多路彩灯实验报告

西安邮电学院数字逻辑设计报告书——多路彩灯控制器学院名称：计算机学院学生姓名：专业名称：计算机科学与技术班级：实习时间：2011年12月19日——2011年12月30日课程设计题目及目的(1)题目：多路彩灯控制器(2)试验目的：1．进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。2．熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。3．了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。4．培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。5．数点课程实验是大学中为我们提供的唯一一次动手实践的机会，增强动手实践的能力。二、任务和要求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。彩灯控制器是以高低电平来控制彩灯的亮灭。实现彩灯控制可以采用EPROM编程、RAM编程、可编程逻辑器件、单片机等实现。在彩灯路数较少，花型变换比较简时，也可用移位寄存器实现。在实际应用场合彩灯可能是功率较大的发光器件，需要加以一定的驱动电路。本课题用发光二极管LED模拟彩灯，可以不用驱动。现要求设计一个8路移存型彩灯控制器，彩灯用发光二极管LED模拟，具体要求如下：1.能演示三种花型，花型自拟。2.选做：彩灯明暗变换节拍为1.0s和0.5s，两种节拍交替运行。三总体方案的选择根据题目的任务、要求和性能指标，经过分析与思考，得出以下方案：整体电路分为四个模块：第一个模块实现节拍的发生；第二个模块实现快慢两种节拍的控制；第三个模块实现花型的控制；第四个模块实现花型的显示。主体框图如下：节拍发生节拍发生电路节拍控制电路花型控制电路花型显示电路在本方案中，各单元电路只实现一种功能。其优点在于：电路设计模块化且各模块功能明确，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试带来方便。缺点是：由于设计思想比较简单，元件种类使用少，花型复杂一些就会导致中间单元电路连线过多而易出错。四单元电路的设计1.设计所使用的元件及工具：74LS161（四位二进制同步计数器）----------------------2个；74LS194（双向移位寄存器）------------------------------2个；74LS151（八选一数据选择器）---------------------------1个；74LS74（双上升沿D触发器）----------------------------------1个；74LS00（四—二输入与非门）----------------------------3个；74LS04（六—非门）------------------------------------1个；发光二极管---------------------------------------------8个；555-----------------------------------------------1个；电容：4.7μf----------------------------------------------1个；0．01μf---------------------------------------------1个；电阻：150kΩ------------------------------------------------------------1个；4.7kΩ-----------------------------------------1个；100Ω----------------------------------------------4个；面包板一个；万用表一个；钳子一个；导线若干。2.各个单元电路的具体实现1）节拍部分（1）节拍发生电路考虑到节拍是整个电路功能实现的基础及其他模块进行调试的必需条件，故首先实现节拍发生模块。0.5s节拍选用由555及相关器件构成的多谐振荡器电路实现。由于输出波形中低电平的持续时间，即电容放电时间为低电平的持续时间，即电容放电时间为因此电路输出矩形脉冲的周期为输出矩形脉冲的占空比为当时，占空比近似为50%。故综合考虑，电容取：4.7μf0.01μf电阻取：=150kΩ4.7kΩ电路图如下： VoVoVo（2）节拍控制电路VoVo由于（1）中已实现0.5s节拍，故使用74LS74（双上升沿触发器）将其二分频产生1.0s节拍。再通过控制74LS151（八选一数据选择器）的A为0或1选择Y端输出的脉冲的频率来控制这两种接拍的交替输出。因此该模块由一片74LS151和一片74LS74级联实现。整体上实现脉冲频率的变换，即交替产生快慢节拍。VoCP令74LS74的Vcc，CLR，PR都接高电平，将^Q的输出接到D端，Q端的输出接到74LS151的D1端。令74LS151的D0,D2,D3,D4,D5,D6,D7,B,C,^G,GND接低电平，Vcc接高电平，D0接0.5s节拍信号即555的输出Vo，A端接由花型控制电路的CF输出（这一端子的输入需结合后续模块决定）。CP由此实现了0.5s和1.0s快慢两种节拍的控制。电路图如右：2）花型部分首先设计花型如下：花型1：整体分为两部分从第1路和第5从左至右渐亮，全亮后，再分两半从左至右渐灭。循环两次；花型2：从中间两路开始，同时向两边依次渐亮，全亮后再由中间到两边依次渐灭。花型3：从左至右顺次渐亮。全亮后逆序渐灭。循环两次。花型的实现由2片74LS194来实现，状态转移图如下（设两片74LS194的输出依次为Q1~Q8）:花型一：1110111011101110000000001100110000001000100000111111111000100011101110000011001100花型二：11101110111011100000000011001100000010001000001111111110001000111011100000110011000011110001111110111011100000000110001000100011111111000110000011110000000000000001111110花型三：0011110001111110111011100000000110001000100011111111000110000011110000000000000001111110111000000111000000000000001100000000000100000000111100001111111011111000000011111100111110001111111100000000111111001100110000001111111010001000001111000011111111100000001110000011000000（1）花型显示电路每个花型完整显示一遍，所以三种花型完全显示一遍需要的总结拍数为32，即1~8显示第一个花型，8~16显示第二个花型，17~32显示第三个花型。要用194实现三个花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR一句节拍的变化进行相应的改变。现将两片194分为低位片1和高位片2，再将其输出端从低位到高位记为Q1~Q8。列出各花型和其对应的194的S1、S0、SL、SR的输入信号及节拍控制信号列表如下：(用^Qi表示Qi的取非)低位片高位片节拍控制信号花型SLSRS1S0SLSRS1S0CH~CA1X^Q401XQ801000000002^Q1X10X^Q801000010003X^Q801XQ40100010000Q5X10^Q1X1000010100经过分析可以得到控制194高低位片的左移右移变化的控制量。用CA~CH表示161从低位到高位的个输出端。控制结果表达式如下：194低位片194高位片SL=^Q1·^CE+Q5·CESL=^Q1SR=^Q4·^CE+^Q8·CESR=^Q8·^CE+Q4·CES1=^CDS1=CD·CE（2）花型控制电路将二片161级联成为模64（三种花型在两种节拍下各显示一遍）的计数器。161的级联用的是同步，并用^CG清零。由于花型控制模块和显示模块之间的连线较为复杂，故在一个图中显示，如下：CPCP五、总体电路图六、电路组装完成后，实际测量的各个单元电路的输入、输出信号波形1．基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图2.测试波形:(列依次为CP脉冲,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D)花型一：花型二：花型三：七、电路组装、调试过程中发生的问题及解决的方法。实验的每一天都有所收获，都有所进步。我花了很久的时间来设计电路：首先再次熟悉相关器件的功能、用法，又参照了一些书籍、材料，然后一步步地走，一点点地完善，最终完成属于自己的第一阶段成果。在连线时，因为对原理及连线都很熟悉，所以连线阶段并没有花费过多的时间。但是加电后LED二极管亮的没有一点规律，检查原理图没什么问题，我只能一条导线一条导线地标记，一个端子一个端子地排查，最后发现是两个与非门间的连线弄错了。其实在电路组装过程中，遇到的最大问题是，芯片分布不够合理，无法很好的布线。于是在分析了我的设计后计算了要用芯片的个数和个芯片之间的关系，按照各个控制电路的走向较合理的插好了芯片。其次就是布线，因为要求不准交叉，且横平竖直，所以在保证连通的情况下，在布线上也下了不少工夫，我用心考虑，尽力做到我认为很合理的布线。八、分析和总结。这次课程设计对于我来说收获很大。通过本次实验，我认识到了实践的重要，也提高了我的实际动手能力。我们要学会把理论联系实际，而这次课程设计就是一个很好的机会，不仅能提高我们的理论知识，而且也培养了我们的实际动手能力。尽管在中间遇到很多问题，我的设计最后在老师的检查下发现了自己存在的问题，是因为自己想的太简单，没有认真思考。但是经过老师的指导和同学的帮助，使得这次实验能顺利完成，而且在讨论中我们也学到了很多知识，而且也对也前的知识做了一个很好的回顾。在这次实验中，我体会到在进行一个综合性的硬件设计时，要全面考虑问题，比如想用其他信号来控制一个信号，就要考虑到和这个信号直接或间接关系的信号，必须是最重要相关的信号，然后用真值表来解决他们的关系，通过门电路来实现。下来就是在实际动手连接电路时的问题，由于种种客观方面的原因，导致理想和现实相差太远，输入电路不可以悬空，悬空并不是高电平，芯片上有接电源和接地的悬空是高电平，但这个高电平并不是，有时候它不是怎么高，这样地话，就会对后面地时序电路产生影响在通过这两个礼拜的设计实习，让我真正理解了书本上知识，也让我知道我们课本上的知识在实际中怎么应用，理论联系实践，相互关系。通过此次设计，我对理论知识的学习有了很大的兴趣，现在我可以主动的去学习，我明白自己该学习那个方面，重点是什么。我也掌握的了在理论中遇到问题，应该怎样去解决，在实际中遇到迷团应该怎样去检查调试。最后，我非常感谢每天一直在实验室指到我们的老师。因为是他们使我在这次设计中受益非浅。九、参考文献。《数字电路逻辑设计》高等教育出版社王毓银编西安邮电学院数字逻辑设计成绩鉴定表学生姓名石杰班级/学号计科0906承担任务实验室（单位）电路与电子技术基础教学部所在部门电子工程学院实施时间2011年12月19日——2011年12月30日具体内容第一周讲授数字电路的设计方法及需要注意的问题；选定题目，并设计电路，完成电路设计；电路仿真；领取元器件，开始组装