十六路循环彩灯实验报告

数字电子技术课程设计
题目: 循环彩灯控制电路的设计
姓名: 张影
专业: 电子科学与技术
班级: 电子112 学号: 1886110233 指导教师: 高伟霞
2013 年6 月14 日
安徽科技学院理学院
循环彩灯控制电路的设计
一、课程设计题目
（一）、题目：循环彩灯控制器
（二）、实习目的：
1．进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。

2．熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。

3．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。

4．培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。

5．数电课程实验是大学中为我们提供的唯一一次动手实践的机会，增强动手实践的能力。

二、任务和要求
实现彩灯控制的方法很多，如EPROM编程、RAM编程、单板机、单片机等，都可以组成大型彩灯控制系统。

因为本次实习要求设计的彩灯路数较少，且花型变换较为简单，故采用移位寄存器型彩灯控制电路。

（1）彩灯控制器设计要求
设计一个16路移存型彩灯控制器，基本要求：
能够实现以下四种花型：
花型1: 16路彩灯同时亮灭,亮、灭节拍交替进行。

花型2：16路彩灯每次8路灯亮，8路灯灭，且亮、灭相间，交替亮灭。

花型3：16路彩灯先从左至右逐路点亮，到全亮后再从右至左逐路熄灭，循环演示。

花型4：16路彩灯分成左、右8路，左8路从左至右逐路点亮、右8路从右至左逐路点亮，到全亮后，左8路从右至左逐路熄灭，右8路从左至右逐路熄灭，循环演示。

要求彩灯亮、灭一次的时间为2秒，每256秒自动转换一种花型。

花型转换的顺序为：花型1、花型2、花型3、花型4，演出过程循环演示。

（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。

三、设计任务分析
（1）总体方案的设计
针对题目设计要求，经过分析与思考，拟定以下方案：
总体电路共分三大块。

第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现时钟信号的产生。

主体框图如下：
根据任务要求，可将这次任务分成两部分，一部分是输出部分即数据子系统，可用移位寄存器实现外加一个定时器；另一部分是控制电路部分要用数据选择器。

（2）总体方案的选择
根据彩灯的亮灭规律，为了便于控制，决定采用移位型系统方案， 即用移位寄存器模块的输出驱动彩灯，彩灯亮、灭和花型的转换通过改变移位寄存器的工作方式来实现。

四、具体设计过程的描述
16路彩灯需要移位寄存器模块的规模为16位，但为了便于实现花型4的演示花型，将其分为左、右两个8位移位寄存器模块LSR8和RSR8。

由于彩灯亮、灭一次的时间为2秒，所以选择系统时钟CLK 的频率为0．5Hz ，使亮灭节拍与系统时钟周期相同。

此时，256秒花型转换周期可以用一个模128的计数器对CLK 脉冲计数来方便地实现定时，定时器模块
时钟信号CP 产生电路 花型控制电路 花型演示电路
取名为T256S。

将整个系统分为数据子系统和控制子系统，根据它们各自的不同功能划分，上述两个8位移位寄存器模块LSR8、RSR8和256秒定时器模块T256S 显然属于数据子系统，实现数据子系统操作控制功能的部分即为控制子系统，控制器模块取名为CONTR。

为了方便操作，设置一个加电后的手工复位信号RST。

当RST有效时，将控制器模块CONTR置于合适的初始状态，使其从花型1开始演示；同时将定时器模块T256S异步清0，使计时电路一开始就能正常工作。

循环彩灯的整体结构框图如下图所示：
图1 循环彩灯整体结构框图
框图中，CO为定时器模块T256S的时间到输出，实际上就是模128计数器的进位输出，其进位输出即为以下第二片74LS163的Q4输出端。

当T256S处于128时，CO为1。

DR＼DL分别为移位寄存器模块的右移和左移串行数据输入端，Ml、M0为移位寄存器模块的方式控制端。

当MlM0＝00时，移位寄存器处于保持状态；当MlM0=01时，移位寄存器处于左移状态；当MlM0＝10时，移位寄存器处于右移状态；当MlM0＝11时，移位寄存器处于并行置数状态。

设计控制算法时，要注意保证判别条件T0(即定时器T256S的时间到输出,只可能在判别它的状态下能够为1，否则，系统将不能正常工作。

由于本系统中花型1、花型2演示一遍需要2个时钟周期，花型3演示一遍需要32个时钟周期，花型4演示一遍需要16个时钟周期，而每种花型演示时间为128个时钟周期，所以，只要加电复位后控制器处于So状态，定时器处于0状态，且控制器和定时器同步工作，在每种花型的第2个状态判断T0的状态可以满足时序上的要求。

256秒定时器模块T256S可以用两片74163级联实现，由于模为128且需要产生进位输出，所以必须将两片74163级联为128进制的程控计数器。

对于两个移位寄存器模块LSR8和RSR8，可以用74198实现。

细化数据子系统结构的控制图如下图所示：
图2 16路循环彩灯控制结构图
在结构图中，74198是移位寄存器，如图所示的74LS198，是一个多功能的通用寄存器。

数据输入方式由引脚Sl与S0控制。

1)当Sl S0＝10，是一个右移位串行输入／并行输出移位寄存器，数据由右移串行输入端输入。

2)当Sl S0＝01时，是一个左移位串行输入／并行输出移位寄存器，数据
由左移串行输入端输入。

3)当Sl S0＝11时，是一个并行输入／并行输出移位寄存器，即QA…QG、QH＝AB…GH。

4)当Sl S0＝00时，寄存器内数据被锁定保持，其输出保持不变。

结构图中定时器T256S模块和彩灯输出部分的真实电路图如下所示：
图3定时器T256S模块电路
图4彩灯输出部分电路图
我们可以根据循环彩灯的花型变换以及上述数据子系统列出74LS163的控制激励表：
LD,B1,B0,A1,A0的表达式比较复杂，我选择用数据选择器实现，其数据选择表如下图所示
Q
C Q
B
Q
A
(LD)’B1 B0 A1 A0
000 1 1 1 1 1 001 T0 1 1 1 1 010 1 1 1 1 1 011 T0 T0 1 T0 1 100 R0 1 0 1 0 101 T0 T0 1 T0 1 110 L0 1 0 0 1 111 T0 0 1 1 0
图5 数据选择表
根据上述数据选择表画出循环彩灯控制电路的控制模块如下：
图6 以74LS163为核心构成的彩灯控制系统的控制电路
彩灯控制系统的控制电路实图如下：
五、具体电路图和所用实验器材
1、所用元器件列表
A、两片74LS198 八位双向移位寄存器
B、三片74LS163 可预置四位二进制计数器(并清除异步)
C、五片74LS151 8选1数据选择器(互补输出)
D、一片74LS11 3输入三与门
E、两个或非门，两个与门，两个非门，一个异或门。

2、具体电路图
六、分析和总结。

（一）、巩固数电知识
在实验时，刚开始我很心急，拿到实验要求就想一次解决，但遇到了很多困难，浪费了很多时间。

最后只有翻书本、查资料，慢慢认识电路所需要的各个芯片，设想出电路的总图，最终解决了问题。

从这个过程中我巩固了数电知识，了解了自己的许多不足，同时也学习到了许多。

（二）、理论联系实际
在实验过程中，我发现在应用仿真软件Multisim中的芯片时，有一些芯片的功能和我自己所想的不同，其中74198的功能和我自己的想象完全相反，在应用时由于应用功能的错误浪费了不少时间。

我真实发现了在实验时，我们不能认为一些事情理所当然。

我们应该要认真思考，联系实际，从根本上解决问题。

（三）、和同学共同合作、互相学习、共同进步
在最初时，大家都没有什么思路，都很焦急。

但通过我们共同的不懈努力，最终都有了自己的基本思路。

然后就终于开始了我们的实验，在实验时，我们都会出现一些小的问题，但通过大家的商讨最终的得到解决。

在这个过程中，我发现实验提供了我们相互学习、共同合作的机会，它使我们在学习中共同进步。

总之，这次的设计课题，让我学会了很多东西，虽然为这次设计我付出了很多，但是我学到了理论和实际应用的结合，这使我受益匪浅，给了我美好的回忆。

最后要感谢高老师给予我们的指导，使得我们少走一点弯路，高效的完成了课程设计，真心的感谢老师。

对此，我只想说一句：“谢谢你，老师！”。