電子設(shè)計多路彩燈

1、課程設(shè)計題目：多路彩燈一、 任務(wù)和要求：任務(wù)：設(shè)計一個多路彩燈控制器，至少能控制8路彩燈，彩燈用發(fā)光二極管模擬。要求：能演示至少3種花型，花型自擬。彩燈明暗變換節(jié)拍為1.0s和2.0s，兩種節(jié)拍交替運行。目的：熟悉中、小規(guī)模數(shù)字集成電路芯片；掌握基本數(shù)字電路設(shè)計方法；通過實踐提高數(shù)字電路連接、調(diào)試能力。二、 器件74ls19424.7k電阻174ls0024.7µf電容174ls0410.01µf電容15551150k電阻174ls1612100電阻174ls741面包板174ls1512發(fā)光二級管8三、 總體方案共設(shè)計3種花型，如下：花型1花型2花型30000 00000

2、000 00000000 00001000 00001000 00000001 10001100 00000100 00000011 11001110 00001010 00000111 11101111 00000101 00001111 11111111 10001010 10001110 01111111 11000101 01001100 00111111 11101010 10101000 00011111 11110101 01010000 00000111 11111010 10100001 10000011 11110101 01010011 11000001 11111010

3、 10100111 11100000 11110101 01011111 11110000 01111010 10101110 01110000 00110101 01011100 00110000 00011010 10101000 0001每種花型均有16種狀態(tài)，花型3的前8種狀態(tài)和后8種狀態(tài)相同。模塊圖如下（箭頭示數(shù)據(jù)流的方向和內(nèi)容）：cp脈沖脈沖發(fā)生電路（555）原始cp脈沖cp脈沖節(jié)拍控制電路（74ls74，74ls00）串行輸入值74ls194的控制電路（兩片74ls151）記數(shù)電路（兩片74ls161）兩片74ls194狀態(tài)信息花型號花型號s1，s0（控制信息）；清零信號四、 單

4、元電路設(shè)計具體實現(xiàn)中，我為讓花型更加靈活，沒有設(shè)計銜接良好的花型從而使電路更簡單，且我是以花型為主設(shè)計電路，實現(xiàn)起來太麻煩時我才更改花型。我為保證電路的易修改性、清晰性和模塊化，沒有過多考慮減少芯片數(shù)量，總共用11片。花型1兩片74ls194的連接方式（兩片74ls194均右移）：左片74ls194的sr波形圖如下：花型2兩片74ls194的連接方式（兩片74ls194均右移）：左片74ls194的sr波形圖如下：花型3兩片74ls194的連接方式（左邊的74ls194左移，右邊的右移）：左片74ls194的sl和右片74ls194的sr波形圖如下：將74ls194需要反饋的數(shù)據(jù)送入74ls1

5、51（數(shù)據(jù)選擇器），由74ls161（計數(shù)器）控制數(shù)據(jù)選擇器的a、b、c三個端子，將花型號（花型1為00，花型2為01，花型3為10）送入，使數(shù)據(jù)選擇器選擇74ls194需要的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)選擇器的輸出接到74ls194。左右兩片74ls151的輸出分別接到左右兩片74ls194的sr端。左片74ls194在花型3（當(dāng)且僅當(dāng)花型號高位為1時）左移，因此用花型號的高位端即可控制左片74ls194的s1和s0（花型號的高位端執(zhí)接s1，它的非接s0），右片74ls194一直右移。計數(shù)電路采用兩片74ls161，低位片模16計數(shù)，高位片模3計數(shù)（花型1為00，花型2為01，花型3為10），將低位片的co

6、端接到高位片的et和ep端以實現(xiàn)兩片的同步級聯(lián)。高位片的qbqa即為花型號。高位片qa與qb波形如下：為保證自啟動和花型2過渡到花型3，每種花型結(jié)束時都將兩片74ls194清零。清零采用74ls161低位片的co端反相后接74ls194的clr端。但74ls194是異步清零，故這樣的清零信號會使前一種花型的最后一種狀態(tài)和后一種花型的第一種狀態(tài)都為全0，為解決此問題，將cp脈沖的非跟74ls161低位片的co相與非后接入兩片74ls194的clr端，這樣每種花型的最后一種狀態(tài)的長度只有半個cp脈沖周期。將cp的非接入74ls194的clk端，使74ls194在“下降沿”工作。這樣，最后一種狀態(tài)的

7、長度便為一個cp周期，每種花型16種狀態(tài)即得到保證。節(jié)拍控制電路由一片74ls74和一片74ls00組成。將74ls74的兩個d觸發(fā)器都接成t觸發(fā)器。觸發(fā)器1用來實現(xiàn)二分頻，觸發(fā)器2用來記錄節(jié)拍狀態(tài)。將74ls161高位片的qb反相后接到它的clk端。這樣在第三種花型過渡到第一種花型時即三種花型都演示了一遍后該觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次。通過門電路選擇原始cp和分頻后的cp。分頻電路如下：脈沖發(fā)生電路如下：完整電路圖如下（ewb 5.12中沒有74ls161，圖中用74ls163代替；為在ewb中測試，發(fā)光二極管的接地電阻我設(shè)為10，實為100）：五、 發(fā)生的問題和解決方法自啟動問題與異步清零的麻煩。我開

8、始的設(shè)想是每種花型結(jié)束于全0狀態(tài)，此狀態(tài)觸發(fā)模3計數(shù)器加1，觸發(fā)下一種花型。但這種設(shè)計存在問題，如果74ls194的初始狀態(tài)是偏離狀態(tài)，那么移位可能使花型混亂，且有可能永遠(yuǎn)不能到達(dá)全0狀態(tài)，從而不能進(jìn)入循環(huán)圈。我想過多種改進(jìn)方案，最后選擇了用計數(shù)器與74ls194同步工作，由低位計數(shù)芯片觸發(fā)高位計數(shù)芯片（模3）計數(shù)，高位片值改變時向74ls194發(fā)出清零信號。而我的每種花型都是從全0狀態(tài)開始，這樣就解決了自啟動問題。為設(shè)計簡單，我將每種花型都設(shè)計為16種狀態(tài)（低位計數(shù)芯片模16），這樣，問題又出現(xiàn)了。用低位片的co端取反后接入74ls194的清零端是最簡單的方法，但74ls194是異步清零，這

9、樣會使前一種花型的最后一種狀態(tài)和后一種花型的第一種狀態(tài)都為全0，因為低位片為1111時co即為1。這個問題花了我較長的時間，后來我想了一個折中的辦法，將cp脈沖的非跟74ls161低位片的co相與非后接入兩片74ls194的clr端，但這樣每種花型的最后一種狀態(tài)的長度只有半個cp脈沖周期。我又想過將cp脈沖跟74ls161低位片的co相與非，我對這種方法抱有很大信心，但在ewb上模擬的結(jié)果還是全0狀態(tài)持續(xù)了兩個cp周期（花型的第1個非全0狀態(tài)開始了一瞬就又被清零），后來我分析，花型的第1個非全0狀態(tài)（第2個狀態(tài)）開始時，co從1變到0，cp從0變到1，但cp變得比co早一瞬，因此這一瞬間co與

10、cp都為1，清零信號有效。后來，我準(zhǔn)備接受花型的最后一個狀態(tài)只持續(xù)半個cp周期的那種方案。到了第二天，準(zhǔn)備開始連電路時，我不由地又在紙上畫起cp、co的波形來。忽然，我想到，在那種方案的基礎(chǔ)上把cp的非接到74ls194，讓74ls194變?yōu)椤跋陆笛亍庇|發(fā)，使第1個非全0狀態(tài)提前半個周期開始，這樣，全0狀態(tài)的長度為1個cp周期而不是以前的1.5個，最后一個狀態(tài)被提前了半個周期，因而長度達(dá)到1個周期。不論計數(shù)電路還是74ls194發(fā)生了偏離，最多經(jīng)16個cp周期便可恢復(fù)。自啟動問題圓滿解決！發(fā)光二極管的保護電阻問題。在ewb 5.12上，我發(fā)現(xiàn)將八個發(fā)光二極管并聯(lián)后用一個100電阻接地時，發(fā)光二

11、極管最多只亮四個，到5個以上亮的狀態(tài)時就全都不亮。經(jīng)檢查電路沒有問題。后來想到可能是電阻太大了，但黑板上畫的是這樣接呀。我抱著試試看的想法將100電阻改為10，問題解決！我找老師確認(rèn)，老師說這樣接可以，后來我將電路接好后發(fā)現(xiàn)的確可以，只是燈亮多了每個會暗一些。這應(yīng)該是ewb 5.12的一個bug。那片有問題的74ls161。電路接好后花型混亂，我拿起萬用表開始檢查，發(fā)現(xiàn)高位74ls161（模3）的qa總是低電平，且更怪的是我把表筆接qa和地線進(jìn)行測量時，花型正常，表筆離開時花型又混亂。推測是片子的問題，換了一片后花型正常。六、 總結(jié)“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，實踐中能學(xué)到書本上很多學(xué)不

12、到的東西。真正自己動手做了，才能體會這樣深刻；真正把東西做出來了，心里才有無比的喜悅！電一種只能從高電勢流到低電勢的東西，一種看似很單調(diào)的東西，但人們用它實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、邏輯變換、信號放大等如此多的功能，讓我們坐在電腦前真的難以想象屏幕上出現(xiàn)的絢麗竟源自那一根只有兩股的電源線！光也是一種看似單調(diào)的東西，但人們用它實現(xiàn)了用光控制光的全光路由器；人們還設(shè)想了全光計算機，量子光計算機等。人類在向一個又一個高峰挑戰(zhàn)！數(shù)字電路這門課的一個思想就是“最笨但符合規(guī)程的方法能做大項目”，比如設(shè)計一個電路，弄出每一個中間變量和輸出變量的真值表總能做出來，雖然有時比觀察法笨。大的電路用觀察法就很難了。電路設(shè)計與軟

13、件設(shè)計是有很多相似之處的。比如分階段，堅持進(jìn)行階段評審，模塊化等。我這次沒有把面包板完全拆掉重連一次，也得益于我有軟件設(shè)計的思想，我是設(shè)計完全好并且通過仿真測試后才動手連電路的。電腦模擬與虛擬現(xiàn)實是非常重要的。模擬能讓失敗的代價小得多，這點在其它方面也適用！“集成”是一個很好的詞。我有了芯片后不用考慮它的電路機理、化學(xué)機理或物理機理照樣能設(shè)計電路。我只用知道一個芯片對外的接口。這與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中的“類的封裝性”在思想上相通。這樣，不同的人可以設(shè)計不同的模塊，最后用接口把它們組裝起來即可，這樣就同時用上了許多人的智慧，就可以完成一個人完不成的東西?！捌硬贿^幾個，幾個片子之變不可勝窮也”，把電路稍微變一變就又是一種全新的花型，這便是數(shù)電吸引人的地方之一吧。我這次設(shè)計的應(yīng)該屬于專用電路，教我們微機原理的老師說過“高級語言做不了的我可以用匯編語言，匯編語言還做不了的我可以用硬件去做！”這個彩燈控制器便是“用硬件去做”的。但這樣畢竟太