数字逻辑课程设计报告 多路彩灯控制器.docx
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数字逻辑课程设计报告多路彩灯控制器
数字逻辑课程设计报告
——多路彩灯控制器
学院名称
：
通信与信息工程学院
学生姓名
：
专业名称
：
通信工程
班级
：
通工1102
实习时间
：
2013年6月17日——2013年6月28日
多路彩灯控制电路的设计
DesignofLightsControlCircuit
作者姓名：
李倩颖
作者单位：
西安邮电大学
摘要：
这次课程设计任务要求设计多路彩灯控制器。
我用NE555芯片多谐振荡产生1S的方波时钟信号，经过74LS74的一路D触发器，可分频至2S方波时钟信号。
利通74LS151数据选择器，实现定时选频。
利用以上时钟信号，驱动74LS161芯片计数，产生的状态决定74LS194的控制端输入，来实现既定的花型输出。
利用最后一个计数状态，实现反馈功能，控制变换频率。
本设计一共有4种花型变化，交替用两种时钟信号来实现。
关键词：
多路彩灯控制器、多花型、变频、数据选择器、计数器、双向移位寄存器
1.引言
彩灯控制器可以自动控制多路彩灯按不同的节拍循环显示各种灯光变换花型，彩灯控制器是以高低电平来控制彩灯的亮灭。
实现彩灯控制可以采用EPROM编程、RAM编程、可编程逻辑器件、单片机等实现。
在彩灯路数较少，花型变换比较简单时，也可以移位寄存器实现。
在实际应用场合彩灯可能是功率较大的发光器件，需要加以一定的驱动电路。
本课题用发光二极管LED模拟彩灯。
2.系统设计
2.1设计要求
（1）彩灯控制器设计要求
1、设计一个8路移存型彩灯控制器，彩灯用发光二极管LED模拟。
2、路彩灯能演示至少三种花型（花型自拟）；
3、选做：
实现快慢两种节拍的变换。
（2）课程设计的总体要求
1．设计电路实现题目要求；
2．电路在功能相当的情况下设计越简单越好；
3.注意布线，要直角连接，选最短路径，不要相互交叉；
4.注意用电安全，所加电压不能太高，以免烧坏芯片和面包板。
2.2数学建模
所实现的任务是设计一个彩灯控制器，要求实现三种或三种以上花型。
对工作时钟的要求是，能在两种时钟（1S和2S）下交替循环工作。
由此，将整个设计分为三个模块：
时钟产生模块、状态产生模块、彩灯控制模块。
这种方案将整个设计电路的功能模块化，设计思想比较简单。
元件种类使用少，且都较熟悉，易于组装电路。
这么设计的出发点是：
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都很方便，花型控制电路简单，花型也比较简单。
其中最核心的为状态产生模块。
这个模块负责产生3种不同的花型控制信号，传送给下一个单元来实现彩灯的控制。
另外，它还需要检测是否一个周期完成，把控制信息反馈给上个单元，来控制时钟的交替变换。
时钟产生模块用来产生CP时钟脉冲，包括1S和2S两种，交替切换，具体切换点由状态产生模块的反馈信息决定。
彩灯控制用来将数字信号转变为彩灯的亮灭花型。
设计变换的花型有4种分别为：
第一种
第二种
第三种
第四种
10001000
00011000
10000000
01111111
11001100
00111100
11000000
00111111
11101110
01111110
11100000
00011111
11111111
11111111
11110000
00001111
11101110
11100111
11111000
00000111
11001100
11000011
11111100
00000011
10001000
10000001
11111110
00000001
00000000
00000000
11111111
00000000
2.3系统框图
3．单元电路控制
在想好大体的模块功能后，就进入了具体的模块设计阶段。
我将每个模块称为一个功能单元，共分为三个单元：
彩灯控制信号产生电路单元、状态产生电路设计单元、彩灯显示控制单元。
每个单元单独设计，三个单元通过信号线、反馈线连接在一起，经过汇总，得到整体电路设计电路图。
有了电路图，我就可以在电脑上将设计好的电路仿真。
仿真成功后，再动手在面包板上，使用设计时所需的元件搭建起我的电路。
再经过一系列的调试，得到最终的设计成果。
3.1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；
74LS151（八选一数据选择器）--------------------------------1个；
74LS74（双D触发器）---------------------------------------1个；
74LS00（四二输入与非门）----------------------------------2个；
74LS04（六非门）-------------------------------------------1个；
发光二极管---------------------------------------------------8个；
555-----------------------------------------------------1个；
电容：
4.7μf----------------------------------------------1个；
0．01μf-----------------------------------------------1个；
电阻：
150KΩ---------------------------------------------------------------------1个；
100Ω----------------------------------------------4个；
4.7kΩ------------------------------------------------1个；
实验面包板一块；万用表一个；钳子一个；导线若干。
3.2个单元控制电路
（1）彩灯控制信号产生电路
彩灯控制信号产生电路使用组合电路可以实现。
整个设计的应用电路中共需要两种频率的时钟脉冲，1秒和2秒。
经过查阅相关资料，NE555芯片再加上外围一些电路，就可以产生周期为1秒的脉冲，这可作为一种频率脉冲输出，另外，将此脉冲通过一路D触发器的转换，就可以变为周期为2秒的脉冲，又可作为另一种时钟脉冲输出。
两种频率的脉冲有了，此时只需设计一个选频电路，使这两种频率的脉冲在彩灯花型一个周期后，自动切换。
可用数据选择器151来进行选频输出。
基于NE555芯片CP脉冲产生
设计电路图：
由一片555加上适当电容及电阻实现。
电容取：
4.7μf0.10μf
电阻取：
150kΩ4.7kΩ
如图所示，用NE555定时器构成多谐振荡器的电路。
电路接通电源后，电容C1与电阻R1、R2产生振荡，多次充放电，产生多谐振荡。
其中时钟周期为：
T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2）C=1.002463s
这样就成功产生了周期为1秒的脉冲。
波形如下：
（2）分频、选频电路设计
1、用74LS74芯片中的一路D触发器来实现电路的分频。
设计电路图：
如图所示，D触发器有使输出状态进行翻转的功能，将D触发器的D和~Q端接在一起，将NE555产生的1S定时脉冲送给CLK端，Q端为输出。
在一个时钟下降沿时，D触发器进行一次翻转，假定由高变为低；在第二个时钟下降沿时，D触发器又进行一次翻转，由低变为高；由此，1S定时脉冲就可分频变为2S。
这样就成功产生了周期为2秒的脉冲。
波形如下：
数据选择器74LS151，它的功能就是通过A、B、C三个输入端来选择输出端Y输出从D0到D7任意一路的信号。
C、B、A分别为000时，Y输出D0端的信号，当C、B、A分别为001时，Y输出D1端的信号。
由此，我将NE555输出端1S的时钟信号接在D0端，由D触发器分频后Q端输出的2S的时钟信号接在D1端，将B、C和使能端接地，A端接状态控制信号的输出控制信号，也就使151数据选择器的输入端A在1和0之间跳变，从而使输出端Y输出的信号在D0和D1之间变化，Y端的输出就为：
Y=CP·^A+Q·A也就达到了分频的预定目标。
（3）状态产生、彩灯控制电路设计
彩灯的各种花型变化，就是在这个单元里设计实现的。
我用了两片74LS161芯片产生模32的计数器。
将产生的状态和要输出的移位信号、数据信号用卡诺图的方式表示出来，再经过化简，可以得到我的电路状态方程。
然后在仿真及硬件电路里实现。
1、基于计数器设计状态产生电路
考虑到设计要求产生4种花型，所以需要分为4组。
每组一个花型需要8次变换，一共需要64个状态变换。
这里我选用两片161级联。
需要的状态从00000000到01111111，当计数到01000000时，芯片清零，从00000000开始计数。
为实现上述设计要求的彩灯控制电路，设计真值表如表1所示。
由二片161级联的模64（4种花型每种显示一遍，再总体重复一遍的总节拍数）计数器。
161的级联用的是同步，并用^QG清零。
当4种花型全新显示一遍后（总共32拍）161的输出变为00100000所以将161高位片的信号QF输给节拍控制电路的151的A来通过节拍控制电路改变第二遍花型显示的频率。
161的CP脉冲来自节拍控制电路中151的输出端Y。
花型
低位片
高位片
节拍控制信号
SL
SR
S1
S0
SL
SR
S1
S0
QDQE
1
X
^L8
0
1
X
^L8
0
1
00
2
^L8
X
1
0
X
^L8
0
1
10
3
X
^L8
0
1
X
L4
0
1
01
4
X
^L8
0
1
x
L4
0
1
11
表1彩灯控制电路真值表
备注：
表1中SL、SR为74LS194芯片中的DSL和DSR端口，由于194是双向移位寄存器，通过S1、S0来控制移位的方向。
通过以上的真值表，可列出相应的卡诺图：
194低位片：
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
X
^L8
0
0
1
1
X
X
1
0
0
SL=^L8S1=D^E
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
^L8
X
0
1
0
1
^L8
^L8
1
1
1
SR=^L8S0=^（D^E）
194高位片：
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
X
X
0
0
0
1
X
X
1
0
0
SL=XS1=0
QD
QE
0
1
QD
QE
0
1
0
^L8
^L8
0
1
1
1
L4
L4
1
1
1
SR=^L8^E+L4ES0=1
由以上表达式，连接电路如下：
在彩灯显示模块中，使用两个74LS194双向移位寄存器，来实现彩灯的信号输出，将彩灯的一端全部通过电阻接地，另一端接在两片194的8个输出端。
这样一来，当输出端输出0时，因为二极管两端无压降，所以显示为熄灭状态；当输出端输出1时，二极管两端产生适当压降发光，显示为点亮状态。
4.整体电路设计结果
整体电路图：
5.设计总结
通过这两周的数电课程设计实习，我进一步巩固了数字电路课程的知识，并将其实际应用，并且掌握了几种常用数字芯片的工作原理，了解了一般科学实验的基本步骤，学会用科学精神去处理实际问题，初步培养了科学严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
由于这次实验涉及好多芯片的连接，所以，我在实习开始，我在网上查阅了所有芯片的管脚图和逻辑功能表，在连接电路的时候，我就可以一边想着电路的逻辑，一边对照电路图来连接，这就大大方便了我电路的搭建。
由于之前我也曾做过类似的数字电路实验，所以，这次有了一些小小的经验。
以往电路中涉及到芯片数量比较少，所以我通常是连接完所有的电路，然后再调试；如果发现故障，解决起来也不是特别困难。
但是这次的电路规模较大，如果整体查错将会很困难，增加了好多的工作量。
所以这次的实习，我是搭完一部分，检查一部分，修改一部分，调试一部分。
待正向调试都成功之后，再单独查看反馈电路。
1、逻辑高低的标准不同。
通过查错，我发现，逻辑电路的门电路，如果级联起来，就有可能发生逻辑错误。
每个芯片输出1和0的电压不同，对高低电平的识别门限也不同，所以，好多错误都是输出的高电平被识别成了低电平，或者输出的低电平被识别成了高电平。
在用万用表测量的时候，一般高电平都是4.5V到5V之间，低电平在0V到1V多左右。
不过也有时3V多就可以进行逻辑运算。
当出现2V多的时候，多数是因为负载有点多，或者下一路的芯片有问题，达到了逻辑混乱状态。
2、电源布线布局不规范。
有个好的布局，就方便了电路的连接，也方便电路出错后的查错。
我遇到好几个不能正确显示花型的错误，就是因为电源布线不规范，导致正极负极接反的情况。
这种情况在有些时候甚至会损坏芯片，所以，有个好的布局，还是很关键的。
3、逻辑错误。
我查错时，一般会检查几个固定的器件是否运行正确，比如NE555、74LS74、74LS151、74LS161、74LS194，如果这几个芯片都工作正常，那问题就出现在状态方程或者根据状态方程连接的门电路的逻辑上了。
一般这种情况，一点点的查错，会发现由于疏忽，门电路会有连接失误的情况出现。
改换接口，问题解决。
还有的根据卡诺图化简的状态方程出错，这就得从头来了。
4、面包板出现短路、开路。
这个是面包板在制作的时候，工艺不良、或者制作时不小心连通导致的。
排除这类故障，需要用万用表的测量电阻档位。
如果相邻两个本不应该相连的位置，电阻为零，那就说明，这里有故障。
解决方法就是避开这个位置。
6.参考文献
《数字电路与逻辑设计》王毓银主编
《数字电路与EDA实践教程》唐小华、杨怿菲主编
《电子技术试验与课程设计》毕满清主编
以及网络上的一些资料
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