移位寄存器型彩灯控制器课程设计

课程 课程设计（综合实验）报告

(三) 总体方案设计

本实验一共有快慢两个节拍和128个状态，有8个彩灯，分为两组，可以用两个74X194以为寄存器来控制。用二进制分频器和数据选择器控制快慢节拍的选取，用7个JK触发器组成7位二进制累加器和门电路来控制两片194移位寄存器电路，从而控制8个彩灯的运行。 (四) 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，控制彩灯的亮与灭，按预定规律显示一定的花型。因此彩灯控制器需要一个能够按一定规律输出不同高低电平编码信号的编码发生器，同时还需要编发生器所要求的时序信号和控制信号。由于实际应用场合所带彩灯可能是功率较大的白炽灯或其它，因此还需要一定的驱动电路，实验中因采用发光二极管或指示灯，故可省略驱动电路。

控制电路 编码发生器 定时器

(五) 设计思路 1. 节拍控制器

三种花型循环一次需要的节拍数16*2+8*2+5*3=63个，再加上清“0”一拍，共64拍。三种花型若先以慢节拍显示一遍，再以快节拍显示一遍，这样构成一次大循环共需128节拍。7位二进制计数器正好有128个状态，以Q7,Q6,Q5,Q4,Q3,Q2,Q1表示计数器的状态，当计数器有0000000~1111111变化时正好对应8个彩灯的变化。

CPL（慢）的1-32节拍显示花型1，其中1-8节拍移位寄存器右移8位，9-16节拍移位寄存器左移8位，17-32节拍重复1-16节拍内容。

CPL（慢）的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。

CPL（慢）的49-63节拍显示花型3，其中49-53节拍2个移位寄存器右移，54-58、59-63节拍重复49-53节拍内容。

CPL（慢）的64节拍总清“0”。

CPH（快）的64节拍与慢节拍显示相同。

因此，节拍控制电路需要产生8、16、32、64、128拍的节拍控制信号。节拍控制信号电路框图如下：

移位脉冲 f/2 f/4 f/8 2分频 2分频 2分频 2分频 f/16 f/32 f/64 f/128 2分频 2分频 2分频 驱动器 彩灯 f CPH或CPL CP4 CP5 CP6 CP7

二进制计数器可以采用很多种方法来实现，通常可采用两个4位二进制集成计数器级联，并利用本身同步或异步来实现，也可采用7个触发器来实现。本实验就是采用7个JK触发器来实现7位二进制计数

4

课程 课程设计（综合实验）报告

器的输出变量的组合作为移位寄存器的控制信号，即可实现整个彩灯控制电路的功能。

JK触发器的表达式为

Qn?1?JQn?KQn

若要实现输出是时钟信号CPn的2分频，则要使

Qn?1?Qn

令J=Qn，K=Q即可满足条件。

n第n个JK触发器的时钟信号CPn的表达式为

CPn+1=Qn

电路连接如下图所示：

IO23IO17IO7IO4U12A4~1PR1J1Q54311K~1CLR74LS112N6215U13A~1PR1J1Q54311K~1CLR74LS112N6215U14A~1PR1J1Q54311K~1CLR74LS112N6215U15A~1PR1J1Q54311K~1CLR74LS112N6215U3A~1PR1J1Q54311K~1CLR74LS112N6215U4A~1PR1J1Q54311K~1CLR74LS112N6215U5A~1PR1J1Q5IO12IO1312IO8IO3IO5~1Q~1Q~1Q~1Q~1Q~1Q1K~1CLR~1Q6IO215IO9IO674LS112NIO10IO11IO18IO13IO19IO14IO21IO15IO16IO20IO22

快慢节拍的时钟电路框图如下：

f0 fH fL 振荡器 分频器 分频器

CPH(快) CPL(慢)

脉冲源使用元件库中的脉冲源。

CP7=0时，移位脉冲CP为慢节拍CPL；CP7=1时，CP为快节拍CPH。所以能够 选择快慢节拍的移位脉冲CP的表达式为

CP?CP7CPL?CP7CPHCP6（周期为64拍）的状态来区分的。 CP7的周期为128节拍。各工作方式控制信号基本上是按

节拍控制信号时序图 如下：

5

课程 课程设计（综合实验）报告

2. 编码发生器

使用两片用四位双向集成移位寄存器74X194作为控制信号的设计，分别记为寄存器1，寄存器2，输出分别接八个彩灯，记为状态QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG、QH，1表示亮灯，0表示灭灯 ：

移位寄存器74X194的功能表如下： CR 0 1 1 1 1

S1 X 0 0 1 1 S0 X 0 1 0 1 CP X ↑ ↑ ↑ ↑ 功 能 异步清零 保持 右移 左移 预置 根据移位寄存器194的功能表和CP4,CP5,CP6的波形图可得两片194的S1与S0表达式，作如下分析：

花型1的时段可用CP6表示；花型2的时段用CP6CP5表示；花型3的时段用CP6CP5表示。 1) 寄存器1

在花型1的时间段内，CP4为1时左移（即S1=1），所以S1的信号波形应与CP4相同；在花型2的时段内，S1=1；在花型3的时段内S1=0。可得在整个时间段内，S1的表达式为：

S1?S0?CP6CP5?CP6CP4

2) 寄存器2

花型1的时间段内情况与寄存器1相同；花型2和花型3的时间段内均为右移，S1=0。可得S1的表达式为：

S1?S0?CP6CP4

彩灯一次循环的状态真值表

6

课程 课程设计（综合实验）报告

节拍顺序 花型1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 编码QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG、QH 花型2 花型3 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 SL和SR的值每4拍为一个变化，可由CP3、CP4、CP5、CP6组成的表达式决定，也可以由花型种类和寄存器1,2的上一个输出状态QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG、QH共同决定。第二种方法可用观察法直接得出，表达式比较简洁。故本实验采用第二种表达式。

现以SL1为例，分析如下：

SL1只有在寄存器1为左移的状态下有效，因此只考虑左移情况下SL1的取值。花型1的一个循环过程中，寄存器1在9—16拍为左移，且9—12拍为左移1，13-16拍为左移0。即SL在花型1的一个循环中9-12拍为1，13—16拍为0。观察9—12拍寄存器输出的上一个状态（8—11拍），和13-16拍寄存器输出的上一个状态（12-15拍），可以看到8—11拍QE都为1，12—15拍QE都为0，因此，当灯在花型1的时间段内，SL1=QE。同理，可得灯在花型2、花型3的时间段内SL1=QA。综上所述，SL1的表达式即为：

SL1?CP6QE?CP6QA

SR1、SL2、SR2的分析过程和SL1的相似，可以得到：

SR1?1SL2?0SR2?CP6QD?CP6QH7