摘 要

在我们生活中，在商业中心，休闲广场，随处可见各式各样的彩灯，这些彩灯自动循环完成花式变换，彩灯绚丽多彩，其实都是由一系列的彩灯构成的，无论颜色各异还是花式多样，赏心悦目的背后，都是的电路设计控制，或采用单片机程序，或使用逻辑电路实现。本课程设计采用几块74系列数字芯片等设计的电路，按照一定次序逐次一个或者多个点亮和熄灭。设计的电路应用到了数字逻辑电路，在一定的逻辑下自动运行。本次实验要求进行多花样自动切换的彩灯控制器设计，彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮等六种花型，这六种花样自动变换,循环往复，而且具有按键快慢两档调节，变阻器连续调节两种快慢调节方式，还有复位，暂停/开始按键功能。该实验将会用到脉冲信号产生电路、计数电路、控制电路、移位寄存电路及其他门电路和显示彩灯。

关键词：彩灯循环 自动运行 六种花型 快慢调节 功能

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1 设计任务目的与要求

1.1 设计任务目的

1.在课程设计过程中，计算参数和查阅设计资料、学习仿真软件. 2.掌握移位寄存器的移位，置位功能设计方法。 3.掌握TTL集成电路驱动发光二极管的设计方法。 4.掌握数字电路的设计，安装和调试。

1.2 设计任务要求

1. 8路彩灯能够自动循环点亮； 2. 要有多种花型变化（至少设计6种）； 3. 多种花型可以自动变换，循环往复； 4. 彩灯循环显示分为快慢两种方式可以选择； 3. 该控制电路应有启动、停止和复位按钮。

说明：在六种花型中必须包含以下三种基本花型，其它三种任意发挥 基本花型一：从左至右逐次点亮至全亮，逐次熄灭至全熄 基本花型二：从右至左逐次点亮至全亮，逐次熄灭至全熄 基本花型三；全亮→全熄→全亮→全熄→全亮→全熄，共六个节拍

扩展花型一：8路灯分两半，从左至右依次渐亮，全亮后从左至右依次渐灭

扩展花型二：从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后从中间到两边逐次渐灭

扩展花型三：8路灯分两半，从右至左依次渐亮，全亮后从右至左依次渐灭

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2 模块及其原理介绍

2.1 计数器 74161

74161型四位同步二进制可预置计数器的外引线排列 图及其逻辑符号，其中CLRN是直接清零端， LDN是 预置数控制端，A3A2A1A0是预置数据输入端， EP和 ET是计数控制端，是 计数输出端，RCO是进位输出端。 功能表如下所示：

2.2 移位寄存器 74194

74194是四位双向移位寄存器，其中ABCD的并行输入端， CLRN是直接置零端，S0,S1是移位控制端，SLSI,SRSI是移 位进位端，QA~QD是四路输出端。功能表如下：

2.3 双D触发器7474

74LS74内含两个独立的上升沿双D触发器，每个触发器有数据 输入D、置位输入PRN复位输入CLRN、时钟输入CLK和数据输 出Q。PRN和CLRN的低电平使输出预置或清除， 而与其它输入

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端的电平无关。当PRN、CLRN 均无效（高电平式）时，符合建 立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。 功能表如下：

2.4 数据选择器74151

74LS151是一种典型的集成数据选择器。74LS151有三个地址端 A2 A1 A0。可选择D0～D7八个数据，具有两个互补输出端W和 Y 。功能表如下：

2.5 NE555

NE555 （Timer IC）为8脚时基集成电路。

5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电 压为：UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。当VI1＞2/3VCC， VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2 输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，

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放电三极管TD导通，定时器输出低电平。 当 VI1＜2/3VCC，VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出高 电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持 原状态不变，555定时器输出状态保持不来。 当VI1＞2/3VCC，VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出 低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两 端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止， 定时器输出高电平。 当VI1＜2/3VCC，

VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2 输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平， 放电三极管TD截止，定时器输出高电平。

3 设计方案

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3.1 设计思想

电路共分四大模块：（1）时钟信号模块；（2）节拍控制模块；（3）计数模块；（4）演示模块。

时钟信号产生采用555定时器组成的振荡器，产生高低电平，且脉冲信号的频率可调。节拍控制模块用一片双D触发器7474和一片数据选择器74151构成，把节拍脉冲进过D触发器后节拍脉冲分了一倍频，相当于慢一个节拍，把快慢节拍输入数据选择器74151的D0,D1,然后把B、C端接地，A端用自锁开关控制接高电平还是低电平，就可以达到节拍快慢的选择。计数模块用两片计数器74161连接，低位进位输入高位的ST，连成256进制计数器，花型演示模块用两片移位寄存器74194来控制8盏LED彩灯，并用与非门将输出的控制信号输入到74194的S1,S2,SR,SL端来控制不用花型的演示。。

3.2 设计框图

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3.3 流程图

3.4 各单元电路原理图 整体电路图：

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时钟信号产生电路图：

节拍控制电路图：

计数器电路图

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花型演示电路：

4 实验结果与数据分析

4.1 测试步骤

1.时序仿真、功能仿真； 2.下载到DE2板验证； 4.2 实验现象 时序仿真

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功能仿真

4.3 数据分析

六种花型

（基本）花型1：8路灯为一整体，从左至右依次渐亮，全亮后从左至右依次渐灭。 （扩展）花型2：8路灯分两半，从左至右依次渐亮，全亮后从左至右依次渐灭。 （扩展）花型3：从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后从中间到两边逐次渐灭。 （基本）花型4：8路灯为一整体，从右至左依次渐亮，全亮后从右至左依次渐灭。 （扩展）花型5：8路灯分两半，从右至左依次渐亮，全亮后从右至左依次渐灭。 （基本）花型6：全亮→全熄→全亮→全熄→全亮→全熄，共六个节拍。

输出状态真值表：

要每种花型完整的显示一遍，所以完全显示一遍需要的总结拍数为64，即1到16显示第一种花型，17到24显示第二种花型，25到32显示第三种花型，33到48显示第四种花型，49到56显示第五种花型，57到62显示第六种花型。

要用194实现六种花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR依据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L1--L8。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：

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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QA至QH表示161从低位到高位的输出端。 控制结果表达式如下：

194低位片 SL=^L1*^QF+^L1*QE*QF+L5*^QE*QF SR=^L8*^QE+^L4*QE S1=QD*QE+QF S0=^S1 IF QD*QE*QF=1 S0=S1=1 10

194高位片 SL=^L1*^QE*QF+^L5*QE*QF SR=L4*^QE+^L8*QE S1=QF S0=^S1 IF QD*QE*QF=1 S0=S1=1

5 结论与问题讨论

5.1 完成设计要求的程度（功能全部实现） 1.有6种花型变化；

2.多种花型可以自动变换，循环往复；

3.彩灯循环显示分为快慢两种方式可以选择（两档调节和连续调节）； 4.该控制电路有启动、停止和复位按钮。

5.2 遇到的问题及解决方法

1.在实现第六种花型时：当74194的S0,S1都为1时有并行输入的功能，想把并行输入端接到时钟clock，到达第六种花型节拍时控制S0,S1都为1，就可以实现一亮一灭，后来仿真无法实现。

解决办法：由于S0,S1都为1时相当于触发器，在时钟上升沿到来时才改变状态，如果并行输入接时钟的话，输出都是低电平，把时钟信号通过D触发器分一倍频，就解决问题。 2.在制作PCB时在用熨斗把打印的图形熨到铜板上时，很难控制熨的时间，导致撕掉纸时没法完全把图印上去，导致图形不完整。 解决办法：用笔对照着图把缺失的部分画上去。

5.3 存在的不足及改进思路

1.整组都被老师说到门电路太多，电路复杂，布线较乱。逻辑门都是经过真值表计算得出，无法避免，只能在门的种类上下功夫，减少芯片使用，例如三输入与非门可以用双输入与非门代替，非门用与非门代替，实现芯片统一。 2.穿孔比较多，钻孔比较费时，画图技术有待提高。

3.所用LED为蓝色，颜色有点“亮瞎眼”的感觉，应该采用红色等比较温和的发光二极管，或者多颜色结合，更加美观。也可用贴片的LED，不过要处理电压不一样的问题。

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6 实物制作

6.1 元器件参数及型号选择

74LS161（四位二进制同步计数器） 2个； 74LS194（移位寄存器） 274LS151（八选一数据选择器） 174LS74（双D 触发器） 174LS00（四双输入与非门） 574HC10（三输入与非门） 2蓝色LED 8NE555 110μf电容： 10．01μf 电容 1100kΩ滑动变阻器 1470Ω电阻 1

个； 个； 个； 个； 个； 个； 个； 个； 个； 个； 个；

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6.2简化电路图（给出Quartus下的原理电路截图）

6.3 单元电路的实现（比如产生高低电平电路、秒脉冲发生电路等等，给出电路图及相应元器件的型号和参数）

时钟信号模块：

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节拍模块：

计数模块：

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演示模块：

总电路图：

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6.4 实物图（附照片）

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6.5 焊接调试过程中遇到的问题分析及处理

将一个16脚的芯片底座不小心用了一个14脚的底座，调试时功能不实现才发现。准备拆掉重新拿一个16脚的底座，又觉得太麻烦而且弄了就像伤疤一样不好看，最后用两个单独的一个孔的底座加上，重新插上芯片搞定。还有在按暂停按键时发现停不下来，检查电路又找不到问题，多次按之后发现不松手可以暂停，又此判断自锁开关失去自锁功能，后来换了一个自锁开关也就问题迎刃而解。

6.6 实物电路板的测试结果及分析

以上由于过程不细心导致的错误检查解决之后，插上5V移动电源，等依次按预想亮起，功能全部实现：三种不同花型（按照老师要求由原来的六种简化为三种），自动循环，快慢可调，暂停/开始，复位。几个循环之后仍然可以稳定工作，按要求完成了本次课程设计。分析上面已经基本分析到位，在此不做重复。

7参考文献

[1] 阎石.数字电子技术基础（第五版），高等教育出版 [2] 彭端.电工与电子技术实验教程，武汉大学出版社 [3] 周新民.工程实训与训练教程（电工电子部分），武汉理工大学出版社

[4] 梁宗善.新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计，华中理工大学出版社 [5] 陈永甫主编.数字电路基础及快速识图.人民邮电出版社

[6] 刘修文主编.实用电子电路设计制作300例.中国电力出版社

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