多路彩灯控制器实验设计与仿真∗

韩芝侠

（宝鸡文理学院电子电气工程学院 宝鸡 721016）

多路彩灯控制器实验设计与仿真∗

韩芝侠

（宝鸡文理学院电子电气工程学院 宝鸡 721016）

针对大学生电子技术课程设计的要求，采用常用的中规模集成数字电路设计了一款多路彩灯控制器，并基于Multisim进行了核心模块的设计与仿真。该方案可控制8路彩灯循环显示8种花型，可随时固定在某个花型输出，每个灯的节拍为1s，且频率可调。在Multisim环境下进行电路的设计与仿真，直观、快速、方便，设计周期短，然后再进实验室搭建电路实际调试，虚实结合，成功率高。这种工程训练方法很好地锻炼了学生的电子电路设计能力，对开拓思维，提高实践和创新能力大有帮助。

电子技术；彩灯控制器；设计与仿真；Multisim；工程训练

1 引言

《中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》中特别强调：“高等教育要重视培养大学生创新能力、实践能力和创业精神”。非常明确地突出了大学生能力培养在全面提高大学生素质中的重要地位；再者大学生就业时用人单位更青睐于有研究性、创新性实验和实践经历者，所以对学生进行系统的电子电路工程训练显得非常重要也非常必要。“电子技术基础”是工科电类专业非常重要的一门技术基础课程，实验、课程设计等实践性教学环节是该课程体系中的一个重要组成部分，旨在提高学生工程实践能力、研究及创新能力，训练学生的基本实验技能，培养学生的科学研究素养［1～3］。本文根据大学生“电子技术基础”课程设计要求，设计实现了一款实验用多路彩灯控制器，以使学生系统掌握课程设计的过程和步骤［4］。

2 设计任务和设计方案

2.1 设计任务

用中规模数字集成电路设计一个多路彩灯控制器，要求如下：

1）控制器控制8路彩灯，要求每个灯的节拍为1s，循环显示8种花型：彩灯全亮8s；彩灯从左向右依次熄灭；彩灯从左向右依次点亮；彩灯从右向左依次熄灭；彩灯从右向左依次点亮；彩灯全亮8s；彩灯全灭8s；彩灯间隔点亮8s；

2）控制器可以固定在上述8种花型之一输出；

3）彩灯的节拍频率在0.5Hz～5Hz内可调。

2.2 设计方案

本文给出如图1所示的设计方案，包括时钟信号、彩灯控制电路、顺序控制电路、显示电路和5V直流电源共5个模块。时钟电路产生周期为1s的方波信号，分别给彩灯控制电路和顺序控制器电路提供时钟脉冲；彩灯控制电路由8位双向移位寄存器及组合逻辑电路构成，寄存器的每一位输出控制一个彩灯，一般集成双向移位器具有“清零”、“置数”、“左移”、“右移”、“保持”等功能［5～6］，根据任务要求显示的花型，合理设计移位寄存器的控制端信号就可达到要求；顺序控制电路是本设计的核心，它的任务是在时钟信号作用下，顺序地产生一系列合理的逻辑控制信号，使彩灯控制电路完成花型显示要求，其次，还可根据控制命令，完成清零或花型固定输出；为了简化设计，彩灯可以用发光二极管来模拟，故显示电路由8个发光二极管和限流电阻构成；直流电源给每个模块电路提供5V直流电源，使其正常工作。

图1 彩灯控制器组成框图

3 模块电路设计

3.1 显示电路

显示电路中发光二极管采用共阳极接法，要使某一个灯点亮，对应段必须给低电平，这样二极管正向导通，有电流流过，就能将电能转化为光能，使二极管发光。为了防止电流过大烧坏管子，一般要串联300Ω～510Ω的电阻［1］。

3.2 彩灯控制电路

根据设计任务要求和74LS198双向移位寄存器的工作原理及显示电路的接法，给出彩灯花型分析过程如表1所示。其中Cr是寄存器清零端，低电平有效，S1和S0是工作方式控制端，QH-QA是寄存器输出端。

表1 彩灯花型分析过程表

由表1可知［7］：要完成第1种花型，采用寄存器清零功能即可；要完成第2、第3种花型，需采用74LS198组成右移“扭环形计数器”，即 SR=QˉA；要完成第4、第5种花型，需采用74LS198组成的左移“扭环形计数器”，即SL=QH；要完成第6种花型，采用寄存器的保持功能；要完成第7种花型，可以采用寄存器置数功能实现，置数端 H～A=11111111，寄存器输出就全部为高电平；要完成第8种花型，同样采用置数功能实现，只不过需要置入01010101。

图2 彩灯控制电路

再者，要实现2次不同的置数功能，GECA=1111，而HFDB=1111或者0000，所以需要一个控制信号来控制HFDB四个端子的状态变化，本方案采用模拟开关器CD4066实现，当控制信号F为低电平时，模拟开关断开，其输出为高电平；当F为高电平时，模拟开关闭合，其输出为低电平。本文给出如图2所示的彩灯控制电路原理图。

3.3 顺序控制器电路设计

由于时钟节拍信号为1s，8个彩灯在每种花型下停留的时间要求8s，所以要设计一个八分频器用于花型保持功能，即每来8个节拍信号，才使彩灯进入下一个花型；又由于彩灯控制器要求有8种花型循环显示，所以还需要设计一个八进制花型状态计数器，用以实现花型的循环［7］。根据花型状态计数器的状态不同，产生控制信号Cr、S1、S0和F去控制双向移位寄存器按要求工作。根据任务分析，给出如表2所示的顺序控制电路输入输出功能表。

由表2可知F=QB；S1和S0可由三八译码器设计实现，故计数器的输出QCQBQA做译码器的地址端输入CBA，译码器的输出实现顺序控制电路的S1和 S0，即 ：

表2 顺序控制电路输入输出功能表

整个顺序控制电路设计原理图如图3所示。其中S1为清零按钮，当按下时，计数器、寄存器全部被清零。S2是花样固定开关，当S2闭合时，“节拍脉冲”被封锁，花样保持不变。

图3 顺序控制器电路原理图

3.4 时钟电路

该部分电路比较简单，可由555定时器构成频率可调的多谐振荡器实现［2］。要求输出脉冲信号的频率为1Hz，故 T=0.7(R1+2R2)C=1S，若 C=10uF则 R1=20kΩ，R2=62kΩ，这里 R2取150K电位器，以实现0.5Hz～5Hz频率可调。

3.5 电源电路

直流稳压电源一般由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成［1］，变压器将电网提供的220V交流电压降压成合适的交流电；整流电路利用二极管单向导电性将交流电转换成脉动直流电压；再经电容滤波电路转换成比较平坦的直流电；稳压电路使输出电压稳定。

4 基于Multisim的核心模块电路仿真

4.1 直流电源设计与仿真

直流稳压电源设计与仿真如图4所示。选用29∶1的降压变压器，故变压器次级U2应该是7.586V，经过整流滤波后，集成稳压器的输入端应该是1.2*U2=9.1V，再经过LM7805稳压电路，输出5V直流电压。仿真结果与理论一致［8］。

4.2 双向移位寄存器功能测试

彩灯控制电路的核心是74LS198双向移位寄存器，所以先对其清零、置数、移位功能进行了测试，如图5显示的是右移功能，在此基础上再加上外围电路进行彩灯控制电路模块的设计和仿真［9］。

4.3 八进制计数器功能测试

由于顺序控制模块电路中要用到2个八进制计数器，所以在Multisim下进行了该模块的设计仿真［10］，如图6，数码管循环显示0～7。在此基础上进行顺序控制器电路设计。

图4 直流电源设计与仿真

图5 移位寄存器功能测试

图6 八进制计数器功能测试

5 系统安装与调试

对于复杂电路，安装调试要分模块分步骤进行，无误后再进行系统级联综合调试［11］。1）直流电源电路搭建和测试，可以用万用表或示波器监测变压器次级、整流滤波、稳压输出等各级信号，既验证课本理论知识，又保证设计达标；2）用示波器观察时钟信号电路的输出波形，调节电位器，观察信号频率的变化；3）模拟开关、双向移位寄存器逻辑功能测试正确后，连接成彩灯控制模块电路，接入时钟信号，给Cr、S1，S0、F控制端接入逻辑开关，分别置不同逻辑组合，观察彩灯显示情况与表1分析花型是否相符；4）计数器、译码器逻辑功能测试正确后，连接成顺序控制器模块电路，将四个输出信号Cr、S1，S0、F分别接到逻辑电平显示器上，观察其显示结果与表2是否相符；5）最后级联整个电路系统，观察整个系统的工作情况。如果出现错误，要从前往后一级一级检测排查故障，直到整个系统达到任务要求的设计指标为止。

6 结语

基于Multisim的仿真实验可克服实验场地受限、实验设备不足的问题，有助于实验现象的观察和实验数据的获得，又符合电子电路设计的数字化、现代化发展趋势，在培养学生电路设计能力方面效果显著［11］。当然，硬件实物实验的主导地位更是不容忽视，它使学生直接面对真实对象，进行真实操作，进入实验室进行电路搭建、测量、调试和故障排查，获得直接经验，这是虚拟实验所无法做到的。所以，对于同一个课题，可根据需要虚实结合，锻炼学生的基本实验技能和方法，激发其实践创新能力和开发兴趣。本文通过一个具体实例的分析、设计、仿真、系统安装调试等工程训练，使学生熟悉并掌握“电子技术基础”课程设计的完整步骤和过程，以着重培养学生分析问题、解决问题的能力以及创新、开发的能力，提高工科学生科研素养能力。

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Experiment Design and Simulation of Multiple Lights Controller

HAN Zhixia
（Electronics&Electric Engineering College，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016）

In view of the college students'electronic technology curriculum design requirements，using the common medium scale integrated digital circuit designed a multi-channel lights controller，and the core module design and simulation is carried out based on Multisim.The scheme can control 8 lights show eight kinds of pattern，may fix pattern output at any time，each lamp last 1s，and the frequency is adjustable.In Multisim environment，circuit design and simulation can be intuitive，rapid，convenient，short design cycle，and then into the laboratory set up actual circuit debugging，virtuality and reality combination，high success rate.The engineering training method is a good exercise for the students'ability of electronic circuit design，will help open to new ideas and improve the ability of practice and innovation.

electronic technology，lights controller，design and simulation，multisim，engineering training

TN79+1

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.035

Class Number TN79+1

2017年4月8日，

2017年5月27日

国家自然科学基金项目（编号：51207002）；宝鸡文理学院第六批重点课程建设项目；宝鸡文理学院教改项目（编号：JGZX16001）资助。

韩芝侠，女，硕士，副教授，研究方向：检测技术与自动化装置，EDA技术。