多路彩燈控制器實驗設(shè)計與仿真?

韓芝俠

（寶雞文理學院電子電氣工程學院 寶雞 721016）

多路彩燈控制器實驗設(shè)計與仿真?

韓芝俠

（寶雞文理學院電子電氣工程學院 寶雞 721016）

針對大學生電子技術(shù)課程設(shè)計的要求，采用常用的中規(guī)模集成數(shù)字電路設(shè)計了一款多路彩燈控制器，并基于Multisim進行了核心模塊的設(shè)計與仿真。該方案可控制8路彩燈循環(huán)顯示8種花型，可隨時固定在某個花型輸出，每個燈的節(jié)拍為1s，且頻率可調(diào)。在Multisim環(huán)境下進行電路的設(shè)計與仿真，直觀、快速、方便，設(shè)計周期短，然后再進實驗室搭建電路實際調(diào)試，虛實結(jié)合，成功率高。這種工程訓練方法很好地鍛煉了學生的電子電路設(shè)計能力，對開拓思維，提高實踐和創(chuàng)新能力大有幫助。

電子技術(shù)；彩燈控制器；設(shè)計與仿真；Multisim；工程訓練

1 引言

《中共中央國務院關(guān)于深化教育改革全面推進素質(zhì)教育的決定》中特別強調(diào)：“高等教育要重視培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神”。非常明確地突出了大學生能力培養(yǎng)在全面提高大學生素質(zhì)中的重要地位；再者大學生就業(yè)時用人單位更青睞于有研究性、創(chuàng)新性實驗和實踐經(jīng)歷者，所以對學生進行系統(tǒng)的電子電路工程訓練顯得非常重要也非常必要。“電子技術(shù)基礎(chǔ)”是工科電類專業(yè)非常重要的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，實驗、課程設(shè)計等實踐性教學環(huán)節(jié)是該課程體系中的一個重要組成部分，旨在提高學生工程實踐能力、研究及創(chuàng)新能力，訓練學生的基本實驗技能，培養(yǎng)學生的科學研究素養(yǎng)［1～3］。本文根據(jù)大學生“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程設(shè)計要求，設(shè)計實現(xiàn)了一款實驗用多路彩燈控制器，以使學生系統(tǒng)掌握課程設(shè)計的過程和步驟［4］。

2 設(shè)計任務和設(shè)計方案

2.1 設(shè)計任務

用中規(guī)模數(shù)字集成電路設(shè)計一個多路彩燈控制器，要求如下：

1）控制器控制8路彩燈，要求每個燈的節(jié)拍為1s，循環(huán)顯示8種花型：彩燈全亮8s；彩燈從左向右依次熄滅；彩燈從左向右依次點亮；彩燈從右向左依次熄滅；彩燈從右向左依次點亮；彩燈全亮8s；彩燈全滅8s；彩燈間隔點亮8s；

2）控制器可以固定在上述8種花型之一輸出；

3）彩燈的節(jié)拍頻率在0.5Hz～5Hz內(nèi)可調(diào)。

2.2 設(shè)計方案

本文給出如圖1所示的設(shè)計方案，包括時鐘信號、彩燈控制電路、順序控制電路、顯示電路和5V直流電源共5個模塊。時鐘電路產(chǎn)生周期為1s的方波信號，分別給彩燈控制電路和順序控制器電路提供時鐘脈沖；彩燈控制電路由8位雙向移位寄存器及組合邏輯電路構(gòu)成，寄存器的每一位輸出控制一個彩燈，一般集成雙向移位器具有“清零”、“置數(shù)”、“左移”、“右移”、“保持”等功能［5～6］，根據(jù)任務要求顯示的花型，合理設(shè)計移位寄存器的控制端信號就可達到要求；順序控制電路是本設(shè)計的核心，它的任務是在時鐘信號作用下，順序地產(chǎn)生一系列合理的邏輯控制信號，使彩燈控制電路完成花型顯示要求，其次，還可根據(jù)控制命令，完成清零或花型固定輸出；為了簡化設(shè)計，彩燈可以用發(fā)光二極管來模擬，故顯示電路由8個發(fā)光二極管和限流電阻構(gòu)成；直流電源給每個模塊電路提供5V直流電源，使其正常工作。

圖1 彩燈控制器組成框圖

3 模塊電路設(shè)計

3.1 顯示電路

顯示電路中發(fā)光二極管采用共陽極接法，要使某一個燈點亮，對應段必須給低電平，這樣二極管正向?qū)ǎ须娏髁鬟^，就能將電能轉(zhuǎn)化為光能，使二極管發(fā)光。為了防止電流過大燒壞管子，一般要串聯(lián)300Ω～510Ω的電阻［1］。

3.2 彩燈控制電路

根據(jù)設(shè)計任務要求和74LS198雙向移位寄存器的工作原理及顯示電路的接法，給出彩燈花型分析過程如表1所示。其中Cr是寄存器清零端，低電平有效，S1和S0是工作方式控制端，QH-QA是寄存器輸出端。

表1 彩燈花型分析過程表

由表1可知［7］：要完成第1種花型，采用寄存器清零功能即可；要完成第2、第3種花型，需采用74LS198組成右移“扭環(huán)形計數(shù)器”，即 SR=QˉA；要完成第4、第5種花型，需采用74LS198組成的左移“扭環(huán)形計數(shù)器”，即SL=QH；要完成第6種花型，采用寄存器的保持功能；要完成第7種花型，可以采用寄存器置數(shù)功能實現(xiàn)，置數(shù)端 H～A=11111111，寄存器輸出就全部為高電平；要完成第8種花型，同樣采用置數(shù)功能實現(xiàn)，只不過需要置入01010101。

圖2 彩燈控制電路

再者，要實現(xiàn)2次不同的置數(shù)功能，GECA=1111，而HFDB=1111或者0000，所以需要一個控制信號來控制HFDB四個端子的狀態(tài)變化，本方案采用模擬開關(guān)器CD4066實現(xiàn)，當控制信號F為低電平時，模擬開關(guān)斷開，其輸出為高電平；當F為高電平時，模擬開關(guān)閉合，其輸出為低電平。本文給出如圖2所示的彩燈控制電路原理圖。

3.3 順序控制器電路設(shè)計

由于時鐘節(jié)拍信號為1s，8個彩燈在每種花型下停留的時間要求8s，所以要設(shè)計一個八分頻器用于花型保持功能，即每來8個節(jié)拍信號，才使彩燈進入下一個花型；又由于彩燈控制器要求有8種花型循環(huán)顯示，所以還需要設(shè)計一個八進制花型狀態(tài)計數(shù)器，用以實現(xiàn)花型的循環(huán)［7］。根據(jù)花型狀態(tài)計數(shù)器的狀態(tài)不同，產(chǎn)生控制信號Cr、S1、S0和F去控制雙向移位寄存器按要求工作。根據(jù)任務分析，給出如表2所示的順序控制電路輸入輸出功能表。

由表2可知F=QB；S1和S0可由三八譯碼器設(shè)計實現(xiàn)，故計數(shù)器的輸出QCQBQA做譯碼器的地址端輸入CBA，譯碼器的輸出實現(xiàn)順序控制電路的S1和 S0，即 ：

表2 順序控制電路輸入輸出功能表

整個順序控制電路設(shè)計原理圖如圖3所示。其中S1為清零按鈕，當按下時，計數(shù)器、寄存器全部被清零。S2是花樣固定開關(guān)，當S2閉合時，“節(jié)拍脈沖”被封鎖，花樣保持不變。

圖3 順序控制器電路原理圖

3.4 時鐘電路

該部分電路比較簡單，可由555定時器構(gòu)成頻率可調(diào)的多諧振蕩器實現(xiàn)［2］。要求輸出脈沖信號的頻率為1Hz，故 T=0.7(R1+2R2)C=1S，若 C=10uF則 R1=20kΩ，R2=62kΩ，這里 R2取150K電位器，以實現(xiàn)0.5Hz～5Hz頻率可調(diào)。

3.5 電源電路

直流穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成［1］，變壓器將電網(wǎng)提供的220V交流電壓降壓成合適的交流電；整流電路利用二極管單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娹D(zhuǎn)換成脈動直流電壓；再經(jīng)電容濾波電路轉(zhuǎn)換成比較平坦的直流電；穩(wěn)壓電路使輸出電壓穩(wěn)定。

4 基于Multisim的核心模塊電路仿真

4.1 直流電源設(shè)計與仿真

直流穩(wěn)壓電源設(shè)計與仿真如圖4所示。選用29∶1的降壓變壓器，故變壓器次級U2應該是7.586V，經(jīng)過整流濾波后，集成穩(wěn)壓器的輸入端應該是1.2*U2=9.1V，再經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓電路，輸出5V直流電壓。仿真結(jié)果與理論一致［8］。

4.2 雙向移位寄存器功能測試

彩燈控制電路的核心是74LS198雙向移位寄存器，所以先對其清零、置數(shù)、移位功能進行了測試，如圖5顯示的是右移功能，在此基礎(chǔ)上再加上外圍電路進行彩燈控制電路模塊的設(shè)計和仿真［9］。

4.3 八進制計數(shù)器功能測試

由于順序控制模塊電路中要用到2個八進制計數(shù)器，所以在Multisim下進行了該模塊的設(shè)計仿真［10］，如圖6，數(shù)碼管循環(huán)顯示0～7。在此基礎(chǔ)上進行順序控制器電路設(shè)計。

圖4 直流電源設(shè)計與仿真

圖5 移位寄存器功能測試

圖6 八進制計數(shù)器功能測試

5 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

對于復雜電路，安裝調(diào)試要分模塊分步驟進行，無誤后再進行系統(tǒng)級聯(lián)綜合調(diào)試［11］。1）直流電源電路搭建和測試，可以用萬用表或示波器監(jiān)測變壓器次級、整流濾波、穩(wěn)壓輸出等各級信號，既驗證課本理論知識，又保證設(shè)計達標；2）用示波器觀察時鐘信號電路的輸出波形，調(diào)節(jié)電位器，觀察信號頻率的變化；3）模擬開關(guān)、雙向移位寄存器邏輯功能測試正確后，連接成彩燈控制模塊電路，接入時鐘信號，給Cr、S1，S0、F控制端接入邏輯開關(guān)，分別置不同邏輯組合，觀察彩燈顯示情況與表1分析花型是否相符；4）計數(shù)器、譯碼器邏輯功能測試正確后，連接成順序控制器模塊電路，將四個輸出信號Cr、S1，S0、F分別接到邏輯電平顯示器上，觀察其顯示結(jié)果與表2是否相符；5）最后級聯(lián)整個電路系統(tǒng)，觀察整個系統(tǒng)的工作情況。如果出現(xiàn)錯誤，要從前往后一級一級檢測排查故障，直到整個系統(tǒng)達到任務要求的設(shè)計指標為止。

6 結(jié)語

基于Multisim的仿真實驗可克服實驗場地受限、實驗設(shè)備不足的問題，有助于實驗現(xiàn)象的觀察和實驗數(shù)據(jù)的獲得，又符合電子電路設(shè)計的數(shù)字化、現(xiàn)代化發(fā)展趨勢，在培養(yǎng)學生電路設(shè)計能力方面效果顯著［11］。當然，硬件實物實驗的主導地位更是不容忽視，它使學生直接面對真實對象，進行真實操作，進入實驗室進行電路搭建、測量、調(diào)試和故障排查，獲得直接經(jīng)驗，這是虛擬實驗所無法做到的。所以，對于同一個課題，可根據(jù)需要虛實結(jié)合，鍛煉學生的基本實驗技能和方法，激發(fā)其實踐創(chuàng)新能力和開發(fā)興趣。本文通過一個具體實例的分析、設(shè)計、仿真、系統(tǒng)安裝調(diào)試等工程訓練，使學生熟悉并掌握“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程設(shè)計的完整步驟和過程，以著重培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力以及創(chuàng)新、開發(fā)的能力，提高工科學生科研素養(yǎng)能力。

［1］胡宴如，耿蘇燕.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第2版）［M］.北京：高等教育出版社，2010.HU Yanru，GENG Suyan.Analog Electronic Technology Foundation（Second Edition）［M］.Beijing：Higher Education Press，2010.

［2］江曉安，周慧鑫.數(shù)字電子技術(shù)（第4版）［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2015.JIANG Xiaoan，ZHOU Huixin.Digital Electronic Technol-ogy（Fourth Edition）［M］.Xi'an：Xi'an University of Electronic Science and Technology Press，2015.

［3］程鴻，許耀華，陳嵐.“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”課程教學改革與實踐淺析——以多路彩燈控制電路設(shè)計為例［J］.工業(yè)和信息化教育，2015（10）：37-40.CHENG Hong，XU Yaohua，CHEN Lan.“Digital Circuits and Logic Design”Course Teaching Reform and Practice-for Example with Multiple Lights Control Circuit Design［J］.Journal of Industry and Information Technology Education，2015（10）：37-40.

［4］楊樹偉，高進.基于Multisim的速度可調(diào)節(jié)日彩燈控制電路設(shè)計與仿真［J］.濰坊學院學報，2015，15（6）：39-41.YANG Shuwei，GAO Jin.Speed Adjustable Festival Colorful Lights Control Circuit Design and Simulation based on Multisim［J］.Journal of Weifang University，2015，15（6）：39-41.

［5］王強.基于Multisim的移位寄存器型彩燈控制電路設(shè)計與仿真［J］.電子設(shè)計工程，2011，19（22）：129-131.WANG Qiang.Control Circuit Design and Simulation of the Shift-Register Lantern based on Multisim［J］.International Electronic Elements，2011，19（22）：129-131.

［6］劉淑英.74LS194在循環(huán)彩燈控制中的應用［J］.裝備制造技術(shù)，2008（2）：106-107.LIU Shuying.The Application of 74LS194 in Cycle Lantern Control［J］.Equipment Manufacturing Technology，2008（2）：106-107.

［7］姚福安，徐向華.電子技術(shù)實驗-課程設(shè)計與仿真［M］.北京：清華大學出版社，2014.YAO Fuan，XU Xianghua.Experiment of Electronic Technology-Course Exercise and Simulation［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2014.

［8］韓芝俠.電網(wǎng)電壓異常報警裝置實驗設(shè)計與仿真［J］.實驗技術(shù)與管理，2010，27（11）：94-96.HAN Zhixia.Experiment Design and Simulation of Alarm Unit for Unwonted Network Voltage［J］.Experimental Technology and Management，2010，27（11）：94-96.

［9］宋瑾.基于Multisim 10的8路彩燈控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真［J］.電子設(shè)計工程，2014，22（7）：113-116.SONG Jin.Design and Simulation of 8-Channel Colorful Festival Lights Control System based on Multisim 10［J］.International Electronic Elements，2014，22（7）：113-116.

［10］王冠華，王伊娜.Multisim8電路設(shè)計及應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.WANG Guanhua，WANG Yinna.Circuit Design and Applications based on Multisim 8［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2006.

［11］韓芝俠.基于EDA技術(shù)的復雜數(shù)字電路設(shè)計［J］.寶雞文理學院學報，2013（1）：35-38.HAN Zhixia.Design of Complex Digital Circuit based on EDA Technology［J］.Journal of Baoji College of Arts and Science，2013（1）：35-38.

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

國家自然科學基金項目（編號：51207002）；寶雞文理學院第六批重點課程建設(shè)項目；寶雞文理學院教改項目（編號：JGZX16001）資助。

韓芝俠，女，碩士，副教授，研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置，EDA技術(shù)。