移位寄存器型彩灯控制器.docx
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移位寄存器型彩灯控制器
移位寄存器型彩灯控制器
年度第1学期)名称:
数电实验设计题目:
移位寄存器型彩灯控制器院系:
电气与电子工程学院班级:
电气0710学号:
学生姓名:
陈佩璐指导教师:
刘春颖设计周数:
1成绩:
日期:
xx年1月20日《电子技术》综合实验任务书
一、目的与要求1、目的1、1综合实验是教学中必不可少的重要环节,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、主要内容共有8个既有学习价值又有一定的实用性和趣味性的设计课题,学生根据自身情况自由选择其中之一。
1、移位寄存器型彩灯控制器2、智力竞赛抢答器3、电子拔河游戏机4、交通信号灯控制器5、数字电子钟6、电子密码锁7、电子秒表8、数字电子钟(硬件)
三、进度计划序号设计(实验)内容完成时间备注1设计内容讲解、学习资料查找方法半天2发放材料、清点材料、熟悉各种元器件半天3查找资料、设计电路、绘制总体电路草图1天4电路组装并调试或在Multisim上绘制电路图、仿真并调试2天5验收、撰写实验报告1天
四、设计(实验)成果要求1、学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设计,通过论证与选择,确定总体方案;然后对方案中单元电路进行选择和设计计算;最后画出总体电路图。
2、预设计经指导教师审查通过后,学生即可向实验室领取所需元器件等材料,在面包板上组装、调试电路,使之达到设计指标要求。
3、在Multisim软件平台上学生可直接设计、仿真和实现,直至达到设计要求。
五、考核方式综合以下指标评定综合实验总成绩:
优、良、中、及格和不及格。
1、设计方案的正确性与合理性;2、实验动手能力(安装工艺水平、调试中分析解决问题的能力以及创新精神等);3、总结报告;4、答辩情况(课题的论述和回答问题的情况);5、设计过程中的学习态度、工作作风和科学精神。
学生姓名:
指导教师:
年月日
一、课程设计(综合实验)的目的与要求1.正文为宋体,五号字行间距为211.1----------1.2----------
二、设计(实验)正文1.正文为宋体,五号字行间距为211.1----------1.2----------
三、课程设计(综合实验)总结或结论1.正文为宋体,五号字行间距为211.1----------1.2----------
四、参考文献
[1]作者1,作者2、书名、出版单位,版本、出版日期附录(设计流程图、程序、表格、数据等)课题一移位寄存器型彩灯控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。
一、设计任务与要求1.要求采用移位寄存器设计一个彩灯控制器。
2.要求三种变换花型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。
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。
花型真值表如下:
节拍编码QAQBQCQDQEQFQGQH顺序花型1花型2花型300000000000000000000000001100000000001100010001000211000000001111001100110031110000001111110111011104111100001111111111111111511111000111001116111111001100001171111111010000001811111111911111110101111110011111110001211110000131110000014110000001510000000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。
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。
二、总体方案设计
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、1彩灯控制器原理框图
2、设计思路
(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1、2快慢节拍的时钟电路框图CPL(慢)的1-32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左移,移位寄存器2右移,41-48节拍重复33-40节拍内容。
CPL(慢)的49-63节拍显示花型3,其中49-53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”。
CPH(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、
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1、3节拍控制信号电路框图图1、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:
,CP7的周期为128节拍。
(2)编码发生器通用移位寄存器74LS194的功能表如下:
功能0╳╳╳异步清0100↑保持101↑右移110↑左移111↑预置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。
(3)清零电路清零电路如图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,。
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1、5清零控制电路
三、设计报告要求(设计报告格式见附录1)1.目的与要求:
根据任务书进行填写。
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.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。
设计报告
一、目的与要求1、目的1、1综合实验是教学中必不可少的重要环节,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采用移位寄存器设计一个彩灯控制器。
2、2要求三种变换花型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。
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。
二、实验设计正文
1、明确设计要求。
设彩灯控制器输出为1时可以点亮彩灯,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。
2、由以上的分析,可将电路分为三部分:
节拍产生电路控制信号产生电路花型产生电路
3、下面分别设计这三部分电路:
(1)节拍产生电路:
这部分电路其实要完成两个功能。
一是64个状态的产生,二是时钟频率的选择。
由此我拟定了两种方案:
方案一:
七位二进制计数器+二选一数据选择器。
电路图如下:
Q5Q4Q3Q2Q1Q0从—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。
方案二:
两片74X161(四位二进制计数器)级联+74X151(8选1数据选择器)。
电路图如下:
用第2片的次高位的输出Q6作为地址选择信号,改变时钟频率。
用最高位的Q7控制清零端,当完成一次大循环后清零。
(2)控制信号产生电路。
用产生的状态经过一定的逻辑运算后控制74X194的S0、S
1、SR、SL即可得到所需要的花型。
列出状态表,经卡诺图化简后,可得到控制信号和状态量的关系:
=++由此我拟定了两种方案:
方案一:
采用逻辑门电路实现。
此方案思路比较简单,但采用的逻辑门较多,连线比较复杂。
方案二:
对S0
(1)和S0
(2)的控制信号,用一片74X138和两片74X151来实现6变量的组合逻辑函数。
以S0
(2)为例说明:
M0~M7(地址选择)D0~D7Q5Q4Q3Q2Q1Q0000000110100011110011011110M4111M1+M6+M7电路图如下:
两片74X151的输出分别为S0
(1)和S0
(2)。
(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:
(4)将上述三个部分结合起来,即可得到完整的电路图:
方案一:
方案二:
方案三:
方案三虽然比较简单,但受芯片的影响较大,调试过程中困难较多。
三、总结:
由于电路和连线比较复杂,很容易出错,所以我第一次连完线时,彩灯无规律的闪烁。
为了找出错误,我用示波器对各个控制信号进行检查,然后对线路逐段回溯,终于找出了错误所在。
调试过程中,发现
(1)片控制的花型三不能正常显示,而其他的花型都完全正常,于是我考虑到电路中采用了8输入的与非门,其中有一些悬空的端子,可能使电路的工作不稳定,于是我将它们都接了高电平。
再调试的时候,仍不正常。
于是我减小了所接高电平的电压。
发现该电压存在一个临界点,使得花型二和花型三不能同时正常显示。
于是我用几个门电路的组合替换了8输入的与非门。
设计节拍产生电路时,首先想到的是7位二进制计数器,后来考虑到减少使用的器件个数,就采用了中规模集成芯片,发现效果还是不错的。
设计控制信号产生电路时,考虑到要实现的是六变量的组合逻辑函数,比较复杂,平时所学的芯片似乎都无法完成此功能,于是就采用了多个门电路来实现。
后来考虑到将六个变量分为两组,则变成了三变量的函数,根据74X138和74X151的功能,将它们按一定的规律组合起来。
此方案理论上是可行的,也可以大为简化电路,但调试过程中遇到的问题较多,电路工作不够稳定。
通过这次实验设计,巩固了数字电子技术的知识,对各种芯片的功能和用法有了更深刻的理解,培养了我思考问题和解决问题的能力。
复杂的电路连线,也是对耐心、细心和恒心的考验。
从中我体会到了很多乐趣,也学到了很多知识,实在是获益匪浅。
四、参考文献:
《数字电子技术基础》
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- 移位寄存器 彩灯 控制器