數(shù)電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)(綜合實(shí)驗(yàn))報(bào)告移位寄存器型彩燈控制器

1、 課程設(shè)計(jì)(綜合實(shí)驗(yàn))報(bào)告( 2011 - 2012 年度第 1 學(xué)期)名 稱： 數(shù)電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 題 目：移位寄存器型彩燈控制器院 系：電氣與電子工程學(xué)院 班 級(jí)： 電氣0911 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)周數(shù)： 1 成 績： 日期：2011 年 1 月 5 日 課程 課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)告一、課程設(shè)計(jì)(綜合實(shí)驗(yàn))的目的與要求1.目的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。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。1.3培養(yǎng)學(xué)生獲取信息和綜合處理信

2、息的能力、文字和語言表達(dá)能力以及協(xié)作工作能力。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)際問題的能力及其基本工程素質(zhì)。2.要求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。 2.2根據(jù)課題需要選擇參考書籍，查閱手冊(cè)、圖表等有關(guān)文獻(xiàn)資料。要求通過獨(dú)立思考、深入鉆研綜合實(shí)驗(yàn)中所遇到的問題，培養(yǎng)自己分析、解決問題的能力。 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。 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)的問題。 2.5學(xué)會(huì)撰寫綜合實(shí)

3、驗(yàn)總結(jié)報(bào)告。 2.6通過綜合實(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。 2.7在綜合實(shí)驗(yàn)過程中，要做到愛護(hù)公物、遵守紀(jì)律、團(tuán)結(jié)協(xié)作、注意安全。二、設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）正文課題一 移位寄存器型彩燈控制器 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

4、制。1.設(shè)計(jì)的題目及要求1.1.要求采用移位寄存器設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈控制器。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：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。 花型2：8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?；ㄐ?：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。 表1.花型真值表如下： 節(jié)拍 編碼 qa qb qc qd qe qf qg qh 順序 花型1 花型2 花型3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

5、 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 2 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 3 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 4 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 6 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 7 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0

6、 1 8 1 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 1 0 10 1 1 1 1 1 1 0 0 11 1 1 1 1 1 0 0 0 12 1 1 1 1 0 0 0 0 13 1 1 1 0 0 0 0 0 14 1 1 0 0 0 0 0 0 15 1 0 0 0 0 0 0 0 表2.彩燈控制器一次總循環(huán)的狀態(tài)列表時(shí)鐘周期的序號(hào)狀態(tài)qh qg qfqe qd qc qb qa時(shí)鐘周期的序號(hào)狀態(tài)qh qg qfqe qd qc qb qa初始狀態(tài)000000003300011000110000000340011110021100000035011111103111000

7、00361111111141111000037111001115111110003811000011611111100391000000171111111040000000008111111114100011000 911111110420011110010111111004301111110111111100044111111111211110000451110011113111000004611000011141100000047100000011510000000480000000016000000004910001000171000000050110011001811000000511

8、1101110191110000052111111112011110000530000000021111110005410001000221111110055110011002311111110561110111024111111115711111111251111111058000000002611111100591000100027111110006011001100281111000061111011102911100000621111111130110000006300000000311000000064000000003200000000 當(dāng)然三種花型也可以與上述相反，即： 花型1：

9、8路彩燈從右至左順次漸亮，全亮后逆序漸滅；循環(huán)兩次。 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。 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。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)，然后重復(fù)。當(dāng)然也可以相反。2.設(shè)計(jì)思路及過程。2.1原理框圖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

10、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。圖1 彩燈控制器原理框圖2.2設(shè)計(jì)思路 2.2.1節(jié)拍控制電路 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。圖2 快慢節(jié)拍的時(shí)鐘電路框圖 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，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33-4

11、0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。圖3 節(jié)拍控制信號(hào)電路框圖圖4 節(jié)拍控制信號(hào)時(shí)序圖 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

12、周期為128節(jié)拍。 2.2.2編碼發(fā)生器 表3.通用移位寄存器74ls194的功能表如下：功 能0異步清0100保持101右移110左移111預(yù)置要實(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。2.2.3 清零電路清零電路如圖1.5所示。清零電路的功能如下：a)系統(tǒng)總清零，用啟動(dòng)開關(guān)s控制。b)花型3每5拍清零一次，。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)。圖5 清零控制電路 3.設(shè)計(jì)報(bào)告要求（設(shè)計(jì)報(bào)告格式見附錄1） 3.1 目的與要求：根據(jù)任務(wù)書進(jìn)行填寫。 3.2 正 文：簡(jiǎn)單敘述設(shè)計(jì)過程（包

13、括原理、方案）；畫出完整的電路原理圖，并簡(jiǎn)述各部分的功能。 3.3 總結(jié)與結(jié)論：寫出設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及解決方法；簡(jiǎn)述心得體會(huì)。 4.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程 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)來說，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

14、。 4.2 由以上的分析，可將電路分為三部分：節(jié)拍產(chǎn)生電路控制信號(hào)產(chǎn)生電路花型產(chǎn)生電路圖6.設(shè)計(jì)電路分塊 4.3 下面分別設(shè)計(jì)這三部分電路： 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，以此來實(shí)現(xiàn)彩燈快、慢共128節(jié)拍的控制。q5q4q3q2q1q0從0000001111

15、11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：圖7.節(jié)拍產(chǎn)生電路圖.8節(jié)拍電路頻率的校驗(yàn)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)器的高電平周期是10ms，結(jié)果正確。圖.9節(jié)拍電路頻率的校驗(yàn)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。圖.10節(jié)拍電路頻率的校驗(yàn)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32ms，結(jié)果正確。圖.11節(jié)拍電路頻率的校驗(yàn)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320

16、ms，結(jié)果正確。 4.3.2 控制信號(hào)產(chǎn)生電路。用產(chǎn)生的狀態(tài)經(jīng)過一定的邏輯運(yùn)算后控制74x194的s0、s1、sr、sl即可得到所需要的花型。 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。 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：表4 彩燈一次循環(huán)的狀態(tài)真值表 節(jié)拍 編碼 q0 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 順序

17、 花型1 花型2 花型3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 2 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 3 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 4 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 6 1

18、 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 7 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 8 1 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 1 0 10 1 1 1 1 1 1 0 0 11 1 1 1 1 1 0 0 0 12 1 1 1 1 0 0 0 0 13 1 1 1 0 0 0 0 0 14 1 1 0 0 0 0 0 0 15 1 0 0 0 0 0 0 0 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，

19、即可滿足題目的要求。表5.74ls194的功能表功 能0異步清0100保持101右移110左移111預(yù)置 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。 通過上面有關(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：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)系節(jié)拍移位寄存器74ls194（2）

20、移位寄存器74ls194（1）片1控制移動(dòng)的信號(hào)片2控制移動(dòng)的信號(hào)14000000000011左移，左移，s1(1)=1s2(1)=0s1(2)=1s2(2)=058000100 000111左移，左移，s1(1)=1s2(1)=0s1(2)=1s2(2)=0912001000 001011右移，右移，s1(1)=0s2(1)=1s1(2)=0s2(2)=11316001100 001111右移，右移，s1(1)=0s2(1)=1s1(2)=0s2(2)=11720010000 010011左移，左移，s1(1)=1s2(1)=0s1(2)=1s2(2)=02124010100 010111左

21、移，左移，s1(1)=1s2(1)=0s1(2)=1s2(2)=02528011000 011011右移，右移，s1(1)=0s2(1)=1s1(2)=0s2(2)=12932011100 011111右移，右移，s1(1)=0s2(1)=1s1(2)=0s2(2)=133 36100000 100011右移，左移，s1(1)=0s2(1)=1s1(2)=1s2(2)=037 40100100 100111右移，左移，s1(1)=0s2(1)=1s1(2)=1s2(2)=041 44101000 101011右移，左移，s1(1)=0s2(1)=1s1(2)=1s2(2)=045 481011

22、00 101111右移，左移，s1(1)=0s2(1)=1s1(2)=1s2(2)=049 52110000 110011左移，左移，s1(1)=1s2(1)=0s1(2)=1s2(2)=053110100清零清零cr(1)=0cr(2)=054 57110101 111000左移，左移，s1(1)=1s2(1)=0s1(2)=1s2(2)=058111001清零清零cr(1)=0cr(2)=059 62111010 111101左移，左移，s1(1)=1s2(1)=0s1(2)=1s2(2)=063 64111110 111111清零清零cr(1)=0cr(2)=0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。=0000011110000000010000111111101111=0100011110000 000010000111111101111=1100011110001111011111111111101111=1