循环彩灯控制电路的设计

一、  课程设计的目的

1、巩固和加强《数字电子技术》课程的理论知识。

2、掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发过程。

3、掌握电子电路安装和调试的方法及其故障排除方法，学会使用multisim软件对电路仿真。

4、通过查阅手册和文献资料，培养独立分析问题和解决问题的能力。

5、培养创新能力和创新思维。

二、  任务的描述

用中规模集成电路实现节日彩灯控制电路，主要用计数器、译码器、数据分配器和移位寄存器等芯片集成，本次设计特点是用双色发光二极管，能发出红色和绿色两种色光。有以下四种演示花型：

花型1:  16路彩灯同时亮灭,亮、灭节拍交替进行。能花型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。

三、设计任务分析

    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。

四、具体设计过程的描述

    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。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，当T256S处于127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，移位寄存器处于右移状态；当MlM0＝10时，移位寄存器处于左移状态；当MlM0＝11时，移位寄存器处于并行置数状态。

根据规定的彩灯亮灭规律，导出系统控制器的ASM图，如图2系统控制器的ASM图所示。

其中，SRl6为2个8位移位寄存器模块LSR8和RSR8级联构成的16位移位寄存器，部分操作符号功能定义如下。

    ．  SLO：将括号内指定的移位寄存器模块左移1位，右侧位移入0。

    ．  SL1： 将括号内指定的移位寄存器模块左移1位，右侧位移入1。

    ．  SR0：将括号内指定的移位寄存器模块右移1位，左侧位移入0。

．  SRl： 将括号内指定的移位寄存器模块右移1位，左侧位移入1。

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。

图 2  系统控制ASM图

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3 16路循环彩灯控制结构图

 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：

图4 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

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器

图6 以74LS163为核心构成的彩灯控制系统的控制电路

五、设计方案的确定（附具体电路图）

电路图由输出部分即数据子系统及控制电路部分组成。数据子系统由两个8位移位寄存器模块LSR8、RSR8和256秒定时器模块T256S组成。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。

具体电路图如下图所示：

图7 16路循环彩灯控制电路图

六、单元电路设计和所用的元器件的选择(包括器件的引脚结构图)

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、  所用元件的引脚结构图

u  74LS198

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＝01，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＝10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Q4Q“…QGQH＝AB…GH。

4)当Sl S0＝00时，寄存器内数据被锁定保持(H()LD)，其输出保持不变。

图8 74LS198的引脚图

u  74LS163

      

图9  74163标准逻辑符号            图10  74163 惯用逻辑符号

该器件的标准逻辑符号较为复杂，将各部分简要说明如下：

①CTRDIVl6(Counter Divided)：定性符，表明它是十六进制计数器。

②CR(Clear)的非：复位端(又称清零端)，低电平有效。5CT＝0：表示在时钟C5上升沿触发下电路的输出状态Q3Q2Q1Q0=0000（同步复位）。故这是一种同步清零器件。

③LD(Load)的非：置数控制端，低电平有效。M1和M2称为方式关联符:M1＝1(即LD=1)——置数操作(Load)，M2＝1(LD＝0)——计数操作。也就是说，当LD＝1时，M2M1＝01置数(Q3Q2Q1 Q0＝D3D2DlD0)；当LD=0时M2M1＝l0计数。

④CT_T，CT_P：计数控制信号。当LD＝CR＝0，且CT_T＝CT_P=1时,加法计数；CT_T=0或CT_P=0时，Q3～Q0保持。G3G4是与关联符。G3，G4是与关联符。

⑤CP：计数脉冲输入端。＞C5：时钟编号为5，且是上升沿触发；

u  74LS151

u  74LS11

图11 74LS11引脚图

七、总结

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

通过这次课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

 

第二篇：正文 16路循环彩灯控制电路的设计

16路循环彩灯设计报告

一、  课程设计的目的

1、巩固和加强《数字电子技术》课程的理论知识。

2、掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发过程。

3、掌握电子电路安装和调试的方法及其故障排除方法，学会用ewb软件或multisim软件对电路仿真。

4、通过查阅手册和文献资料，培养独立分析问题和解决问题的能力。

5、培养创新能力和创新思维。

二、  任务的描述

用中规模集成电路实现节日彩灯控制电路，主要用计数器、译码器、数据分配器和移位寄存器等芯片集成，本次设计特点是用双色发光二极管，能发出红色和绿色两种色光。有以下四种演示花型：

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。

三、设计任务分析

   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。

四、具体设计过程的描述

    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。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：

图表 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，当T256S处于127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，移位寄存器处于右移状态；当MlM0＝10时，移位寄存器处于左移状态；当MlM0＝11时，移位寄存器处于并行置数状态。

根据规定的彩灯亮灭规律，导出系统控制器的ASM图，如图表2系统控制器的ASM图所示。

其中，SRl6为2个8位移位寄存器模块LSR8和RSR8级联构成的16位移位寄存器，部分操作符号功能定义如下。

    ．  SLO：将括号内指定的移位寄存器模块左移1位，右侧位移入0。

    ．  SU：将括号内指定的移位寄存器模块左移1位，右侧位移入1。

    ．  SR0：将括号内指定的移位寄存器模块右移1位，左侧位移入0。

．  SRl：将括号内指定的移位寄存器模块右移1位，左侧位移入1。

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Co)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。

图表 2系统控制ASM图

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：

 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74163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：

根据上述数据选择表画出循环彩灯控制电路的控制器

五、设计方案的确定

 

六、总结

我认为自己在这次实习中收获很多。刚拿到题目感到很无措，但自知这是课程要求，自己只能硬着头皮去做。上网查资料，可能是自己选择的方法不对找到的资料很少，所以自己又将课本译码器、数据选择器等一些芯片的组成和工作原理看了一遍，感觉当你带着目的去看书，就会有不一样的收获，才得到足够的资料。在确定了所选元器件后，我和同伴进行分工，我进行的是数据子系统部分相关的设计，而他则是控制子系统的相关设计。这样的分工合作让我受益颇丰，彼此进行交流会感到从对方那里学到了不少东西。由于是第一次使用对于有些功能还不是十分了解，对软件的应用不十分熟悉，使元件的排版和线路的布局不十分和谐。

虽然在总体过程中进行的还算顺利但还是发现自己有许多的不足。我觉得自己对电子设计相关方面的了解所知道的真是太少了，在查资料时有时遇到的东西是自己从未听说过的，感觉自己就像个小虾在大海里游，所了解和知道的东西是那么的肤浅。总之，这次实习培养了自己独立分析问题和解决问题的能力以及培养创新能力和创新思维。还有通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。