课程设计----四路彩灯显示系统设计

数字电路逻辑设计

实

验

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设计课题：四路彩灯显示系统设计

1.设计任务和要求

设计一个四路彩灯控制器,设计要求如下：

（1）接通电源后，彩灯可以自动按预先设置的程序循环闪烁。

（2）设置的彩灯花型由三个节拍组成：

第一节拍：四路彩灯从左向右逐次渐亮，灯亮时间1s，共用4s；

第二节拍：四路彩灯从右向左逐次渐灭，也需4s；

第三节拍：四路彩灯同时亮0.5s,然后同时变暗,进行4次,所需时间也

为4s。

（3）三个节拍完成一个循环，一共需要12s。一次循环之后重复进行闪烁。

2. 设计分析

四路彩灯既有四路输出，设依次为d Q、c Q、b Q、a Q，若“1”表示灯亮，“0”表示灯灭，由课题要求可知四路彩灯显示系统要求如下表1所示的输出显示。

表1 四路彩灯输出显示

由上表可知，需要一个分频器起节拍产生和控制作用，每4s 一个节拍，3个节拍共12s 后反复循环。一个节拍结束后应产生一个信号到节拍程序执行器，完成彩灯渐亮、渐灭、同时亮、同时灭等功能。

分频及节拍控制可以用一个模12计数器来完成；彩灯渐亮、渐灭可以用器件的左移、右移功能来实现，因此可选用移位寄存器74194来完成。同时亮0.5s 、同时灭0.5s 可考虑把1Hz 的秒脉冲信号直接加到输出显示端来完成。

综上所述，要完成四路彩灯显示功能需要有分频器、节拍控制器、节拍程序执行器及脉冲源等电路。

记第一，二，三节拍分别为012Y YY 有效时间应为4秒，0Y 结束1Y 马上开始，1

Y 后2Y 马上开始，如此循环不断。为此可考虑采用移位寄存器构成的移位型控制器。由于有三个状态，因此需要用三个触发器对现时状态进行记忆，为使各状态的有效时间间隔为4秒，则驱动该移位控制器动作时钟周期应为4秒。应在开机瞬间，使移位型控制器的状态被确定下来，即012Y YY 节拍应为100，可控制输入信号使触发器置位、复位来实现。

为实现0Y 功能要求器件具有右移功能，为实现1Y 功能要求器件有左移功能；而且左、右移输入可为“0”也可为“1”；为实现2Y 功能，要求器件同时具有并行置数功能。因此可选用一种具有左移、右移和并行置数功能的通用移位寄存器74LS194。74LS194具有并行输入端A 、B 、C 、D ，并行输出端A Q 、B Q 、C Q 、D Q ，右移输入端SR ，左移输入端SL 和模式控制输入端0S ，1S 以及一个无条件直接清除端CLR 。模式控制输入0S ，1S 有00、01、10、11四种组合方式，分别表示双向移位寄存器所具有的四种功能，即禁止、右移、左移和并行置数。为了使当

012Y YY =100时，01S S =01（右移），012Y YY =010时，01S S =10（左移），当012Y YY =001时01S S =11（并行置数）。

74LS194的输出端初态均为零，在开机瞬间，使移位控制端01S S 的状态被确

定下来，即 012Y YY

=100时，01S S =01 右移串行数据输入端 SR 经脉冲信号经四分频电路和 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯从右到左依次亮共 4秒 ，

当012Y YY

=010 01S S =10 左移串行数据输入端 SL 经脉冲信号经四分频电路和 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯从左到右依次灭共 4秒，012Y YY

=001 01S S =11 并行数据输入端 A 、B 、C 、D 经脉冲信号经四分频电路和 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯同时为“ 1”0.5秒、同时为“0”0.5秒，重复4遍共4秒，完成一个循环共需12秒，12个CP 脉冲。

3. 设计方案

分析以上设计任务，该控制系统完成如图3-4所示的控制流程，系统结构框图如图3-5所示。其中脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为1Hz 的时钟信号；分频器将1Hz 的时钟信号四分频，用以产生0.25Hz （即4S ）的时钟信号；节拍控制器产生三个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移和送数功能，可以使用双向通用移位寄存器74LS194完成；显示电路完成系统循环演示的指示，可以用发光二极管模拟。 系统控制流程图及控制系统结构框图如下图所示：

图1：四路彩灯控制流程图

图2：四路彩灯控制系统结构框图

4. 设计实现

下图为四路彩灯显示的一种简易实现电路。该电路选用同步十六进制计数器74161实现模12分频及节拍控制，用4位双向移位寄存器74191实现彩灯的渐亮、渐灭功能。

图3：四路彩灯显示系统的一种实现电路

四路彩灯显示系统的工作过程如表2所示。74161的输出为0123Q QQ Q ；74194的输出为A B C D Q Q Q Q ；四路彩灯的输出为a b c d Q Q Q Q 。74194的工作方式控制端

132M Q Q =+，032M Q Q =+。在第一节拍中，1001M M =，74194实现右移功能，即在时钟脉冲作用下，把1SR D =逐次移进；在第二节拍中，1010M M =，74194实现左移功能，即在时钟脉冲作用下，把0SR D =逐次反方向移进。由于前两个节拍中30Q =，门G 关闭，输出为0，因此四路彩灯的输出a b c d A B C D Q Q Q Q Q Q Q Q =。在第三节拍中，1010M M =，74194仍然左移，A B C D Q Q Q Q 一直保持为0000。此时

31Q =，门G 打开，时钟脉冲CP 同时加到四个输出端a b c d Q Q Q Q ，由于CP 是1Hz 秒脉冲，在1s 时间内高电平和低电平持续时间均为0.5s ，因此a b c d Q Q Q Q 实现同时