多功能彩灯设计

一、前言
要设计一个正确的TTL电路，首先要有基本的逻辑代数的分析能力，并且设计这样一个没有记忆功能的电路，至少还应该熟悉门电路、组合逻辑电路和触发器。

这样的课程设计可以巩固和拓展我们对TTL电路的了解，能够学有所用。

这个实验报告就是对我们设计和制作电路的总结。

在设计电路之前先把电路分割成几个小部分，每一部分完成特定的逻辑功能。

并且先用仿真软件做出仿真图。

这次设计的电路图不但可以自动实现信号选通还加入了单一信号手动选通开关和手动左移右移开关。

二、设计题目
简要说明：利用数字电路的理论和知识进行设计，八个一组的彩灯按不同的方式显示，组成不同的视觉效果。

设计任务和基本要求：设计一个循环可预置序列发生器，用于控制彩灯的循环显示，不同的预置产生不同的效果。

基本要求:：实现循环序列发生器和彩灯控制电路，使得彩灯按一定的规律循环显示。

假定循环规律为：L1——L8的状态是00001111（0表示灭，1表示亮），每隔一秒L1——L8的状态一次循环一次，即：L1L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8
设计控制电路，可自动预置4种不同的初始状态，每隔64秒改变一次，并在这四种初始状态循环，使得彩灯定时改变显示的效果。

假定每四种不同的初始状态：00001111，00010001，00110011，01110111。

提高要求：1、加手动方向控制，可使彩灯按正反两个方向移动显示。

2、实现自动方向控制：按左移方向显示自动预置的全部四种效果后，再按右移方向显示一次，如此循环。

3、自备工作时钟。

三、题目分析与设计
根据题目要求分析得，这个多功能彩灯电路要有四种已经预设好的信号发出，所以要设计一个预设信号产生电路。

在要求的时间内输出四种信号中的一种，同样需要一个信号选择电路。

最后要有一个控制信号位移的电路，使得电路能够在预定的时间内实现左右位移功能。

首先设计出预设信号产生电路，预设八个高低电平信号，在不同时间内只输出其中的一个信号可以用八选一数据选择器实现，并用时钟信号来控制输出。

八选一数据选择器，例如74ls151，有
八个输入端，当输出控制端ABC的信号在000，001，010，011，100，101，110，111八个信号中依次循环时，输出端Y分别为D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7。

要按时间输出信号01110111就可以把74ls151的D0~D7接上地与VCC如下图所示。

按这种方法同样的接好其他三种信号，74ls151的七管脚是选通输入端只有低电平时74ls151才能选择数据。

74ls151控制信号用三片JK触发器来产生，由计算得到如图的所示的八进制计数器，能产生由000~111循环的信号，使得Y不断的从D0~D7中选择数据输出。

这时已经同时得到四种信号，预设信号选择电路可以依次选择这四种信号输出。

同样利用74ls151原理同上，只是控制端的选通信号变化的时间不同，在上一部分的电路中每一个完整信号的输出需要八秒，所以这部分电路的选通信号的变化时间为八秒变一次。

由计算得，把第一部分的Q0,Q1,Q2通过三输入与非门再输出并作为CP脉冲，接在同样接法的触发器上就可以得到八秒变一次的选通控制信号，接法如下图，第一部分的信号输出端Y1,Y2,Y3,Y4接在第二部分74ls151的信号输入端，由时钟信号控制Y选择的数据。

位移控制电路，根据题目要求分析得，输入信号要用八个信号显示，并能实现左移和右移。

使用两片74ls194双向位移寄存器可以实现，74ls194有CLOCK时钟输入端，CLEAR清零端，ABCD 并行数据输入端，DSL左移串行数据输入端，DSR右移串行数据输入端，S0、S1工作方式控制端，QA,QB,QC,QD输出端。

在位移电路中不需要清零，所以CLEAR一直接VCC。

并行数据输入端不用。

当S0接高电平，S1接低电平时实现左移，S0接低电平,S1接高电平实现右移。

每片74ls194只有四个输出端，两片接成八个串行数据输入时前一片的QD应接在第二片的左移信号输入端DSL，同理第二片的QD应接在前一片的右移输入端，S0,S1工作方式控制端的信号根据题目要求应32秒互换一次，由计算得第二部分时钟控制电路的Q2为32秒变化一次。

所以通过非门接法如图。

CLOCK接在时钟脉冲上。

四、各部分定性计算
第一个八进制计数器的定性计算：
000 001 010 011 100 101 110 111
由卡诺图得状态方程：
Q0n+1=Q0n
Q1n+1=Q0n
Q2n+1=Q1n
由JK触发器的特征方程：
Q n+1=JQ n+KQ n
因此得到驱动方程：
J0=K0=J1=K1=J2=K2=1
五、具体实现
在下面的图中我用了一个4POS_ROTARY开关和一个5POS_ROTARY开关，4POS_ROTARY开关为控制左移、右移和自动方向开关。

在第一档上为自动左右位移，可以实现四种信号依次向左位移，在四种信号显示完后，再实现四种信号依次向右位移，并以此循环。

当开关在2或3档时可以实现四种信号依次向左位移，并且四种信号循环显示。

当开关在4档位上时可以实现四种信号依次右移并循环显示。

5POS_ROTARY是信号选通开关，当开关在5档位时可以实现四种信号自动循环输出，其他四个档位分别为其他四种单个信号的循环输出。

以下为multisim软件仿真图和实物图：
六、在实验室的问题及解决方法
问题1：缺少设计图中的74ls151元器件
解决方案：修改电路图用相近功能的74ls160元器件代替，或者用几个元器件组合以达到原先目的。

问题2：元器件接法正确但输出信号不正确
解决方案：仔细查看电路板，看电路板是否正确，用万用表仔细查看每根线是否接上，每个管脚是否结实。

如果以上都没有问题换一个元器件看元器件是否有问题。

问题3：二极管信号灯长时间工作后易烧坏
解决方案：在二极管的线路中串联上200Ω电阻
问题4：用红、黄、绿三不同颜色的灯时绿灯不亮或比较暗
解决方案：绿灯工作需要比红灯更大的电流，调整与绿灯串联的电阻阻值或者去掉电阻。

七、设计心得体会
在设计这次的电路图中，我发现我们所学的是有限的，但是我们的学习能力是无止尽的。

在
用到的元器件中或许有我们以前没接触过的，但是通过查找资料我们就能轻松正确的使用这些芯片，完成我们的课程设计。

与新事物的接触中我们应该保持冷静，用正确的方法去了解它，而不是盲目的乱接线。

仿真的过程中应先有完整正确的数学方法，这样才能在出错时经行纠正。

而且仿真一定要正确，才能在真正的电路中实现自己想要的共能。

在接实物时一定要做好准备，正确全面的了解实物的各个管脚的作用。

在接实物时把电路分成几个部分连接，接好一部分就要测验这部分的功能是否已经实现，正确之后再往下接。

连接时一定要细心接的实在，避免不必要的短路或断路。

在出现错误时应耐心的检查，并熟练的使用万用表来检查。

这一过程最好要自己检查，这不但能发现自己电路的错误所在，还是积累经验的重要步骤。

在实物的连接中最容易出错的部分就是接地与接VCC，出错时如果原因很不明确可以从这里开始检查。