数字电路课程设计（学年设计、学年论文）任务书学院计算机与信息工程学院专业网络工程课程名称数字电路题目四路彩灯显示电路系统的设计完成期限自2013年12月1日至2014年1月5日共5周内容及任务一、项目的目的（1）加深对电子线路的基本知识的了解和对电路的构建；（2）通过对问题的分析，选取相关的原件，系统设计，把实际问题转化为仿真电路问题；（3）提高团队的合作能力和动手能力；二、项目任务的主要内容和要求（1）设计四路彩灯显示电路，接通电源后，彩灯可以自动按预先设置闪烁；（2）设置的彩灯花型由三个节拍组成第一节拍：从左向右逐次渐亮，灯亮时间1S共用4S.第二节拍：四路彩灯从右向左逐次渐灭，也需4S。

第三节拍：四路彩灯同时亮0.5秒，然后同时变暗，进行四次，所需时间也是四秒。

（3）三个节拍完成一个循环，一共需要12S。

一次循环之后重复进行闪烁。

三、项目设计（研究）思路系统主要包括脉冲源、分频器、节拍控制器等，脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为1Hz的时钟信号；分频器将1Hz的时钟信号四分频，用以产生0.25Hz（即4S）的时钟信号；节拍控制器产生三个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移和送数功能，可以使用双向通用移位寄存器74LS194完成；显示电路完成系统循环演示的指示，可以用发光二极管模拟。

四、具体成果形式和要求具体成果：四路彩灯显示电路系统和设计文档；其要求：设计思路清晰，给出整体设计框图；设计个单元电路，给出具体设计思路、电路器件。

进度安排起止日期工作内容12.1-12.10 选题，组员分工，明确任务，查找相关资料。

12.11-12.20 绘制电路原理图。

12.21-12.30 运行、调试。

12.31-1.3 编写课程设计报告、答辩。

主要参考资料[1]康华光主编.电子技术基础（数字部分)第五版.高等教育出版社。

[2]康华光主编.电子技术基础（模拟部分)第五版.高等教育出版社。

[3]蔡惟铮《数字电子线路基础》[M]哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社。

[4]吕思忠《数字电路实验与课程设计》哈尔滨工程大学出版社。

[5]谢自美《电子线路设计》华中理工大学出版社。

指导教师意见（签字）：×年×月×日系（教研室）主任意见（签字）：×年×月×日数字电路设计说明书（或论文）学院名称：计算机与信息工程学院班级名称：12网工1学生姓名：陈光辉金双双汪小龙方黎明任祥吕海涛学号：题目：四路彩灯显示电路系统的设计指导教师姓名：温卫敏起止日期：2013.12.1至2014.1.3第一部分：正文部分一、选题背景随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。

LED 彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为了一种时尚。

二、 相关知识1.系统设计方案分析设计任务可知，系统结构框图如图2.1所示。

其中脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为1Hz 的时钟信号；分频器将1Hz 的时钟信号四分频，用以产生0.25Hz （即4S ）的时钟信号；节拍控制器产生三个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移和送数功能，可以使用双向通用移位寄存器74LS194完成；显示电路完成系统循环演示的指示，可以用发光二极管模拟。

系统控制流程图及控制系统结构框图如图2.1所示：图2.1 四路彩灯控制系统结构框图(1)方案一直流稳压电路设计：电源变压器，单桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路。

时序脉冲电路设计：555定时器组成多谐振荡器。

彩灯控制电路：分频器采节拍控制器 分频器 节拍程序执行器脉冲源启动 显示电路用74HC163起节拍产生和控制作用。

优缺点：使用元件少，电路设计简单；价格相对较高，连线线多。

(2)方案二直流稳压电路设计：电源变压器，单桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路。

时序脉冲电路设计：555定时器组成多谐振荡器。

彩灯控制电路：分频器采用两个D 触发器连接成四进制异步减法计数器；采用两个D 触发器和一个与非门构成三进制计数器优缺点：价格相对较低，连接线少；设计偏难，使用元件较多。

(3)方案选择由于方案二设计需要的元器件较多，设计偏难，因此选用方案一设计控制系统电路。

2.系统芯片选型（1）555定时器时序脉冲电路设计：555定时器组成多谐振荡器。

555 定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5 脚悬空时，则电压比较器C1 的同相输入端的电压为2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。

若触发输入端TR 的电压小于VCC /3，则比较器C2 的输出为0，可使RS 触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH 的电压大于2VCC/3，同时TR 端的电压大于VCC /3，则C1 的输出为0，C2 的输出为1，可将RS 触发器置0，使输出为0 电平如图2.2所示。

图2.2 555定时器封装图（2）74HC163彩灯控制电路：分频器采用74HC163起节拍产生和控制作用。

图2.3 74HC163N_6V（3）双向通用移位寄存器74LS194送数功能电路：双向通用移位寄存器如图2.4 所示74LS194，所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次位移的寄存器，它是一种可以用二进制形式保存数据的双稳器件,即能左移又能右移的寄存器。

图2.4 74LS194D封装图三、系统设计1.系统工作原理四路彩灯既有四路输出，设依次为Q D、Q C、Q B、Q A，若“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。

由课题要求可知四路彩灯显示系统要求如下表3.1所示的输出显示。

表3.1四路彩灯输出显示说明输出所用时间Q D Q C Q B Q A开机初态0 0 0 0第一节拍逐次渐亮1 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 11s1s1s1s第二节拍逆序渐灭1 1 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 01s1s1s1s第三节拍同时亮0.5s，然后同时灭0.5s，进行四次1 1 1 10 0 0 01 1 1 10 0 0 01 1 1 10.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0 0 0 01 1 1 10 0 0 0 0.5s 0.5s 0.5s由分析可知，需要一个分频器起节拍产生和控制作用，每4s 一个节拍，3个节拍共12s 后反复循环。

一个节拍结束后应产生一个信号到节拍程序执行器，完成彩灯渐亮、渐灭、同时亮、同时灭等功能。

分频及节拍控制可以用一个12进制计数器来完成；彩灯渐亮、渐灭可以用器件的左移、右移功能来实现，因此可选用移位寄存器74194来完成。

同时亮0.5s 、同时灭0.5s 可考虑把1Hz 的秒脉冲信号直接加到输出显示端来完成。

综上所述，要完成四路彩灯显示功能需要有分频器、节拍控制器、节拍程序执行器及脉冲源等电路。

记第一，二，三节拍分别为Y 2Y 1Y 0有效时间应为4秒，Y 2结束Y 1马上开始，Y 1后Y 0马上开始，如此循环不断。

为此可考虑采用移位寄存器构成的移位型控制器。

由于有三个状态，因此需要用三个触发器对现时状态进行记忆，为使各状态的有效时间间隔为4秒，则驱动该移位控制器动作时钟周期应为4秒。

或者用74163与74194配合对三个状态和有效时间间隔同时进行控制，应在开机瞬间，使移位型控制器的状态被确定下来，即Y 2Y 1Y 0节拍应为100，可控制输入信号使触发器置位、复位来实现。

为实现Y 2功能要求器件具有右移功能，为实现Y 1功能要求器件有左移功能；右移输入端为“1”，左移输入端为“0”；为实现Y 0功能，要求器件同时具有并行置数功能。

因此可选用一种具有左移、右移和并行置数功能的通用移位寄存器74LS194。

74LS194具有并行输入端A 、B 、C 、D ，并行输出端A Q 、B Q 、C Q 、D Q ，右移输入端SR ，左移输入端SL 和模式控制输入端S 1，S 0和一个个无条件直接清除端CLR 。

模式控制输入S 1，S 0，有00、01、10、11四种组合方式，分别表示双向移位寄存器所具有的四种功能，即保持、右移、左移和并行置数。

为了使当Y 2Y 1Y 0=100时，S 1S 0 =01（右移），Y 2Y 1Y 0=010时，S 1S 0=10（左移），当Y 2Y 1Y 0=001时S 1S 0=11（并行置数）。

74LS194的输出端初态均为零，在开机瞬间，使移位控制端S1S0的状态被确定下来，即Y2Y1Y0 =100时，S1S0 =01 右移串行数据输入端SR经脉冲信号经四分频电路和通过两或门组成的节拍电路，或者通过74161使四路彩灯从右到左依次亮共4秒，当Y2Y1Y0=010 S1S0=10 左移串行数据输入端SL经脉冲信号经四分频电路和通过两或门组成的节拍电路，或者通过74161使四路彩灯从左到右依次灭共4秒，Y2Y1Y0 =001 S1S0 =11 并行数据输入端A、B、C、D经脉冲信号经四分频电路和通过两或门组成的节拍电路，或者是脉冲直接输入到彩灯使四路彩灯同时为“1”0.5秒、同时为“0”0.5秒，重复4遍共4秒，完成一个循环共需12秒，12个CP脉冲。

2.直流稳压电源电路设计电源变压器是将交流电网220v电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。

由于此脉动的直流电压还含有较大的波纹，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。

但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。

因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。

稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。

图3.1 直流稳压电源仿真图3.时序脉冲电路设计（1）电路结构图3.2 时序脉冲电路工作原理图（2）工作原理接通电源后，电容被充电，当Vc 上升到2/3Vcc 时，使Vo 为低电平，同时放电三极管T 导通，此时电容通过R2和T 放电，Vc 下降。

当Vc 下降到1/3Vcc 时,Vo 翻转为高电平。

如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。

由555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期计算公式为:T=0.7(R1+2R2)C ………………………………………(3-1)控制74HC161十六进制计数器电阻值和电容值可设为：R1=16.2K Ω；R2=63.4K Ω；C=10μF ；T=1.001s 。

其电路仿真图如下启动信号：单拍停机 节拍脉冲环形脉冲发生器时序脉冲源H 节拍脉冲转换为节拍脉冲的逻辑电路图3.3 1HZ时序脉冲电路仿真图4.彩灯控制电路的设计由74HC163，74HC194及与非门，与门，或门，放大器及彩灯组成。