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1、数字电路逻辑设计课程设计设计题目： 专业班级： 姓 名：学 号： 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 、 、 、 ，若“1”表示灯亮，dQ
2、cba“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 四路彩灯输出显示输 出说 明dQcba所用时间开机初态 0 0 0 0 第一节拍逐次渐亮1 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 11s1s1s1s第二节拍逆序渐灭1 1 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 01s1s1s1s第三节拍同时亮 0.5s，然后同时灭 0.5s，进行四次1 1 1 10 0 0 01 1 1 1 0 0 0 01 1 1 10 0 0 01 1 1 1 0 0 0 00.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s由上表可知，需要一个分频
3、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 有效时间应为 4 秒， 结束 马上开始，012Y0Y1后 马上开始，如此循环不断。为此可考虑
4、采用移位寄存器构成的移位型控制1Y2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 节拍应为 100，可控制输入信012Y号使触发器置位、复位来实现。 为实现 功能要求器件具有右移功能，为实现 功能要求器件有左移功能；0Y1而且左、右移输入可为“0”也可为“1” ；为实现 功能，要求器件同时具有并2Y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 、 、
5、 、AQBC，右移输入端 SR，左移输入端 SL 和模式控制输入端 ， 以及一个无条件DQ 0S1直接清除端 CLR。模式控制输入 ， 有 00、01、10、11 四种组合方式，分别0S1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 =100 时， =01（右移） ， =010 时， =10（左移） ，当012Y01S012Y01S=001 时 =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 的状态被确01定下来，即 =100 时， =01 右移串行数据输入端 SR 经脉冲信号经四012Y01S分频电路和 通过两或门组成的节拍电
6、路，使四路彩灯从右到左依次亮共 4 秒 ，当 =010 =10 左移串行数据输入端 SL 经脉冲信号经四分频电路和 01201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， =001 012Y =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01S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
7、 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
8、 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 ；741940123Q的输出为 ；四路彩灯的输出为 。74194 的工作方式控制端ABCDQabcdQ， 。在第一节拍中， ，74194 实现右移功能，132M03210M即在时钟脉冲作用下，把 逐次移进；在第二节拍中， ，741941SR 10实现左移功能，即在时钟脉冲作用下，把 逐次反方向移进。由于前两个节SRD拍中 ，门 G 关闭，输出为 0，因此四路彩灯的输出 。30Q abcdABCDQQ在第三节拍中， ，74194 仍然左移， 一直保持为 0000。此10MABCD时 ，门 G 打开
9、，时钟脉冲 CP 同时加到四个输出端 ，由于 CP 是3 abcd1Hz 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 实abcdQ现同时亮 0.5s、同时灭 0.5s，在 4s 内共进行 4 次。第三节拍结束后返回第一节拍，如此反复，实现四路彩灯循环显示。表 2 四路彩灯工作过程74161 74194 彩灯输出说明秒脉冲 3Q210 1M0 AQBCD aQbcd第一节拍0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 1 0 10 10 10 11 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 11 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 1第二节拍
10、0 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 01 01 01 01 1 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 01 1 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 0第三节拍1 0 0 0 1 0 0 11 0 1 01 0 1 11 01 01 01 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 01Hz 时钟 CP注：时钟由第三节拍的 1011 返回到第一节拍的 0000 循环进行5. 四路彩灯系统程序表说明 输出AQBCD时间开机状态 0 0 0 00Y1 1 1 1 4s10 0 0 0 4s2Y1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 00 0 0
11、 04s6. 设计说明利用 74LS02N 节拍控制器、74LS74D 组成的四分频电路，74LS194D 左右双向移位。下面是它们的引脚图：7. 所需器件74LS74D 5 个、74LS194D 1 个、74LS02N 2 个、74LS05N 2 个、开关 1个、时钟源 10000 HZ 5V 1 个、5V 电压源 1 个、探灯 4 个、导线若干条。8. EDA 仿真电路图通过 EDA 仿真，该电路可以实现实验要求的四路彩灯显示系统及其循环。9. 设计实现功能系统启动后按开关两次, 自动从初始状态按照规定程序完成 3 个节拍的循环演示。第一节拍：四路彩灯从左向右逐次渐亮。第二节拍：四路彩灯从
12、右向左逐次渐灭。第三节拍：四路彩灯同时亮,然后同时变暗。10. 实际电路的连接和调试按照仿真的电路图和上面芯片的引脚图在面包板上连好线路，经检查无误后，接通电源可看到四个二极管都亮，拔动开关，调好脉冲，观察二极管的变化，可以看到电路和仿真的一样。11. 设计应用该设计制作成饰灯,增加彩灯的数量可现实所需要的图形输出，作闪烁灯光使用可应用于商业广告或者霓虹灯和家居装饰品。12. 参考文献白静.数字电路与逻辑设计 西安电子科技大学出版社，2009.13. 经验总结通过本学期对数字电路逻辑设计一书的学习，课程结束后完成了本次课程设计。在此次课程设计实验中，通过查找资料和网上搜索相关资料，我学会了寄存器的使用方法， 熟悉了寄存器的一般应用，基本掌握了数字系统设计和调试的方法。在这个数字电路中我们可以观测到，当输入“12”个脉冲以后，输出数据回到起始值，12 个脉冲构成一组循环，因此，可以把该电路作为一个“12”进制的计数器。通过本课程设计我基本掌握了数字系统的仿真与设计方法。使我认识到在实际电路的连接时，要注意每一个引脚的接法，在选双开关时，面板上没有，要引线接双开关。通过脉冲的调节可观察二极管的变化。由于实物的连接和电路仿真软件有差别，要经过多次调试才能实现其功能的演示。通过本次课程设计的学习，更加熟悉电路仿真软件的应用和实现电路的仿真，是一次难得的学习机会。
