移位寄存器型彩燈控制器課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　課程設(shè)計(jì)(綜合實(shí)驗(yàn))報(bào)告</p><p>　　( 2011 -- 2012 年度第 1 學(xué)期)</p><p>　　名 稱： 數(shù)電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) </p><p>　　題 目：移位寄存器型彩燈控制器</p><p>　　院 系：電氣與電子工程學(xué)院 </p><

2、;p>　　班 級(jí)： 電氣0911 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： 1091171121 </p><p>　　日期：2011 年 1 月 5 日</p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)(綜合實(shí)驗(yàn))的目的與要求</p><p><b>　　1.目的</b>&l

3、t;/p><p>　　1.1綜合實(shí)驗(yàn)是教學(xué)中必不可少的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)鞏固、深化和擴(kuò)展學(xué)生的理論知識(shí)與初步的專業(yè)技能，提高綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，逐步增強(qiáng)實(shí)際工程訓(xùn)練。</p><p>　　1.2注重培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想，掌握綜合實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容、步驟和方法。</p><p>　　1.3培養(yǎng)學(xué)生獲取信息和綜合處理信息的能力、文字和語(yǔ)言表達(dá)能力以及協(xié)作工作能力。<

4、/p><p>　　1.4提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)和技能解決實(shí)際問(wèn)題的能力及其基本工程素質(zhì)。</p><p><b>　　2.要求</b></p><p>　　2.1 能夠根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和指標(biāo)要求，綜合運(yùn)用電子技術(shù)課程中所學(xué)到的理論知識(shí)與實(shí)踐技能獨(dú)立完成一個(gè)設(shè)計(jì)課題。</p><p>　　2.2根據(jù)課題需要選擇參考書(shū)籍，查閱手

5、冊(cè)、圖表等有關(guān)文獻(xiàn)資料。要求通過(guò)獨(dú)立思考、深入鉆研綜合實(shí)驗(yàn)中所遇到的問(wèn)題，培養(yǎng)自己分析、解決問(wèn)題的能力。</p><p>　　2.3進(jìn)一步熟悉常用電子器件的類型和特性，掌握合理選用的原則。</p><p>　　2.4學(xué)會(huì)電子電路的安裝與調(diào)試技能，掌握常用儀器設(shè)備的正確使用方法。利用“觀察、判斷、實(shí)驗(yàn)、再判斷”的基本方法，解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。</p><p>　　2

6、.5學(xué)會(huì)撰寫綜合實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告。</p><p>　　2.6通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)，逐步形成嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍、實(shí)事求是的工作作風(fēng)和科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立一定的生產(chǎn)觀點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和全局觀點(diǎn)。要求學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中，堅(jiān)持勤儉節(jié)約的原則，從現(xiàn)有條件出發(fā)，力爭(zhēng)少損壞元件。</p><p>　　2.7在綜合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要做到愛(ài)護(hù)公物、遵守紀(jì)律、團(tuán)結(jié)協(xié)作、注意安全。</p><p>　　二

7、、設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）正文</p><p>　　課題一 移位寄存器型彩燈控制器</p><p>　　彩燈控制器可以自動(dòng)控制多路彩燈按不同的節(jié)拍循環(huán)顯示各種燈光變換花型，它廣泛用于大型燈會(huì)、舞臺(tái)燈光控制、體育館燈光控制以及節(jié)假日燈光裝飾中。實(shí)現(xiàn)彩燈控制的方法很多，如用EPROM編程、單片機(jī)、純硬件電路等。當(dāng)彩燈路數(shù)較少且花型變換較為簡(jiǎn)單時(shí)，可采用移位寄存器進(jìn)行控制。</p><

8、p>　　1.設(shè)計(jì)的題目及要求</p><p>　　1.1.要求采用移位寄存器設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈控制器。</p><p>　　1.2要求以按一定規(guī)律改變彩燈的輸入電平值，控制彩燈的亮與滅，按預(yù)定規(guī)律顯示一定的花型。所要求的花型如下：</p><p>　　花型1：8路彩燈從左至右順次漸亮，全亮后逆序漸滅；循環(huán)兩次。</p><p>　　花型2：8

9、路彩燈從中間到兩邊對(duì)稱地逐次漸亮，全亮后仍由中間到兩邊逐次漸滅；循環(huán)兩次。</p><p>　　花型3：8路彩燈分兩半，從左至右順次漸亮，全亮后則滅，循環(huán)三次。</p><p>　　表1.花型真值表如下：</p><p>　　表2.彩燈控制器一次總循環(huán)的狀態(tài)列表</p><p>　　當(dāng)然三種花型也可以與上述相反，即：</p>&

10、lt;p>　　花型1：8路彩燈從右至左順次漸亮，全亮后逆序漸滅；循環(huán)兩次。</p><p>　　花型2：8路彩燈從兩邊到中間對(duì)稱地逐次漸亮，全亮后仍由兩邊到中間逐次漸滅；循環(huán)兩次。</p><p>　　花型3：8路彩燈分兩半，從右至左順次漸亮，全亮后則滅，循環(huán)三次。</p><p>　　1.3三種花型先以慢節(jié)拍顯示一遍，再以快節(jié)拍顯示一遍，構(gòu)成一次大循環(huán)，然后

11、重復(fù)。當(dāng)然也可以相反。</p><p>　　2.設(shè)計(jì)思路及過(guò)程。</p><p><b>　　2.1原理框圖</b></p><p>　　彩燈控制器以某種節(jié)拍按一定規(guī)律改變彩燈的輸入電平值，控制彩燈的亮與滅，按預(yù)定規(guī)律顯示一定的花型。因此彩燈控制器需要一個(gè)能夠按一定規(guī)律輸出不同高低電平編碼信號(hào)的編碼發(fā)生器，同時(shí)還需要編碼發(fā)生器所要求的時(shí)序信號(hào)和

12、控制信號(hào)。由于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合所帶彩燈可能是功率較大的白熾燈或其它，因此還需要一定的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)驗(yàn)中因采用發(fā)光二極管或指示燈，故可省略驅(qū)動(dòng)電路。彩燈控制器的原理框圖如圖3.1.1所示。</p><p>　　圖1 彩燈控制器原理框圖</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　2.2.1節(jié)拍控制電路</p>

13、<p>　　三種花型循環(huán)一次需要16*2+8*2+5*3=63個(gè)節(jié)拍，再加上清“0”一拍，共64拍。三種花型若先以慢節(jié)拍顯示一遍，再以快節(jié)拍顯示一遍，這樣構(gòu)成一次大循環(huán)共需128節(jié)拍。如圖3.1.2所示。</p><p>　　圖2 快慢節(jié)拍的時(shí)鐘電路框圖</p><p>　　CPL（慢）的1-32節(jié)拍顯示花型1，其中1-8節(jié)拍移位寄存器右移8位，9-16節(jié)拍移位寄存器左移8位

14、，17-32節(jié)拍重復(fù)1-16節(jié)拍內(nèi)容。CPL（慢）的33-48節(jié)拍顯示花型2，其中33-40節(jié)拍移位寄存器1左移，移位寄存器2右移，41-48節(jié)拍重復(fù)33-40節(jié)拍內(nèi)容。CPL（慢）的49-63節(jié)拍顯示花型3，其中49-53節(jié)拍2個(gè)移位寄存器右移，54-58、59-63節(jié)拍重復(fù)49-53節(jié)拍內(nèi)容。CPL（慢）的64節(jié)拍總清“0”。CPH（快）的64節(jié)拍與慢節(jié)拍顯示相同。因此，節(jié)拍控制電路需要產(chǎn)生8、16、32、64、128拍的節(jié)拍控制信

15、號(hào)。節(jié)拍控制信號(hào)電路框圖3.1.1，節(jié)拍控制信號(hào)時(shí)序圖3.1.4。</p><p>　　圖3 節(jié)拍控制信號(hào)電路框圖</p><p>　　圖4 節(jié)拍控制信號(hào)時(shí)序圖</p><p>　　CP7=0時(shí)，移位脈沖CP為慢節(jié)拍CPL；CP7=1時(shí)，CP為快節(jié)拍CPH。所以能夠選擇快慢節(jié)拍的移位脈沖CP的表達(dá)式為：，CP7的周期為128節(jié)拍。</p><

16、p>　　2.2.2編碼發(fā)生器</p><p>　　表3.通用移位寄存器74LS194的功能表如下：</p><p>　　要實(shí)現(xiàn)上述花型顯示，關(guān)鍵是移位寄存器的功能控制端S0、S1和左移SL、右移SR的信號(hào)電平如何組織。</p><p>　　2.2.3 清零電路</p><p>　　清零電路如圖1.5所示。清零電路的功能如下：</p

17、><p>　　a)系統(tǒng)總清零，用啟動(dòng)開(kāi)關(guān)S控制。</p><p>　　b)花型3每5拍清零一次，。</p><p>　　c)三種花型運(yùn)行一遍即第64拍總清零一次，可用對(duì)周期為64拍的CP6微分得到的負(fù)脈沖實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　圖5 清零控制電路</p><p>　　3.設(shè)計(jì)報(bào)告要求（設(shè)計(jì)報(bào)告格式見(jiàn)附錄1）</

18、p><p>　　3.1 目的與要求：根據(jù)任務(wù)書(shū)進(jìn)行填寫。</p><p>　　3.2 正 文：簡(jiǎn)單敘述設(shè)計(jì)過(guò)程（包括原理、方案）；畫出完整的電路原理圖，并簡(jiǎn)</p><p><b>　　述各部分的功能。</b></p><p>　　3.3 總結(jié)與結(jié)論：寫出設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法；簡(jiǎn)述心得體會(huì)。<

19、/p><p><b>　　4.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程</b></p><p>　　4.1 明確設(shè)計(jì)要求。設(shè)彩燈控制器輸出為1時(shí)可以點(diǎn)亮彩燈，為0時(shí)不能點(diǎn)亮，根據(jù)原題要求列出彩燈一次總循環(huán)的狀態(tài)列表。考慮到74X194能左移、右移、清零或并行置數(shù)，可滿足題目的要求，兩片74X194共有8個(gè)輸出信號(hào)，分別控制8路彩燈。由于一次花型循環(huán)實(shí)為63拍，再加一拍清零共64拍，此外，設(shè)計(jì)還要求

20、慢節(jié)拍和快節(jié)拍各循環(huán)一次，所以總共需要128拍。對(duì)彩燈的控制信號(hào)來(lái)說(shuō)，需要的狀態(tài)數(shù)實(shí)為64個(gè)。當(dāng)一次循環(huán)完成后，需要一個(gè)信號(hào)改變所選的時(shí)鐘的頻率。</p><p>　　4.2 由以上的分析，可將電路分為三部分：</p><p><b>　　圖6.設(shè)計(jì)電路分塊</b></p><p>　　4.3 下面分別設(shè)計(jì)這三部分電路：</p>

21、<p>　　4.3.1節(jié)拍產(chǎn)生電路：這部分電路其實(shí)要完成兩個(gè)功能。一是64個(gè)狀態(tài)的產(chǎn)生，二是時(shí)鐘頻率的選擇。方案:七位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器+二選一數(shù)據(jù)選擇器。128節(jié)拍產(chǎn)生及快慢分頻控制器的設(shè)計(jì)：一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路，其框圖如圖10-23所示，能通過(guò)由Q6（第七位二進(jìn)制數(shù)）、D觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的二選一數(shù)據(jù)選擇器選擇輸出某頻率的時(shí)鐘信號(hào)或它的二分頻信號(hào)，并將信號(hào)傳遞給拍產(chǎn)生器和移位寄存器，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)彩燈快、慢共128節(jié)拍的控制。Q

22、5Q4Q3Q2Q1Q0從000000—111111循環(huán)變化，產(chǎn)生64個(gè)不同的狀態(tài)，Q6用于選擇時(shí)鐘的頻率。即64拍之后，時(shí)鐘的頻率改變。電路圖如下：</p><p><b>　　圖7.節(jié)拍產(chǎn)生電路</b></p><p>　　圖.8節(jié)拍電路頻率的校驗(yàn)</p><p>　　由上圖檢驗(yàn)電路顯示，當(dāng)時(shí)100hz的振蕩器工作時(shí)，第一片D觸發(fā)器的高電平周

23、期是10ms，結(jié)果正確。</p><p>　　圖.9節(jié)拍電路頻率的校驗(yàn)</p><p>　　由上圖檢驗(yàn)電路顯示，當(dāng)時(shí)1000hz的振蕩器工作時(shí)，第一片D觸發(fā)器的高電平周期是1ms，結(jié)果正確。</p><p>　　圖.10節(jié)拍電路頻率的校驗(yàn)</p><p>　　由上圖檢驗(yàn)電路顯示，當(dāng)時(shí)1000hz的振蕩器工作時(shí)，第六片D觸發(fā)器的高電平周期是32

24、ms，結(jié)果正確。</p><p>　　圖.11節(jié)拍電路頻率的校驗(yàn)</p><p>　　由上圖檢驗(yàn)電路顯示，當(dāng)時(shí)100hz的振蕩器工作時(shí)，第六片D觸發(fā)器的高電平周期是320ms，結(jié)果正確。</p><p>　　4.3.2 控制信號(hào)產(chǎn)生電路。用產(chǎn)生的狀態(tài)經(jīng)過(guò)一定的邏輯運(yùn)算后控制74X194的S0、S1、SR、SL即可得到所需要的花型。</p><p&

25、gt;　　要想設(shè)計(jì)控制電路，不得不看我們所需要的花型結(jié)果。</p><p>　　題目中要求采用移位寄存器按照一定的節(jié)拍，一定的規(guī)律改變彩燈的輸入電平值，來(lái)控制彩燈的亮與滅，使其顯示不同的花型，首先對(duì)彩燈的狀態(tài)進(jìn)行約定，Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7來(lái)表示彩燈的狀態(tài)，其中“1”表示相應(yīng)的彩燈發(fā)光，“0”表示相應(yīng)的彩燈熄滅，根據(jù)上面的設(shè)計(jì)要求列出彩燈狀態(tài)一次循環(huán)的真值表如下：</p>&

26、lt;p>　　表4 彩燈一次循環(huán)的狀態(tài)真值表</p><p>　　上表中用帶雙箭頭的直線將每種花型下的8個(gè)彩燈的狀態(tài)分成兩組，每組包含4個(gè)彩燈。由于每個(gè)移位寄存器只能存儲(chǔ)4個(gè)狀態(tài)，所以從上表中可以明顯看出本設(shè)計(jì)題目只需要兩個(gè)移位寄存器，即可滿足題目的要求。</p><p>　　表5.74LS194的功能表</p><p>　　要實(shí)現(xiàn)上述花型顯示，關(guān)鍵是移位寄存

27、器的功能控制端S0、S1和左移SL、右移SR的信號(hào)電平如何組織。</p><p>　　通過(guò)上面有關(guān)控制器部分的論述，將7位二進(jìn)制數(shù)的輸出變量Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6作為組合邏輯電路的輸入，而寄存器的S0、S1、SL、SR、Choose作為組合邏輯電路的輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了控制器對(duì)移位寄存器的控制。表4為控制器的慢節(jié)拍或快節(jié)拍的64個(gè)狀態(tài)與74LS194的控制信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系：</p>&

28、lt;p>　　表6 控制器的狀態(tài)與74LS194芯片的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系</p><p>　　對(duì)于6變量的卡諾圖，每個(gè)變量的化簡(jiǎn)的圖都較復(fù)雜，現(xiàn)以S0(2)為例畫卡諾圖進(jìn)行化簡(jiǎn)，其他各變量的表達(dá)式求法類似，這里不再一一畫出。</p><p><b>　　表7.卡諾圖化簡(jiǎn)</b></p><p>　　由上面的卡諾圖可得+</p>

29、<p>　　同理可以得到其他控制變量的表達(dá)式如下：</p><p><b>　　= +</b></p><p><b>　　+</b></p><p>　　根據(jù)上面的各量的表達(dá)式畫出組合邏輯電路圖，再將時(shí)鐘信號(hào)和7位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路加入，即完成整個(gè)彩燈控制電路的設(shè)計(jì)，最后在計(jì)算機(jī)上調(diào)試。</p>

30、<p>　　圖12.控制電路用邏輯門來(lái)實(shí)現(xiàn)4.3.3 花型產(chǎn)生電路：用兩片74X194的八路輸出分別控制八個(gè)彩燈即可。電路圖如下</p><p>　　圖13.花型產(chǎn)生電路</p><p>　　4.3.4將上述三個(gè)部分結(jié)合起來(lái)，即可得到完整的電路圖：</p><p><b>　　圖14.完整電路</b></p><p

31、>　　三、課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）總結(jié)或結(jié)論</p><p>　　本次試驗(yàn)讓我對(duì)數(shù)電知識(shí)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),讓我知道如何在實(shí)際生活中運(yùn)用學(xué)過(guò)的知識(shí)。其實(shí)，在剛開(kāi)始我并不像選擇此題，我覺(jué)得很難。但是隊(duì)友的一句話讓我打起了精神，他說(shuō)可以將學(xué)會(huì)的彩燈控制技術(shù)用于表白。這句話對(duì)我最大的觸動(dòng)就是，出于學(xué)習(xí)技術(shù)而不是挑剔難度去選擇試題對(duì)我們學(xué)習(xí)知識(shí)更有幫助。本次綜合實(shí)驗(yàn)所做的題目為移位寄存器型彩燈控制器，其綜合考察了組合邏

32、輯電路和時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)將觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器和數(shù)據(jù)選擇器等數(shù)字電子集成的電路結(jié)合起來(lái)，具有一定的綜合性。通過(guò)本次試驗(yàn)讓我了解了數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和方法，對(duì)一些特定的功能模塊也有了更深的的理解.</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》</p><p><b>　　附錄一：

33、</b></p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)(綜合實(shí)驗(yàn))的目的與要求</p><p>　　正文為宋體，五號(hào)字 行間距為21 </p><p>　　------------</p><p>　　------------</p><p>　　二、設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）正文</p><p>　　正

34、文為宋體，五號(hào)字 行間距為21 </p><p>　　------------</p><p>　　------------</p><p>　　三、課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）總結(jié)或結(jié)論</p><p>　　正文為宋體，五號(hào)字 行間距為21 </p><p>　　------------</p><