彩灯控制器课程设计移位寄存器型彩灯控制器课程设计

1、彩灯控制器课程设计 移位寄存器型彩灯控制器课程设计课程设计 （综合实验 ）报告 （ 2011 - 2012 年度第 1 学 期 ） 名 称： 数电实验设计 题 院 系：电气与电子工程学院 班 级： 电气 0911 学 号：学生姓名： 指导教师： 董宏伟 设 计周数： 1 成 绩： 日期： 2011 年 1 月 摘要 循环彩灯的电路很多，循环方式更是五花八门，而且 有专门的可编程彩灯集成电路。 绝大多数的彩灯控制电路都 是用数字电路来实现的，例如，用中规模集成电路实现的彩 灯控制电路主要用计数器，译码器，分配器和移位寄存器等 集成。本次设计的双色循环彩灯控制器就是用计 电子科技大学 毕 业 设

2、计 论 文 题目学生姓名： 李 元 学生学号： 1102010313 专业方向： 电子信息工程技术 指 导教师： 程 瑶 指导单业： 电子与通信系 2013 年 10 月 20 日 电子科大毕业设计说明书 摘 要 本文介绍了一种简 易 L课程设计 （ 综合实验 ）报告（ 2011 - 2012 年度第 1 学期 ）名 称： 数电实验设计 题 院 系： 电气与电子工程学院 班 级： 电气 0911 学 号 ： 学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 ： 董 宏 伟 设计周数： 1成 绩：日期： 2011 年 1 月 5日一、课程设计 （综合实验 ）的目的与要求1.目的1.1 综合实验是教学中必不可少

3、的重要环节，通过综合实验 巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能，提高 综合运用知识的能力，逐步增强实际工程训练。1.2 注重培养学生正确的设计思想，掌握综合实验的主要内 容、步骤和方法。1.3 培养学生获取信息和综合处理信息的能力、文字和语言 表达能力以及协作工作能力。 1.4 提高学生运用所学的理论2知识和技能解决实际问题的能力及其基本工程素质。2.要求2.1 能够根据设计任务和指标要求，综合运用电子技术课程 中所学到的理论知识与实践技能独立完成一个设计课题。2.2 根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文 献资料。要求通过独立思考、深入钻研综合实验中所遇到的 问题，培养自

4、己分析、解决问题的能力。2.3 进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，掌握合理选用 的原则。2.4 学会电子电路的安装与调试技能，掌握常用仪器设备的 正确使用方法。利用 “观察、判断、实验、再判断 ”的基本方 法，解决实验中出现的问题。 2.5 学会撰写综合实验总 结报告。2.6 通过综合实验，逐步形成严肃认真、一丝不苟、实事求 是的工作作风和科学态度，培养学生树立一定的生产观点、 经济观点和全局观点。要求学生在设计过程中，坚持勤俭节 约的原则，从现有条件出发，力争少损坏元件。2.7 在综合实验过程中，要做到爱护公物、遵守纪律、团结 协作、注意安全。二、设计（实验）正文课题一 移位寄存器型彩灯控

5、制器 彩灯控制器可以自动控制多路彩灯按不同的节拍循环显示各种灯光变换花型，它广泛用于大型灯会、舞台灯光控制、 体育馆灯光控制以及节假日灯光装饰中。 实现彩灯控制的方 法很多，如用 EPROM 编程、单片机、纯硬件电路等。当彩 灯路数较少且花型变换较为简单时， 可采用移位寄存器进行 控制。1. 设计的题目及要求1.1.要求采用移位寄存器设计一个彩灯控制器。1.2 要求以按一定规律改变彩灯的输入电平值，控制彩灯的 亮与灭，按预定规律显示一定的花型。所要求的花型如下： 花型 1： 8 路彩灯从左至右顺次渐亮，全亮后逆序渐灭；循 环两次。花型 2： 8 路彩灯从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后仍 由中

6、间到两边逐次渐灭；循环两次。花型 3：8 路彩灯分两半，从左至右顺次渐亮，全亮后则灭， 循环三次。表 1. 花型真值表如下：表 2. 彩灯控制器一次总循环的状态列表时钟周期的序号 初始状态1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2425 26 27 28 29 30 31 3200000000 10000000 11000000 11100000 11110000 11111000 11111100 11111110 11111111 11111110 11111100 11111000 11110000 1110

7、0000 11000000 10000000 00000000 10000000 11000000 11100000 11110000 11111000 11111100 11111110 11111111 11111110 11111100 11111000 11110000 11100000 11000000 10000000 00000000 状态 Qh Qg QfQe Qd Qc Qb Qa 时钟周期的序号 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62

8、63 64 00011000 00111100 01111110 11111111 11100111 11000011 10000001 00000000 00011000 00111100 01111110 11111111 11100111 11000011 10000001 00000000 10001000 11001100 11101110 11111111 00000000 10001000 11001100 11101110 11111111 00000000 10001000 11001100 11101110 11111111 00000000 00000000 状态 Qh

9、Qg QfQe Qd Qc Qb Qa 当然三种花型也可以与上述相反，即： 花型 1： 8 路彩灯从右至左顺次渐亮，全亮后逆序渐灭；循 环两次。花型 2： 8 路彩灯从两边到中间对称地逐次渐亮，全亮后仍 由两边到中间逐次渐灭；循环两次。花型 3： 8 路彩灯分两半，从右至左顺次渐亮，全亮后则灭，循环三次。1.3 三种花型先以慢节拍显示一遍，再以快节拍显示一遍， 构成一次大循环，然后重复。当然也可以相反。2. 设计思路及过程。2.1 原理框图 彩灯控制器以某种节拍按一定规律改变彩灯的输入电平值， 控制彩灯的亮与灭，按预定规律显示一定的花型。因此彩灯 控制器需要一个能够按一定规律输出不同高低电平编

10、码信 号的编码发生器， 同时还需要编码发生器所要求的时序信号 和控制信号。 由于实际应用场合所带彩灯可能是功率较大的 白炽灯或其它，因此还需要一定的驱动电路，实验中因采用 发光二极管或指示灯，故可省略驱动电路。彩灯控制器的原 理框图如图 3.1.1 所示。图 1 彩灯控制器原理框图2.2 设计思路 2.2.1 节拍控制电路 三种花型循环一次需要 16*2+8*2+5*3=63 个节拍， 再加上清 “ 0一”拍，共 64 拍。三种花型若先以慢节拍显示一遍，再以 快节拍显示一遍，这样构成一次大循环共需 128 节拍。如图 3.1.2 所示。图 2 快慢节拍的时钟电路框图CPL （慢）的 1-32

11、节拍显示花型 1，其中 1-8 节拍移位寄存 器右移 8 位， 9-16 节拍移位寄存器左移 8 位， 17-32 节拍重 复 1-16 节拍内容。 CPL （慢）的 33-48 节拍显示花型 2 ，其 中 33-40 节拍移位寄存器 1 的 49-63 节拍显示花型 3 ，其中 49-53 左移，移位寄存器 2 右移， 41-48 节拍重复 33-40 节拍 内容。 CP（L 慢）。CPH 节拍 2 个移位寄存器右移， 54-58、 59-63 节拍重复 49-53 节拍内容。 CPL （慢）的 64 节拍总清 “ 0（”快）的 64 节拍与慢节拍显示相同。因此，节拍控制电 路需要产生 8、

12、16、 32、64、 128 拍的节拍控制信号。节拍 控制信号电路框图 3.1.1，节拍控制信号时序图 3.1.4。图 3 节拍控制信号电路框图图 4 节拍控制信号时序图CP7=0 时，移位脉冲 CP 为慢节拍 CPL ；CP7=1 时，CP 为 快节拍 CPH 。所以能够选择快慢节拍的移位脉冲CP 的表达式为： CP=CP7.CPL+CP7.CPH ， CP7 的周期为 128 节拍。 2.2.2 编码发生器表 3. 通用移位寄存器 74LS194 的功能表如下： 要实现上述花型显示，关键是移位寄存器的功能控制端S0、S1 和左移 SL、右移 SR 的信号电平如何组织。2.2.3 清零电路清

13、零电路如图 1.5 所示。清零电路的功能如下： a）系统总清 零，用启动开关 S 控制。 b） 花型 3 每 5 拍清零一次， Cr=QE.QH 。c）三种花型运行一遍即第 64 拍总清零一次，可用对周期为64 拍的 CP6 微分得到的负脉冲实现。图 5 清零控制电路3. 设计报告要求（设计报告格式见附录 1）3.1 目的与要求：根据任务书进行填写。3.2 正 文：简单叙述设计过程（包括原理、方案） ；画 出完整的电路原理图，并简 述各部分的功能。3.3 总结与结论：写出设计和调试过程中出现的问题及解决 方法；简述心得体会。4.实验设计过程4.1 明确设计要求。设彩灯控制器输出为 1 时可以点

14、亮彩 灯，为 0 时不能点亮，根据原题要求列出彩灯一次总循环的 状态列表。考虑到 74X194 能左移、右移、清零或并行置数， 可满足题目的要求，两片 74X194 共有 8 个输出信号，分别 控制 8 路彩灯。由于一次花型循环实为 63 拍，再加一拍清 零共 64 拍，此外，设计还要求慢节拍和快节拍各循环一次， 所以总共需要 128 拍。对彩灯的控制信号来说，需要的状态 数实为 64 个。当一次循环完成后，需要一个信号改变所选 的时钟的频率。 4.2 由以上的分析， 可将电路分为三部分：图 6. 设计电路分块4.3 下面分别设计这三部分电路：4.3.1 节拍产生电路： 这部分电路其实要完成两

15、个功能。 一是 64 个状态的产生，二是时钟频率的选择。方案:七位二进制计数器 +二选一数据选择器。 128 节拍产生及快慢分频控制器 的设计：一个时钟信号产生电路，其框图如图 10-23 所示， 能通过由 Q6（第七位二进制数） 、D 触发器和门电路构成的 二选一数据选择器选择输出某频率的时钟信号或它的二分 频信号，并将信号传递给拍产生器和移位寄存器，以此来实 现彩灯快、慢共 128 节拍的控制。 Q5Q4Q3Q2Q1Q0 从 000000111111循环变化，产生 64 个不同的状态， Q6 用于 选择时钟的频率。即 64 拍之后，时钟的频率改变。电路图 如下：图 7. 节拍产生电路 图.

16、8 节拍电路频率的校验由上图检验电路显示，当时 100hz 的振荡器工作时，第一片 D 触发器的高电平周期是 10ms，结果正确。图.9 节拍电路频率的校验 由上图检验电路显示，当时 片 D 触发器的高电平周期是1000hz 的振荡器工作时，第一1ms，结果正确。图.10 节拍电路频率的校验由上图检验电路显示，当时 1000hz 的振荡器工作时，第六 片 D 触发器的高电平周期是 32ms，结果正确。图.11 节拍电路频率的校验由上图检验电路显示，当时 100hz 的振荡器工作时，第六片D 触发器的高电平周期是 320ms，结果正确。4.3.2 控制信号产生电路。用产生的状态经过一定的逻辑运

17、算后控制 74X194 的 S0、 S1、SR、SL 即可得到所需要的花 型。要想设计控制电路，不得不看我们所需要的花型结果。 题目中要求采用移位寄存器按照一定的节拍， 一定的规律改 变彩灯的输入电平值，来控制彩灯的亮与灭，使其显示不同 的花型，首先对彩灯的状态进行约定， Q0、Q1、 Q2、 Q3、 Q4、Q5、Q6 、Q7 来表示彩灯的状态，其中 “1表”示相应的 彩灯发光， “0”表示相应的彩灯熄灭，根据上面的设计要求 列出彩灯状态一次循环的真值表如下：10上表中用带双箭头的直线将每种花型下的 8 个彩灯的状态分 成两组，每组包含 4 个彩灯。由于每个移位寄存器只能存储 4 个状态，所以

18、从上表中可以明显看出本设计题目只需要两 个移位寄存器，即可满足题目的要求。 要实现上述花型显示，关键是移位寄存器的功能控制端S0、S1 和左移 SL、右移 SR 的信号电平如何组织。 通过上面有关控制器部分的论述， 将 7 位二进制数的输出变 量 Q0、Q1、 Q2、 Q3、 Q4、Q5、Q6 作为组合逻辑电路的 输入，而寄存器的 S0、S1、SL、SR、Choose 作为组合逻辑 电路的输出，这样就实现了控制器对移位寄存器的控制。表 4 为控制器的慢节拍或快节拍的 64 个状态与 74LS194 的控 制信号的对应关系： 表 6 控制器的状态与 74LS194 芯片的控制信号对应关系 节拍

19、14 58 912 1316 1720 2124 2528 2932 33 36 000000000011 000100 000111 001000 001011 001100 001111 010000 010011 010100 010111 011000 011011 011100 011111 100000 100011 移位寄存器移位寄存器 74LS194（2） 74LS194（ 1） 左移， 左移， 右移， 右移， 左移， 左移， 右移， 右移， 右 移， 右移， 右移， 右移， 左移， 清零 左移， 清零 左 移， 清零11 左移， 左移， 右移， 右移， 左移， 左移， 右移，

20、 右 移， 左移， 左移， 左移， 左移， 左移， 清零 左移， 清 零 左移， 清零片 1 控制移动的信号 S1(1)=1 S2(1)=0 S1(1)=1 S2(1)=0 S1(1)=0 S2(1)=1 S1(1)=0 S2(1)=1 S1(1)=1 S2(1)=0 S1(1)=1 S2(1)=0 S1(1)=0 S2(1)=1 S1(1)=0 S2(1)=1 S1(1)=0 S2(1)=1 S1(1)=0 S2(1)=1 S1(1)=0 S2(1)=1 S1(1)=0 S2(1)=1 S1(1)=1 S2(1)=0 CR(1)=0 S1(1)=1 S2(1)=0 CR(1)=0 S1(1)

21、=1 S2(1)=0 CR(1)=0片 2 控制移动的信号 S1(2)=1 S2(2)=0 S1(2)=1 S2(2)=0 S1(2)=0 S2(2)=1 S1(2)=0 S2(2)=1 S1(2)=1 S2(2)=0 S1(2)=1 S2(2)=0 S1(2)=0 S2(2)=1 S1(2)=0 S2(2)=1 S1(2)=1 S2(2)=0 S1(2)=1 S2(2)=0 S1(2)=1 S2(2)=0 S1(2)=1 S2(2)=0 S1(2)=1 S2(2)=0 CR(2)=0 S1(2)=1 S2(2)=0 CR(2)=0 S1(2)=1 S2(2)=0 CR(2)=037 40 1

22、00100 100111 41 44 101000101011 45 48 101100101111 49 52 110000110011 53110100 54 57 11010112111000 5811100159 62 111010111101 63 64 111110111111对于 6 变量的卡诺图，每个变量的化简的图都较复杂，现以S0(2)为例画卡诺图进行化简，其他各变量的表达式求法类 似，这里不再一一画出。000001 11 1000 01 11 1000 0 1 0 001 0 0 0 011 00 1 010 0 0 1 000 01 11 10 00 1 1 1 1130

23、1 1 1 1 111 1 1 1 1101 1 1 100 01 11 1000 0 0 1 101 0 0 1 111 0 0 1 110 0 0 1 10 0 1 101 0 0 1 111 0 0 1 110 0 0 1 1Q5Q4=00Q5Q4=01Q5Q4=11Q5Q4=10表 7. 卡诺图化简14由上面的卡诺图可得S0(2)=Q5Q3+Q5Q4+Q3Q2Q1Q0+Q3Q2Q1+Q5Q3Q2Q1Q0同理可以得到其他控制变量的表达式如下： S1(2)=Q5Q3 +Q5Q4S0(2)=Q5Q3+Q5Q4+Q3Q2Q1Q0+Q3Q2Q1+Q5Q3Q2Q1Q0SL(2)=1 SR(2)=Q

24、2 S1(1)=Q3+Q5S0(1)=Q5Q3+Q5Q4Q3Q2Q1Q0+Q4QQ2Q1Q0+Q4Q3Q2Q1315SL(1)=Q5Q2+Q5Q4+Q5Q2 SR(1)=0 根据上面的各量的表达式画出组合逻辑电路图， 再将时钟信 号和 7 位二进制计数器电路加入， 即完成整个彩灯控制电路的设计，最后在计算机上调试。图 12. 控制电路用逻辑门来实现4.3.3 花型产生电路：用两片 74X194 的八路输出分别控制八个彩灯即可。电路图如下图 13. 花型产生电路4.3.4 将上述三个部分结合起来，即可得到完整的电路图：图 14. 完整电路三、课程设计(综合实验)总结或结论 本次试验让我对数电知识有了更进一步的认识,让我知道如何在实际生活中运用学过的知识。其实，在刚开始我并不像 选择此题， 我觉得很难。 但是队友的一句话让我打起了精神，16 他说可以将学会的彩灯控制技术用于表白。