彩灯循环控制系统

电工电子技术课程

设计

题目：彩灯循环控制电路的

设计与制作

团队成员：李静黄林姜怀亮况雨朦刘京京

组长：李静

班级机电技术教育

专业：121班

指导教师：国海

2014年6月

摘要

基于数字技术的循环流水彩灯系统结合了传统的数字电路基础技术和模块化设计的思路。其简易轻巧，外貌美观，能呈现多彩颜色的特点使它在现实生活中得到了广泛的应用。比如十字路口红绿黄的流水交通灯；节假日装扮用的流水彩灯；自动门上装有的自动流水灯等等。所以流水彩灯的设计可以进一步增加我们对流水灯的了解，感受流水灯给我们生活带来的方便。

小组对彩灯循环控制系统的初步框架进行设计，并对一些仿真软件和硬件系统方案进行了选择。在此基础上，又进一步详细介绍了该控制系统的硬件组成、软件仿真结果、控制方法。在软件仿真部分中，本文重点讲述了使用Multisim对数字电路进行仿真及仿真结果。在硬件设计中，将电路设计从主电路为二进制计数器延伸到用移位寄存器来控制。

最后，本文就基于彩灯循环控制系统的特点，进行了归纳与总结。

关键词：流水彩灯循环 Multisim仿真移位寄存器

彩灯循环控制电路的设计与制作

1 结构设计与方案选择

1.1 基于数字电路技术的彩灯循环控制系统结构

现代的数字电路的设计大体上都是三步走的战略：即信号源，控制电路，输出显示。在明白大体的设计思路之后，对没有部分进行模块化的设计。最终可以完成我们的实验目标。本实验的具体设计框图如下：

提供适当的输入源；彩灯循环控制系统主要是实现我们实验目标中的左循环、右循环、全灭和全亮的功能；显示电路主要是输出显示我们的实验结果。

1.2方案选择

1.2.1方案一：74ls193为主控电路

74ls193是双时钟4位二进制可逆的集成计数器，其双时钟可以实现加计数或

减计数，当计数时钟脉冲从UP 输入时，集成芯片实现加法计数过程，计数过程为0000到1111→0000；当计数时钟脉冲从DOWN 输入时，集成芯片实现减法计数过程。CLR 是异步清零端，高电平有效；~LOAD 是异步欲置数控制端，低电平有效；预置数数据输入端包括A 、B 、C 、D,D 为最高位，A 为最低位； 本电路的系统方案框图为：

图2 74ls193为主控流水彩灯电路框图

简要介绍：利用555计时器所组成的多谐振荡器产生频率为1Hz 的脉冲信号，并将信号送到74ls193的时钟，将清零端CLR 与QD 相连，在进行加计数时，数据到了1000即8时，系统清零而回到0000，即0。在进行减计数时，四输入与非门的输入与QA 、QB 、QC 、QD 相连，输出与置位端~LOAD 相连，DCBA 接0111，即出现输出为1111时，电路回到0111即7，译码器将74ls193的输出地址转换为高低电平并使LED 发光。 仿真电路图如下图所示：

图3 74ls193为主控的流水彩灯仿真图

操作：当 S1接低电平时，灯为全亮；

当S2接低电平时，灯为全灭；

当S3接脉冲信号时，灯实现左移；

当S4接脉冲信号时，等实现右移；

1.2.2方案二：74ls194为主控电路

本来用74ls198电路更为方便，但市场上买不到该芯片。故用两片74ls194来级联而成。

74LS194是四位双向通用移位寄存器。功能：并行输入和并行输出。当工作方式控制端S0、S1输入为高电平时，在时钟脉冲上升沿到来时，并行数据（A-D）被送入相应的输出端QA-QD。此时串行数据（DSR,DSL）被禁止；当S0为高电平、S1为低电平时，在时钟上升沿作用下进行右操作，数据由DSR送入；当S0为低电平、S1为高电平时，在时钟上升沿作用下，数据由DSL送入：当S0和S1均为低电平时，时钟被禁止。

本电路的系统框图为：

图4 74ls194流水彩灯控制电路框图

简要介绍：利用555计时器所组成的多谐振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，并将信号送到74ls194的时钟，两片74ls194级联起来，利用清零端的控制，可以使输出的电平为全低电平，从而使电路LED达到全亮的目的；利用电源的开断可以达到全灭的效果；在彩灯循环之前，利用芯片的并行输入的能力，将01111输入到输出端，在进行循环效果时，利用并行输出及循环的效果，这个0会在一个周期內循环到每一个输出口，从而产生了左移右移的效果。

真电路图如图所示：

图5 74ls194彩灯控制电路仿真图

1.2.3方案选择总结：

从两种方案的设计结果可以看出，虽然实际的市场中没有买到74ls198，只能由两片74ls194来代替。两个电路都用到了三个芯片，但从(1) 满足系统功能和性能的要求。(2) 电路简单，成本低，体积小。 (5) 调试简单方便。(6) 生产工艺简单。(7) 操作简单方便。操作简便是现代电子电路系统的重要特征，难以操作的系统是没有生命力的。这几点来看，方案二的接线的次数比较少，思路相对而言更简单明了，实现起来更便捷。最重要的一点是：方案一虽然实现了循环，但是只能实现一次循环；方案二可以实现多次的循环。故从以上的几点可以毫不犹豫地选择方案二。

2 单元电路的硬件设计

2.1 555定时器构成的多谐振荡器

多谐振荡器的电路结构式一种能够产生矩形脉冲信号的电路，产生的脉冲信号具有比较陡的矩形脉冲信号的上升沿和下降沿.一个理想的矩形脉冲信号电压波

形，可以用傅里叶级数展开成为具有基波正弦分量和基波频率整倍数各次谐波分

量，所以矩形脉冲波是一种多次谐波，从而把能够产生矩形脉冲波的电路结构称为多谐振荡器电路或称多谐振荡器。

用555定时器构成的多谐振荡器电路如下图所示。从电路连接上来看，也是将555定时器连接成施密特发器的结构，即将2、6端并联，再与RC构成的充放电电路的串联点连接，将7端接到放电点。

图6 555多谐振荡电路

电路的振荡频率的计算：

由电路的知识得：

充电所用时间，即脉冲维持的时间：

t1=0.7(R1+R2)C1 (1-1) 放电所用的时间，即脉冲低电平时间：

t2=0.7R2*C1 （1-2）所以，脉冲周期时间为:

T=t1+t2=0.7(R1+R2)C1+0.7R2*C1

=0.7(R1+2*R2)C1

=1.01s （1-3）2.2 74ls194彩灯控制循环电路及显示电路的设计

74ls194芯片及控制方式在前面方案选择的地方已经详细的说明了，这里主要介绍详细的构成左右循环的原理。

单元电路的仿真图如下图所示：

图7 74ls194循环电路的设计

两片74ls194的级联：

想要实现8位的数据输入，只需要将芯片1和芯片2的S0、S1、~CLR和CLK 串联起来作为总输入的这些接口。而芯片1的输出QD与芯片2的SR相连，芯片1的输出QA与芯片2的SL相连；而芯片2的输出QD与芯片2的SR相连，芯片2的输出QA与芯片2的SL相连.这样，两个芯片的级联及循环就设置好了，这个循环可以将我们事先在S0=1、S1=1置入的0在每一个输出口不断地循环。左右循环就是这样实现的。

LED显示部分主要是根据74ls194控制电路的输出状况而设计的。众所周知，全灭的效果是很好设计的，只需要将电源去掉即可：全灭的设计只有用芯片的清零端来控制的。由于在清零的时候，电路输出是低有效的，故将LED的一端接74ls194的输出，另一端接电源，当出现清零时，电路会显示全亮的效果。

2.3 总体电路的仿真设计

仿真电路图参见方案二中“图5 74ls194彩灯控制电路仿真图”。

操作:S4为接通，S1为低电平，S2和S3是任意值时，电路显示的灯为全亮；

S4为断开，S3、S2和S1为任意值时，电路显示的灯为全灭；

S4为接通，S1为高电平，S2接高电平，S3接高电平时，电路只有第一个灯亮，当S3接低电平时，电路实现右移循环；

S4为接通，S1为高电平，S2接高电平，S3接高电平时，电路只有第一个灯亮，当S2接低电平时，电路实现左移循环。

3 电路仿真及仿真结果

仿真具有如下许多的优点：

(1)对电路中只能依据经验来确定的元器件参数，用电路仿真的方法很容易确定，而且电路的参数容易调整。

(2)由于设计的电路中可能存在错误，或者在搭接电路时出错，可能损坏元器件，或者在调试中损坏仪器，从而造成经济损失。而电路仿真中也会损坏元器件或仪器，但不会造成经济损失。

(3)电路仿真不受工作场地、仪器设备、元器件品种、数量的限制。

由于如上的许许多多的优点，使我们在仿真中需要很多的调整，并且仿真的过程中也会遇到很多问题，而分块仿真的方法可以很大程度上减少我们出错的可能，即使出错也会很方便我们找出问题的由来。

555多谐振荡器仿真结果图如下：

图8 多谐振荡器仿真结果

从示波器仿真的结果图可以看出，555定时器构成的多谐振荡器3脚的输出的确是

方波信号，并且信号的频率是1Hz。验证了理论假设的正确性。彩灯循环效果图：

由于循环的效果图很多，故在仿真的时候用逻辑电平来显示。

全灭和全亮:

图9 灯全亮的仿真效果图

图10 灯全灭的仿真效果图由于循环的效果图很多，故在仿真的时候用逻辑电平来显示。右循环：

左循环：

图12 左移逻辑仿真图

仿真小结：从以上的仿真结果可以看出，小组采用的方案二的设计思路是完全正确的，555多谐振荡器的方波仿真图和彩灯循环系统的输出结果都是接近完美的。从理论上验证了设计的正确性。从中，电路仿真我也使我体会到了Multisim 仿真软件的强大。它为我们提供了丰富的芯片资源及电路检测的方式，增强了我们动手的信心，也减少了我们出错的可能。

4 实物连接及操作中出现的问题

4.1 实物连接

按照仿真图连接的方式连接好电路。

4.2 连接中出现的问题及解决方法

555多谐振荡器无法输出方波信号？

原因：几根电源线连接的地方再板上没有导通。解决方法：用万用表出问题的线路之后，将电源线换到其它的地方。

在打开循环开关的时候，LED等出现了意料之外的闪烁？

原因：线路接触不良。解决方法：将单刀双掷开关统一放置在一块地方。且接线的方式一致，这样可以使线路清晰且美观。

结束语

这次实验是我们第一次进行的设计性实验课程，在这次实验中，我们经历了资料的查找、方案的选择、电路仿真、实物连接、编写报告和课程小结。整个过程基本上是模拟实际工作中的项目开发；为我们以后的工作来了一次精彩的彩排。

其中方案的选择体现了最优解的思路：对于一个工程而言，解决的方法是有很多种的，每个人的设计想法都是不一样的。特别是以小组为单位进行设计时，在众多的方案中如何、以什么为标准来进行选择对后面的实际操作有很大的影响。方案选择的好，实际接线的复杂程度及出错率会降低很多。俗话说得好：磨刀不误砍柴工。指的就是这个意思。

电路仿真也是实际操作中不可却很少的一部分，电路中的一些参数都是我们根据自己以往的经验以及理论上的计算得来的，它们符不符合实际的需要还是有待参考的。所以仿真正是为我们解决这一问题的重要方法。在仿真的过程中，我们可以根据仿真的效果图来调整我们电路中的一些参数，并且电路中的一些小问题也可以在仿真中体现出来。

这一次的方案设计也让我体会到了模块化程序设计的重要性，刚拿到题目时。我的心中是一片茫然。不知道如何下手。在对流水彩灯控制电路和Multisim 软件有了一些初步的了解后，我知道了这一次的设计主要分为三个小部分，每一部分都可以用不同的方法来实现。其实在现实的生活中，一些重大任务或重要的工程，在我们的面前就像不可完成一样。但是将任务分块之后，每次完成一小步后。有一天，我们回过头来发现自己居然已经完成了。

课程设计给我们带来许多意想不到的收获，特别是当我们组的实物做出来之后，看到自己的流水彩灯循环点亮时，别提心中有多高兴。同时也希望以后能多体会一下这类实验。最后，感谢罗老师耐心的指导与帮助。

参考文献

[1]伍时和主编数字电子技术基础清华大学出版社2010

[2]张新喜许军编著Multisim10电路仿真及应用机械工业出版社2007

[3]Charles K.Alexander Matthew N.O.Sadiku 编著Fundamentals of Electric Circuits 清华大学出版社2005

[4]阎石主编数字电路技术基础（第四版）高等教育出版社1999

[5]江国强主编数字逻辑电路基础电子工业出版社2006

[6]黄培根、任清褒编著Multisim 7&电路分析基础实验浙江大学出版社2015

附录

图14 555实物引脚图图

图15 555定时器功能表图

VCC QA QB QC QD CLK S1 S0

CR SR A B C D SL GND

图16 74ls194实物引脚图

图17 74ls194功能图