即Q=0，故V0跳变为低电平。
同时T导通，电容C经R2，通过T迅速放电，Vc开始下降。
（c） 再次充电过程
Vc由Vc=2/3Vcc开始放电，当放大Vc=1/3Vcc时，Vc1=1，Vc2=0，SR锁存器被置1，即Q=1，故V0跳变为高电平。
同时T截止，Vcc经R1和R2向C再次进行充电。
因此，电路在Vc=1/3Vc和Vc=2/3Vcc之间不停地进行充电和放电，在输出端产生周期的矩形波。
其波形图如下：
参数计算：
充电时间T1=（R1+R2）Cln2 =0.353s
放电时间T2=R2*Cln2 =0.352s
振荡周期：
T=T1+T2=0.705s
振荡频率：
f=1.419Hz
3.2计数电路模块
74ls161是4位二进制同步计数器（异步清零，）161为可预置的四位二进制同步计数器，161的清除端是异步的。
当清零端CLEAR为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。
161的预置是同步的。
当置入控制器LOAD为低电平时，在CLOCK上升沿作用下，输入端QA-QD与数据输入端A-D相一致。
对于74161，当CLOCK由低至高跳变或跳变前，如果控制端ENP、ENT为高电平，则LOAD应避免由低至高电平的跳变，而74LS161无此种限制。
74ls161的计数是同步的，靠CLOCK同时加在四个触发器上实现的。
当ENP、ENT均为高平时，在CLOCK上升沿作用下QA-QD同时变化，从而消除了异步计数器的计数尖峰。
对于54/74161，只有当CLOCK为高电平时，ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变，而54/74LS161的ENP、ENT跳变与CLOCK无关。
由二片161级联的模64（三种花型节拍每种显示两遍，再总体重复一遍的总节拍数）计数器。
161的级联用的是异步，并用同步置0。
当三种花型全新显示一遍后（总共64拍）161的输出变为01000100将置数0000000。
74ls161的CP脉冲来自脉冲生成电路的输出端。
电路图如下：
3.3花型控制电路模块
三种花型变换样式
花型1：
8路灯分两半。
从左至右渐亮，全亮后，再分两半从左至右渐灭。
循环两次；
花型2：
从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后仍由中间到两边逐次渐灭。
循环两次；
花型3：
从左至右顺次渐亮。
全亮后逆序渐灭。
循环两次。
移存器输出状态编码表
节拍序号
花型1
花型2
花型3
1
00000000
00000000
00000000
2
10001000
00011000
10000000
3
11001100
00111100
11000000
4
11101110
01111110
11100000
5
11111111
11111111
11110000
6
01110111
11100111
11111000
7
00110011
11000011
11111100
8
00010001
10000001
11111110
9
11111111
10
11111110
11
11111100
12
11111000
13
11110000
14
11100000
15
11000000
16
10000000
我的设计是每种花型完整显示两遍，所以三种花型完全显示一遍需要的总结拍数为64，即1~16显示第一个花型，17~32显示第二个花型，33~64显示第三个花型。
用两个74LS194接成多位双向移位寄存器，移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中.所存的代码能够在移位脉冲的作用下一次左移或右移，把既能左移又能右移的称为双向移位寄存器，只需要改变左右控制信号便可以实现双向移位要求。
根据移位寄存器存取信息大方式不同分为：
串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。
要用194实现三个花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR一句节拍的变化进行相应的改变。
现将两片194分为低位片1和高位片2，再将其输出端从低位到高位记为L1~L8。
列出各花型和其对应的194的S1、S0、SL、SR的输入信号及节拍控制信号列表如下：
（用~Li表示Li的取非）
低位片
高位片
节拍控制信号
花型
SL
SR
S1
S0
SL
SR
S1
S0
QA～QH
1
X
~L4
0
1
X
~L8
0
1
00000000
2
~L1
X
1
0
X
^L8
0
1
00001000
3
X
~L8
0
1
X
L4
0
1
00000100
L5
X
1
0
~L1
X
1
0
00010100
经过分析可以得到控制194高低位片的左移右移变化的控制量。
用QA~QH表示161从低位到高位的个输出端。
控制结果表达式如下：
194低位片
194高位片
SL=~L1·~QF+L5·QF
SL=L1
SR=~L4·QF+~L8·QF
SR=~L8·~QF+L4·QF
S1=QE·~QF+QD·QF
S1=QD·QF
S0=~S1
S0=~S1
电路图如下：
第四章电路波形综述,总体电路图
各个单元电路的输入、输出信号波形
（1）．基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图
（2）.测试波形:
（列依次为CP脉冲,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D）
花型一：
花型二：
花型三：
总体电路图
第五章分析总结，体会
本次课程设计我只用了一个星期的时间就全部做完，效率很高，因为在设计之前根据设计的要求，每个模块都仔细的设计分析了，正是整个过程我都认真的态度和方案选择合适，才有这么高的效率。
而且从本次课程设计中收获很多。
可以总结为以下的几点
1，对数字电路知识的巩固与提高
这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识，在整个实习过程中，都离不开对数字电路课程知识的再学习。
我在最开始，就先将实习用到的知识通过翻阅数电书回顾了一遍（这也是对这门课的复习，给以后的复习备考减少了很多负担），这样的回顾让我对知识的理解更加透彻，对后来的快速设计起了很好的铺垫作用。
2，学会了理论联系实际
课程设计，通过选择的题目，根据要求，运用所学知识将其付诸实践来完成。
这并不是在课堂上的单纯听懂，或者课后看书过程中的深入理解，这需要的是一种理论联系实践的能力。
理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论，而实际的动手操作则完全不同，需要考虑实际中的很多问题。
有些知识在理论上可能完全没错但到了实际中则不然。
比如在动笔做题时我们是不用考虑导线的电阻的，但在实际中，导线电阻有时是会带来时延造成花型变化的错乱，所以我们应尽量在连接电路时选择最短路径。
3，学会了如何运用multisim、芯片、导线等组装各种功能的电路；
虽然这不是第一次用multisim，因为之前的课内实验也用过，但当时的运用也只是插些导线和电阻电容之类的，实习后对各个元件的组成完全了解了，并能熟练运用。
课设中通过对电路的连接也懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的放置芯片在最合适的位置。
在导线的连接上，如何选择导线走向是关键，我们应该尽量保证所连电路的简捷，宁短勿长，合理布线。
一个完美的作品不仅要能很好的完成要求实现功能，还要在感官上给人美的享受。
所以站在美的角度对自己的电路进行改良是很必要的。
4，和同学的互相协作共同进步
在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题，请教同学或老师是很好的做法，节省时间也会从别人上上学到更多。
在设计时和同学相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的想法，其他人的设计一定有比你出色的地方，很好的借鉴，并在大家的商讨中选择最优方案最终一定会得到最好的设计方法。
5，其他
课程实习设计是开端，连接是关键，测试是必须。
所以实现过程中不仅要求对知识的掌握要足够准确与精通，更要有绝对的耐心与细心。
连接电路时一定按照自己的设计图仔细连接这会对后面的测试起到很好的铺垫作用。
在后面查错时就不用花费精力在查线上，可以给减少很多后续工作。
我在这次的实习中其实也有连错线的时候，但我很快检查出来调整了那根线的连接，结果测试电路后花型显示完全正确。
没有费太多的功夫在检查电路上。
体会：
从电路图的设计、实现、仿真、实验报告，都是自己思考和动手。
在这短短的4天电子课程设计中，不仅仅让我们动了手动了脑，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，凭空的理论是站不住脚跟的，需要时间来验证。
但我们又不得不承认理论的重要性，理论是前提，我们必须打好基础。
在实验设计的过程中，让我们体会到以前从来没有过的动手能力，以及新颖的思维方式，让我从中获益非浅。
实验过程中，有好几个环节都让我想不通，本来认为很简单的，却有不是那么简单，但最后经过我和搭档一起努力，并在老师的指导下，终于完成了实验设计，虽然道路艰难，但我们却也乐在其中，既锻炼了动手能力，有培养了动脑能力，更加利于我们在社会上工作。
虽说设计实验经历的时间并不是很长，但感觉每一天都十分的充实，我有的时候，老犯迷糊，总用脑子空想，到最后把思路往电脑上一实践，发现行不通，这些也给我了启发，光凭空想是不能够解决任何问题的，从这次电子课程设计中，让我深深的体会到这一点，与此同时，我也体会到了理论与实践的差异性很大。
空想的理论没有实践的支持是站不住脚的。
实验设计中，每一步，甚至每一个细节都不是想象的那么简单，那么轻而易举，555定时器的运用就让我苦想了很久，从查书到问老师，再到图书馆查资料，课程设计总算完成了，其实就我自己对这门课的认识是：
态度决定一切，有一个决心就能做好事情。
总而言之，好好利用了学校给我们提供的此次实习的机会，设计期间，在胡老师的指导下，通过自身的不断努力，无论是思想上，学习上还是工作上，都取得了长足的发展和巨大的收获，现将工作总结如下：
思想上，学会了用科学的精神去解决问题。
很多事情看起来是很简单的问题，但实际做起来去会发现有许多奥妙！
这是因为其中蕴含着许多科学的问题。
运用科学的方法去解决问题，这是我这次设计给我带来的思想上的改变。
，努力按要求完成了任务，提高了自己的综合思考能力和动手实践能。
经过这段时间的实践是检验真理的唯一标准，当然也是检验学习成果的标准。
在经过一段时间的学习之后，我们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中，因为任何知识都源于实践，归于实践，所以要将所学的知识在实践中来检验。
鸣谢
这次设计我们最应该感谢的人就是我们的指导老师，是老师指出我们方案中的问题，改了我们非常有建设性的启示，使我们的设计得以顺利完成。
我还要感谢队友们，正是我们之间的很好的合作才使得我们成功解决设计中的问题。
最后我还要感谢所有给过我们帮助和支持的同学们，是他们在我有疑难和不解时给了我启示，从而让我完成这次课程设计。
参考文献
1.尹勇，李林玲，《Multisim电路仿真入门与进阶》，科学出版社，2005.02
2.蔡伟铮主编，《电子技术基础（数字部分）》，高等教育出版社，2005年
3.康华光主编，《电子技术基础（数字部分）》，高等教育出版社，2005年
4．林涛主编，《数字电子技术基础》，清华大学出版社，2006年6年
5．高书莉编，《数字系统设计——数字电路课程设计指南》，北京邮电学院出版社
附录：
元器件及工具清单的引脚图和功能表
74LS161：
<74LS161功能表>
从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
74LS194：
以下为74LS194的引脚图，其中
D0~D3：
并行输入端；
Q0~Q3：
并行输出端；
S0、S1：
操作模式控制端；
：
为直接无条件清零端；
SR：
右移串行输入端
SL：
左移串行输入端；
CP：
时钟脉冲输入端；
555定时器:
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo 2脚：
低触发端 6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
工具：
序号
功能
器件类型、型号及参数
1
脉冲信号产生部分
555定时器
2
电阻：
1μf0.01μf
电阻取：
603Ω1.25kΩ
3
电容：
1μf0.01μf
5
74HC74
6
计数电路
74HC161
7
显示电路
发光二极管
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