循环彩灯控制电路的设计
一、课程设计的目的
1、巩固和加强《数字电子技术》课程的理论知识。
2、掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发过程。
3、掌握电子电路安装和调试的方法及其故障排除方法，学会使用multisim 软件对电路仿真。
4、通过查阅手册和文献资料，培养独立分析问题和解决问题的能力。
5、培养创新能力和创新思维。
二、任务的描述
用中规模集成电路实现节日彩灯控制电路，主要用计数器、译码器、数据分配器和移位寄存器等芯片集成，本次设计特点是用双色发光二极管，能发出红色和绿色两种色光。
有以下四种演示花型：
花型1: 16路彩灯同时亮灭,亮、灭节拍交替进行。
能花型2：16路彩灯每次8路灯亮，8路灯灭，且亮、灭相间，交替亮灭。
花型2：16路彩灯每次8路灯亮，8路灯灭，且亮、灭相间，交替亮灭。
花型2：16路彩灯每次8路灯亮，8路灯灭，且亮、灭相间，交替亮灭。
花型3：16路彩灯先从左至右逐路点亮，到全亮后再从右至左逐路熄灭，循环演示。
花型4：16路彩灯分成左、右8路，左8路从左至右逐路点亮、右8路从右至左逐路点亮，到全亮后，左8路从右至左逐路熄灭，右8路从左至右逐路熄灭，循环演示。
要求彩灯亮、灭一次的时间为2秒，每256秒自动转换一种花型。
花型转换的顺序为：花型1、花型2、花型3、花型4，演出过程循环演示。
三、设计任务分析
根据任务要求，可将这次任务分成两部分，一部分是输出部分即数据子系统，可用移位寄存器实现外加一个定时器；另一部分是控制电路部分要用数据选择器。
四、具体设计过程的描述
根据彩灯的亮灭规律，为了便于控制，决定采用移位型系统方案，即用移位寄存器模块的输出驱动彩灯，彩灯亮、灭和花型的转换通过改变移位寄存器的工作方式来实现。
16路彩灯需要移位寄存器模块的规模为16位，但为了便于实现花型4的演示花型，将其分为左、右两个8位移位寄存器模块LSR8和RSR8。
由于彩灯亮、灭一次的时间为2秒，所以选择系统时钟CLK的频率为0．5Hz，使亮灭节拍与系统时钟周期相同。
此时，256秒花型转换周期可以用一个模128的计数器对CLK脉冲计数来方便地实现定时，定时器模块取名为T256S。
将整个系统分为数据子系统和控制子系统，根据它们各自的不同功能划分，上述两个8位移位寄存器模块LSR8、RSR8和256秒定时器模块T256S 显然属于数据子系统，实现数据子系统操作控制功能的部分即为控制子系统，控制器模块取名为CONTR。
为了方便操作，设置一个加电后的手工复位信号RST。
当RST有效时，将控制器模块CONTR置于合适的初始状态，使其从花型1开始演示；同时将定时器模块T256S异步清0，使计时电路一开始就能正常工作。
循环彩灯的整体结构框图如下图所示：
图1 循环彩灯整体结构框图
框图中，CO为定时器模块T256S的时间到输出，实际上就是模128计数器的进位输出，当T256S处于127时，CO为1。
DR＼DL分别为移位寄存器模块的右移和左移串行数据输入端，Ml、M0为移位寄存器模块的方式控制端。
当MlM0＝00时，移位寄存器处于保持状态；当MlM0=01时，移位寄存器处于右移状态；当MlM0＝10时，移位寄存器处于左移状态；当MlM0＝11时，移位寄存器处于并行置数状态。
根据规定的彩灯亮灭规律，导出系统控制器的ASM图，如图2系统控制器的ASM图所示。
其中，SRl6为2个8位移位寄存器模块LSR8和RSR8级联构成的16位移位寄存器，部分操作符号功能定义如下。
． SLO：将括号内指定的移位寄存器模块左移1位，右侧位移入0。
． SL1：将括号内指定的移位寄存器模块左移1位，右侧位移入1。
． SR0：将括号内指定的移位寄存器模块右移1位，左侧位移入0。
． SRl：将括号内指定的移位寄存器模块右移1位，左侧位移入1。
设计控制算法时，要注意保证判别条件T0(即定时器T256S的时间到输出,只可能在判别它的状态下能够为1，否则，系统将不能正常工作。
由于本系统中花型1、花型2演示一遍需要2个时钟周期，花型3演示一遍需要32个时钟周期，花型4演示一遍需要16个时钟周期，而每种花型演示时间为128个时钟周期，所以，只要加电复位后控制器处于So状态，定时器处于0状态，且控制器和定时器同步工作，在每种花型的第2个状态判断T0的状态可以满足时序上的要求。
图 2 系统控制ASM图
256秒定时器模块T256S可以用两片74163级联实现，由于模为128且需要产生进位输出，所以必须将两片74163级联为128进制的程控计数器。
对于两个移位寄存器模块LSR8和RSR8，可以用74198实现。
细化数据子系统结构的控制图如下图所示：
图3 16路循环彩灯控制结构图
我们可以根据循环彩灯的花型变换以及上述数据子系统列出74LS163的控制激励表：
图4 74LS163的控制激励表
LD,B1,B0,A1,A0的表达式比较复杂，我选择用数据选择器实现，其数
根据上述数据选择表画出循环彩灯控制电路的控制器
图6 以74LS163为核心构成的彩灯控制系统的控制电路
五、设计方案的确定（附具体电路图）
电路图由输出部分即数据子系统及控制电路部分组成。
数据子系统由两个8位移位寄存器模块LSR8、RSR8和256秒定时器模块T256S组成。
256秒定时器模块T256S可以用两片74163级联实现，由于模为128且需要产生进位输出，所以必须将两片74163级联为128进制的程控计数器。
对于两个移位寄存器模块LSR8和RSR8，可以用74198实现。
具体电路图如下图所示：
X9X10X11X12X13X14X15X16
图7 16路循环彩灯控制电路图
六、单元电路设计和所用的元器件的选择(包括器件的引脚结构图)
1、所用元器件列表
A、两片74LS198 八位双向移位寄存器
B、三片74LS163 可预置四位二进制计数器(并清除异步)
C、五片74LS151 8选1数据选择器(互补输出)
D、一片74LS11 3输入三与门
E、两个或非门，两个与门，两个非门，一个异或门
2、所用元件的引脚结构图
74LS198
如图所示的74LS198，是一个多功能的通用寄存器。
数据输入方式由引脚Sl与S0控制。
1)当Sl S0＝01，是一个右移位串行输入／并行输出移位寄存器，数据由右移串行输入端输入。
2)当Sl S0＝10时，是一个左移位串行输入／并行输出移位寄存器，数据由左移串行输入端输入。
3)当Sl S0＝11时，是一个并行输入／并行输出移位寄存器，即Q4Q“…QGQH＝AB…GH。
4)当Sl S0＝00时，寄存器内数据被锁定保持(H()LD)，其输出保持不变。
图8 74LS198的引脚图
◆74LS163
图9 74163标准逻辑符号图10 74163 惯用逻辑符号
该器件的标准逻辑符号较为复杂，将各部分简要说明如下：
①CTRDIVl6(Counter Divided)：定性符，表明它是十六进制计数器。
②CR(Clear)的非：复位端(又称清零端)，低电平有效。
5CT＝0：表示在时钟C5上升沿触发下电路的输出状态Q3Q2Q1Q0=0000（同步复位）。
故这是一种同步清零器件。
③LD(Load)的非：置数控制端，低电平有效。
M1和M2称为方式关联符:M1＝1(即LD=1)——置数操作(Load)，M2＝1(LD＝0)——计数操作。
也就是说，当LD＝1时，M2M1＝01置数(Q3Q2Q1 Q0＝D3D2DlD0)；当LD=0时M2M1＝l0计数。
④CT
T ，CT
P
：计数控制信号。
当LD＝CR＝0，且CT
T
＝CT
P
=1时,加法计数；
CT
T =0或CT
P
=0时，Q3～Q0保持。
G3G4是与关联符。
G3，G4是与关联符。
⑤CP：计数脉冲输入端。
＞C5：时钟编号为5，且是上升沿触发；
◆74LS151
74LS11
图11 74LS11引脚图
七、总结
通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。
我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
通过这次课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义。
我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，
很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
