移位寄存器型彩灯控制器.doc
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课程设计（综合实验）报告
（20--20年度第学期）
名称：
数字电子技术综合实验
题目：
移位寄存器型彩灯控制器
院系：
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数：
成绩：
日期：
年月日
课程课程设计（综合实验）报告
一、课程设计（综合实验）的目的与要求
1、目的
2、要求
二、设计框图及电路系统概述
1、理论原理框图
2、电路概述
三、各单元电路的设计方案及原理说明、参数计算
1、节拍发生器
2、控制信号产生电路
3、花型产生器
4、完整电路图
四、设计、安装及调试中的体会
五、参考文献
附录（设计流程图、程序、表格、数据等）
《电子技术》综合实验
任务书
一、目的与要求
1.目的
1.1综合实验是教学中必不可少的重要环节，通过课程设计巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能，提高综合运用知识的能力，逐步增强实际工程训练。
1.2注重培养学生正确的设计思想，掌握综合实验的主要内容、步骤和方法。
1.3培养学生获取信息和综合处理信息的能力、文字和语言表达能力以及协作工作能力。
1.4提高学生运用所学的理论知识和技能解决实际问题的能力及其基本工程素质。
2.要求
2.1能够根据设计任务和指标要求，综合运用电子技术课程中所学到的理论知识与实践技能独立完成一个设计课题。
2.2根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料。
要求通过独立思考、深入钻研课程设计中所遇到的问题，培养自己分析、解决问题的能力。
2.3进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，掌握合理选用的原则。
2.4学会电子电路的安装与调试技能，掌握常用仪器设备的正确使用方法。
利用“观察、判断、实验、再判断”的基本方法，解决实验中出现的问题。
2.5学会撰写综合实验总结报告。
2.6通过综合实验，逐步形成严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风和科学态度，培养学生树立一定的生产观点、经济观点和全局观点。
要求学生在设计过程中，坚持勤俭节约的原则，从现有条件出发，力争少损坏元件。
2.7在综合实验过程中，要做到爱护公物、遵守纪律、团结协作、注意安全。
二、主要内容
共有8个既有学习价值又有一定的实用性和趣味性的设计课题，学生根据自身情况自由选择其中之一。
1.移位寄存器型彩灯控制器
2.智力竞赛抢答器
3.电子拔河游戏机
4.交通信号灯控制器
5.数字电子钟
6.电子密码锁
7.电子秒表
8.数字电子钟（硬件）
三、进度计划
序号
设计（实验）内容
完成时间
备注
1
设计内容讲解、学习资料查找方法
半天
2
发放材料、清点材料、熟悉各种元器件
半天
3
查找资料、设计电路、绘制总体电路草图
1天
4
电路组装并调试或在Multisim上绘制电路图、仿真并调试
2天
5
验收、撰写实验报告
1天
四、设计（实验）成果要求
1.学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设计，通过论证与选择，确定总体方案；然后对方案中单元电路进行选择和设计计算；最后画出总体电路图。
2.预设计经指导教师审查通过后，学生即可向实验室领取所需元器件等材料，在面包板上组装、调试电路，使之达到设计指标要求。
3.在Multisim软件平台上学生可直接设计、仿真和实现，直至达到设计要求。
五、考核方式
综合以下指标评定课程设计总成绩：
优、良、中、及格和不及格。
1.设计方案的正确性与合理性；
2.实验动手能力（安装工艺水平、调试中分析解决问题的能力以及创新精神等）；
3.总结报告；
4.答辩情况（课题的论述和回答问题的情况）；
5.设计过程中的学习态度、工作作风和科学精神。
学生姓名：
指导教师：
年月日
一、课程设计（综合实验）的目的与要求
1.目的：
1.1综合实验是教学中必不可少的重要环节，通过综合实验巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能，提高综合运用知识的能力，逐步增强实际工程训练。
1.2注重培养学生正确的设计思想，掌握综合实验的主要内容、步骤和方法。
1.3培养学生获取信息和综合处理信息的能力、文字和语言表达能力以及协作工作能力。
1.4提高学生运用所学的理论知识和技能解决实际问题的能力及其基本工程素质。
2.要求：
2.1采用移位寄存器设计一个彩灯控制器。
2.2要求三种变换花型
以某种节拍按一定规律改变彩灯的输入电平值，控制彩灯的亮与灭，按预定规律显示一定的花型。
花型1：
8路彩灯从左至右顺次渐亮，全亮后逆序渐灭；循环两次。
花型2：
8路彩灯从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后仍由中间到两边逐次渐灭；循环两次。
花型3：
8路彩灯分两半，从左至右顺次渐亮，全亮后则灭，循环三次。
花型真值表如下：
节拍
顺序
编码QAQBQCQDQEQFQGQH
花型1（左→右）
花型2
花型3（左→右）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
00000000
10000000
11000000
11100000
11110000
11111000
11111100
11111110
11111111
11111110
11111100
11111000
11110000
11100000
11000000
10000000
00000000
00011000
00111100
01111110
11111111
11100111
11000011
10000001
00000000
10001000
11001100
11101110
11111111
二、设计框图及电路系统概述
1.理论原理框图
彩灯控制器以某种节拍按一定规律改变彩灯的输入电平值，控制彩灯的亮与暗，按预定规律显示一定的花型。
因此彩灯控制器需要一个能按一定规律输出不同高低电平编码信号的编码发生器，同是还需要编码发生器所要求的时序信号和控制信号。
彩灯控制器的原理框图如图所示。
控制电路
编码发生器
彩灯
定时器
2.电路概述
通过两个16进制计时器级联组成一个产生128个节拍的节拍控制电路，再根据逻辑关系并连接合适的门电路与移位寄存器相连形成控制电路，移位寄存器的输出端与彩灯相连产生相应花型，用单刀双掷开关构成清零系统，设计框图如下图。
清零系统
节拍发生器
控制信号产生电路
花型产生电路
三、各单元电路的设计方案及原理说明、参数计算
1．节拍发生器
根据题意，三种花型循环一次需要63个节拍，再加上最后总清零的节拍一共是64个节拍，所以快慢两种频率各64拍，一共需要128节拍。
根据计数器的分频特性，采用2个16进制的计数器级联，各个端口分别为2分频，4分频，8分频，16分频，32分频，64分频，128分频，最后一个端口用作清零信号。
分频部分：
128分频信号用作控制快慢节拍的信号，初始时，74LS161（U2）的QC端为低电平，经反相器为高电平，通过逻辑电路可使低频脉冲作用于计数器，64拍后QC变为高电平，此时高频脉冲信号作用于计数器。
清零部分：
清零分两部分，第一部分：
开关控制的清零，开关接地时清零；第二部分：
最后一个端口即256分频信号控制的清零，每次大循环完毕清零一次。
电路图如下：
2．控制信号产生电路
以慢节拍为例，1~32节拍显示花型1，其中1~8节拍移位寄存器左移8位，9~16节拍移位寄存器右移8位，17~32节拍重复1~16节拍内容。
33~48节拍显示花型2，其中33~40节拍移位寄存器1左移，移位寄存器2右移，41~48节拍重复33~40节拍内容。
49~63节拍显示花型3，其中49~53节拍2个移位寄存器左移，54~58、59~63节拍重复49~53节拍内容。
64节拍总清零
74LS194的功能表
功能
0
╳
╳
╳
异步清0
1
0
0
↑
保持
1
0
1
↑
右移
1
1
0
↑
左移
1
1
1
↑
预置
要实现上述花型显示，关键是移位寄存器的功能控制端S0、S1和左移SL、右移SR的信号电平如何组织。
通过上面有关控制器部分的论述，将6位二进制数的输出变量Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5作为组合逻辑电路的输入，而寄存器的S0、S1、SL、SR作为组合逻辑电路的输出，这样就实现了控制器对移位寄存器的控制。
下表为控制器的慢节拍或快节拍的64个状态与74LS194的控制信号的对应关系：
控制器的状态与74LS194芯片的控制信号对应关系
节拍
移位寄存器74LS194
（1）
移位寄存器74LS194
（2）
片1控制移动的信号
片2控制移动的信号
1~4
000000~000011
左移，
左移，
S1
（1）=1
S0
（1）=0
S1
（2）=1
S0
（2）=0
5~8
000100~000111
左移，
左移，
S1
（1）=1
S0
（1）=0
S1
（2）=1
S0
（2）=0
9~12
001000~001011
右移，
右移，
S1
（1）=0
S0
（1）=1
S1
（2）=0
S0
（2）=1
13~16
001100~001111
右移，
右移，
S1
（1）=0
S0
（1）=1
S1
（2）=0
S0
（2）=1
17~20
010000~010011
左移，
左移，
S1
（1）=1
S0
（1）=0
S1
（2）=1
S0
（2）=0
21~24
010100~010111
左移，
左移，
S1
（1）=1
S0
（1）=0
S1
（2）=1
S0
（2）=0
25~28
011000~011011
右移，
右移，
S1
（1）=0
S0
（1）=1
S1
（2）=0
S0
（2）=1
29~32
011100~011111
右移，
右移，
S1
（1）=0
S0
（1）=1
S1
（2）=0
S0
（2）=1
33~36
100000~100011
右移，
左移，
S1
（1）=0
S0
（1）=1
S1
（2）=1
S0
（2）=0
37~40
100100~100111
右移，
左移，
S1
（1）=0
S0
（1）=1
S1
（2）=1
S0
（2）=0
41~44
101000~101011
右移，
左移，
S1
（1）=0
S0
（1）=1
S1
（2）=1
S0
（2）=0
45~48
101100~101111
右移，
左移，
S1
（1）=0
S0
（1）=1
S1
（2）=1
S0
（2）=0
49~52
110000~110011
左移，
左移，
S1
（1）=1
S0
（1）=0
S1
（2）=1
S0
（2）=0
53
110100
清零
清零
CR
（1）=0
CR
（2）=0
54~57
110101~111000
左移，
左移，
S1
（1）=1
S0
（1）=0
S1
（2）=1
S0
（2）=0
58
111001
清零
清零
CR
（1）=0
CR
（2）=0
59~62
111010~111101
左移，
左移，
S1
（1）=1
S0
（1）=0
S1
（2）=1
S0
（2）=0
63~64
111110~111111
清零
清零
CR
（1）=0
CR
（2）=0
真值表
卡诺图化简
=00
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
1
1
1
1
11
0
0
0
0
10
0
0
0
0
=01
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
1
1
1
1
11
0
0
0
0
10
0
0
0
0
=10
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
0
0
0
0
11
0
0
0
0
10
0
0
0
0
=11
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
1
1
1
1
11
1
1
1
1
10
1
1
1
1
化简得：
=+
卡诺图化简
=00
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
0
0
0
0
11
1
1
1
1
10
1
1
1
1
=01
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
0
0
0
0
11
1
1
1
1
10
1
1
1
1
=10
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
1
1
1
1
11
1
1
1
1
10
1
1
1
1
=11
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
1
0
0
0
11
0
0
1
1
10
0
1
0
0
化简得：
+
卡诺图化简DSR
（2）
=00
00
01
11
10
00
×
×
×
×
01
×
×
×
×
11
0
0
0
0
10
1
1
1
1
=01
00
01
11
10
00
×
×
×
×
01
×
×
×
×
11
0
0
0
0
10
1
1
1
1
=10
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
0
0
0
0
11
0
0
0
0
10
1
1
1
1
=11
00
01
11
10
00
×
×
×
×
01
×
×
×
×
11
×
×
×
×
10
×
×
×
×
化简得：
卡诺图化简
=00
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
1
1
1
1
11
0
0
0
0
10
0
0
0
0
=01
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
1
1
1
1
11
0
0
0
0
10
0
0
0
0
=10
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
1
1
1
1
11
1
1
1
1
10
1
1
1
1
=11
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
1
1
1
1
11
1
1
1
1
10
1
1
1
1
化简得：
卡诺图化简
=00
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
0
0
0
0
11
1
1
1
1
10
1
1
1
1
=01
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
0
0
0
0
11
1
1
1
1
10
1
1
1
1
=10
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
0
0
0
0
11
0
0
0
0
10
0
0
0
0
=11
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
1
0
0
0
11
0
0
1
1
10
0
1
0
0
化简得：
卡诺图化简
=00
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
1
1
1
1
11
×
×
×
×
10
×
×
×
×
=01
00
01
11
10
00
0
0
0
0
01
1
1
1
1
11
×
×
×
×
10
×
×
×
×
=11
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
0
0
0
0
11
0
0
0
0
10
1
1
1
1
=10
00
01
11
10
00
1
1
1
1
01
×
1
1
1
11
1
1
×
×
10
1
×
1
1
化简得：
由真值表易知，
故得所有表达式：
=+
+
根据上述式子通过相应的门电路与移位寄存器的控制端口相连，采用逻辑门电路实现，如下图所示：
3．花型产生器
用两片74X194的八路输出端口分别与彩灯相连，即可产生相应的花型，电路图如下：
4．将上面三部分合并得到完整电路图
四、设计、安装及调试中的体会
1、本实验涉及的变量较多，在设计电路图时，要学会从大方面到小方面进行分析，学会从部分到整体来分析电路。
2、在设计电路图时，每一步都要认真思考，认清各元件的功能。
3、在设计电路图时，要懂得利用身边没所有的元件来代替没有的元件。
4、由于应用元件比较多，结构较为复杂，每一步都要仔细认真，分块接线检验，否则整个检查十分困难，把握好每个模块是实验的关键。
尤其是连控制电路时，由于连线过多，容易出错。
5、连接完成后一定要认真地从头到尾测试一遍，看符不符合题设要求。
6、通过这次试验，让我对数电知识有了更进一步的认识，学会了如何利用书本中的知识解决现实生活中的问题。
同时，本次综合实验综合考察了组合逻辑电路、移位寄存器、时序逻辑电路的应用设计，让我了解了分析问题时的方法和如何对一个综合电路的设计步骤。
7、虽然在几天的努力下完成彩灯控制电路的设计并仿真成功，但整个设计过程下来，觉的自己对各种元件的使用还不够熟练，觉得以后要多动手做实验，已达到熟练地使用各种电子元件。
五、参考文献
[1]李月乔.数字电子技术基础.中国电力出版社,2008
[2]李旭彦.电子技术综合实验.中国电力出版社.2010
附录（设计流程图、程序、表格、数据等）
附录1：
彩灯控制器一次总循环的状态列表
时钟周期的序号
状态QhQgQfQeQdQcQbQa
时钟周期的序号
状态QhQgQfQeQdQcQbQa
初始状态
00000000
33
00011000
花型2第一次循环
1
10000000
花型1第一次循环
34
00111100
2
11000000
35
01111110
3
11100000
36
11111111
4
11110000
37
11100111
5
11111000
38
11000011
6
11111100
39
10000001
7
11111110
40
00000000
8
11111111
41
00011000
花型2第二次循环
9
11111110
42
00111100
10
11111100
43
01111110
11
11111000
44
11111111
12
11110000
45
11100111
13
11100000
46
11000011
14
11000000
47
10000001
15
10000000
48
00000000
16
00000000
49
10001000
花型3第一次循环
17
10000000
花型1第二次循环
50
11001100
18
11000000
51
11101110
19
11100000
52
11111111
20
11110000
53
00000000
21
11111000
54
10001000
花型3第二次循环
22
11111100
55
11001100
23
11111110
56
11101110
24
11111111
57
11111111
25
11111110
58
00000000
26
11111100
59
10001000
花型3第三次循环
27
11111000
60
11001100
28
11110000
61
11101110
29
11100000
62
11111111
30
11000000
63
00000000
31
10000000
64
00000000
总清零
32
00000000
附录2：
实验设计总电路图
20
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