八路彩灯显示电路.docx
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八路彩灯显示电路
八路彩灯显示电路
摘要：
每逢过年过节都要在门口上搞些彩灯，以显示浓厚节日气氛。
那么在当代舞台上彩灯的闪烁更引人注目，使人们心情有一种特别快乐感。
彩灯装置多种多样，在这里我们设计这样一种彩灯——八路彩灯显示。
该设计是八路彩灯的设计，首先是对总体方案的选择与设计，根据课程设计课题要求，要实现本系统，需要设计时钟脉冲产生电路，循环控制电路和彩灯花样输出电路。
时钟脉冲产生电路由74LS161分频实现，循环控制电路由74LS161和7420实现，彩灯花样输出电路由74LS194和相关逻辑电路实现。
最后在Multisim中实现该电路图的功能。
仿真结果表明：
完全符合设计需要，实现了实验的要求。
关键词：
八路彩灯；电路设计；仿真
6参考文献15
1设计任务与要求
设计一个八路彩灯，而且每路都有八盏灯显示的控制装置。
其彩灯变化情况如下：
（1）八路彩灯的每路八盏灯同时依次亮，时间间隔1秒，然后同时依次灭，时间间隔1秒。
（2）八路彩灯同时整个亮，时间间隔0.5S，然后同时整个灭，时间间隔0.5S。
而这个过程要重复四遍。
2总体方案的设计
由设计任务与要求可知，本设计有三个阶段，第一阶段八路彩灯依次亮，第二阶段八路彩灯依次灭，第三阶段八路彩灯同时亮，同时灭。
前两阶段的时间间隔为1秒，第三阶段的时间间隔为0.5秒。
通过计算，循环一个周期需要20秒。
彩灯第一阶段和第二阶段的花色变化是以1秒为单位，需要设计时钟脉冲产生电路，以555定时器构成的多谐振荡器组成。
第三阶段的0.5秒间隔可以通过分频计数器实现。
完成一个周期需要20秒的时间，所以需要设计20进制循环控制电路和彩灯花样输出电路。
而彩灯花样输出电路由移位寄存器74LS194和相关逻辑电路实现。
原理框图如图2-1所示。
图2-1八路彩灯显示原理框图
本次设计实现分为三个部分，即多谐振荡器、移位计数器74LS194、彩灯显示输出。
经过分析，使用多谐振荡器完成计数脉冲的输出，得到一个周期性的矩形脉冲。
控制模16分频计数器来实现所需要脉冲的信号。
然后一路送到20进制循环控制电路，一路送到74LS194移位寄存器。
从而完成对八路彩灯电路的控制，最后使用彩灯显示输出来实现实验的设计要求。
设计的初稿借鉴了书和网上的东西。
虽然使用Multisim软件不是十分的熟练，但是还是在软件中找到了所需的芯片以及各元器件。
主要的参考元件：
555定时器、74LS163、74LS194、74LS09、74LS04、74LS32和与非门。
3单元电路的设计
3.1多谐振荡器
多谐振荡器是由555计时器构成，555计时器是一种集成电路芯片，常被用于定时器、脉冲发生器和振荡电路。
555可被作为电路中的延时器件、触发器或起振元件。
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
如下图3-1555计时器的电路原理图：
图3-1555计时器的电路原理图
555计时器由3个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。
虚线边沿标注的数字为管脚号。
其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V—3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V—18V围使用。
555定时器工作时过程分析如下：
5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：
UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。
当VI1>2/3VCC，VI2>1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。
当VI1<2/3VCC，VI2>1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。
当VI1>2/3VCC，VI2<1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。
当VI1<2/3VCC，VI2<1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。
555定时器真值表，如下表3-1所示：
表3-1555计时器的真值表
清零端
高触发端TH
低触发端TR
V0
放电管T（V）
功能
0
X
X
0
导通
清零
1
0
1
X
保持
保持
1
1
0
1
截止
置1
1
0
0
1
截止
置1
1
1
1
0
导通
清零
根据实验要求设计出周期为1s的多谐振荡器
如图3-2所示的多谐振荡器结构图：
图3-2多谐振荡器的结构图
用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为:
T=0.7（R1+2R2）C
此时电路中需要的物理量：
若选用四位二进制计数器，要达到设计要求，振荡周期T应为1秒。
公式：
T=0.7（R1+2R2）C
若取R1=R2=R,
则T≈2RC。
当取C=100μF时，R≈T/（2C）=0.5/C=5KΩ
一般电路中，取C1=0.01μF
分析：
555计时器是八路彩灯显示电路中十分重要的一环，它承担的是最基础的东西，通过设定电容和电阻把输出的脉冲信号设定为电路所需要的脉冲，从而让电路能够完成运转。
需要的脉冲为1秒，通过公式则可以得出所需要的电阻和电容。
进过验证，是符合电路需要的。
3.220循环计时器
因为完整的一个周期的时间大约是20秒，所以需要一个20循环计时器来实现这个功能。
74LS163芯片是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可以灵活的运用在各种数字电路。
一片74LS163可以实现16进制以下任意的计时器。
而一个74LS163无法实现20循环计时器的这个功能，根据实验要求所，以需要两个来实现这个功能。
如图3-374LS163的引脚图：
图3-374LS163芯片的引脚图
原理图所示的管脚注释如下：
P0P1P2P3：
四个数据输入端
CLK:
CP时钟端
CEP,CET:
使能端
Q0Q1Q2Q3：
四个数据输出端
RCO：
进位输出端
PE：
置数端
MR：
清零端
74LS163的逻辑功能表如下表3-2所示：
表3-274L3S163的逻辑功能表
从74LS163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，74LS163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CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS163还有一个进位输出端CO，其逻辑关系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74LS163可以组成16进制以下的任意进制分频器。
如果模N计数器的计数序列从最小0到最大数N-1，那么N是多余的，可用与非门检测N,当N出现时，与非门输出为低，用它控制清零端CLR’，将计数器清零。
此处工作状态从00000~10011，检测10100（异步清零）。
此时就能够实现20循环计时器的功能。
分析：
该实验全部完成需要20秒的时间，因此需要一个20循环计时器来实现这个功能，上述的电路图能够实现20的循环计数，然后置零，完美的符合我们所需要的功能。
因此达到了实验所需要的要求。
在此次实验中还需要74ls09,74ls10,74ls04,74ls32等基本门电路。
20循环计时器是用两个74LS163来实现的。
此时20循环计时器的电路结构图如下图3-4所示：
图3-420循环计时器的电路结构图
分析：
通过控制电路的输出，我们实现了脉冲信号的分频和计数，成功的把脉冲信号分频成为了我们所需要的脉冲信号。
进过多次验证，确实可以满足接下来的实验要求，符合实验的目的。
3.3彩灯花样输出电路
74LS194是4位双向移位寄存器，能够在移位脉冲的作用下左移和右移，既能左移又能右移的寄存器被称为双向移位寄存器，只需要改变左右移动的控制信号就能够改变移动的方向，根据移位寄存器存取信息方式的不同，可以把双向移位寄存器分为：
串入串出，串入并出，并入串出，并入并出，四种。
而74LS194符合实验要求，但是只能够实现4个灯的输出，所以需要两片74LS194来实现八个彩灯的输出。
彩灯输出电路运用了两片74LS194双向移位寄存器和八个发光二极管以实现实验目的。
发光二极管是常用元气原件，当二极管导通时，二极管发光，截止时，二极管不发光。
如图3-5为74ls194的引脚图。
图3-574ls194的引脚图
D0D1D2D3：
并行输入端
QOQ1Q2Q3：
并行输出端
S0S1：
操作模式控制端
CR非：
为直接无条件清零端
SR：
右移串行输入端
DS1:
左移串行输入端
74LSls194的真值表如下表3-3。
表3-374LS194真值表
输入
输出
功能说明
CLR
CLK
S1S0
SLSR
QAN+1
QBN+1
Q+1
QDN+1
0
X
XX
XX
0
QAN
QBN
Q
异步清零
1
01
X0
0
QAN
QBN
Q
右移
1
01
X1
1
QAN
QBN
Q
右移
1
10
0X
QBN
Q
QDN
0
左移
1
10
1X
QBN
Q
QDN
1
左移
1
11
XX
A
B
C
D
并行输入
1
00
XX
QAN
QBN
Q
QDN
保持
74ls194有5种工作模式，分别是右移，左移，异步清零，并行输入和保持功能。
即并行送数寄存，右移（方向由Q0-Q3），左移（方向由Q3–Q0），保持及清零。
S1,S2,和CR非端的控制作用如表3-3。
其中，D3、D2、D1、D0为并行输入端:
Q3、Q2、Q1、Q0。
为并行输出端;SR为右移串行输入端;SL为左移申行输入端;S1,S0为操作模式控制端;CR非为直接无条件清零端。
CP为时钟脉冲输入端。
因为74LS194是4位移位寄存器，无法实现实现要求的8个彩灯，所以采用两个74LS194相连。
两片74LS194相连的原理图如下图3-6所示。
图3-6两片74LS194相连原理图
分析：
通过其他电路来为74LS194提供脉冲信号，从74LS194的真值表中选择控制输出脉冲来彩灯的花色变化，进过调试最终实现了实验所需要的几种花色的变化，符合实验的目的，达到了所需要的要求。
4总电路的设计与仿真
根据设计任务及要求可知，该八路彩灯显示电路由多谐振荡器，20循环计数器还有74LS194双向移位寄存器所组成，先通过多谐振荡器来实现脉冲信号的提供，然后再使用20循环计时器来计时，控制实验的整体时间。
最后使用两片双向移位寄存器74LS194来控制八个彩灯的移动方向。
在仿真软件Multisim中依次把多谐振荡器，20循环计数器还有74LS194双向移位寄存器实现。
最后连接实现最终的八路彩灯循环显示电路仿真结构图。
下图4-1为总电路结构图
图4-1总电路结构图
仿真结果如下：
图4-2第一秒仿真结果图
图4-3第五秒仿真结果图
分析：
第一阶段八路彩灯的每路八盏灯依次亮，图4-2和图4-3是从左到右依次亮的时间间隔为一秒的第一秒和第五秒，符合一秒亮一盏灯的设计。
证明了电路的设计成功。
图4-4第九秒仿真结果图
图4-5第十三秒仿真结果图
分析：
这是实验的第二阶段，此阶段是从右往左依次灭的，时间间隔为一秒，图4-4和4-5是第二阶段的第九秒和第十三秒，符合一秒灭一盏灯的实验目的，因此符合实验要求正确。
图4-6第三阶段整体亮图
图4-7第三阶段整体灭图
分析：
这是实验的第三阶段，同时亮和同时灭时间间隔为0.5秒，整体时间持续4秒。
图4-6和图4-7是第三阶段的同时亮和灭的图，符合0.5秒的间隔和整体时间持续4秒的要求，在重复上述过程四次，因此契合实验的要求。
5结论与心得
通过整个电路设计与制作的整个过程，加强了我们动手、思考和解决问题的能力，熟悉了中小规模集成电路的使用。
通过理论与实践的结合，进一步深入的体会到一种学习的方法，特别是对与电子设计方面。
首先要明确总体的设计方案与方法，其次是对各个部分进行设计与改进，最后将各个部分整合在一起进行比较，观察。
在八路彩灯实验设计当中遇到的首要问题有三个：
一是电路的总体设计问题；二是电路的连接问题；三是电路的调试仿真问题。
基于所学数字电路知识的局限性，在选择元器件方面有所困难，开始无从下手应该确定使用何种元件。
通过查找资料等过程首先确定了元件，从而确定了总电路图。
总的来说，八路彩灯的课程设计有利于培养我们对电子设计的兴趣，是一次很好的理论与实际的结合，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
6参考文献
[1]焱.数字电子技术基础[M].电子工业（第4版）.2011
[2]王友仁,东新,睿.模拟数字电子技术基础[M].科学（第4版）.2011
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