基于Multisim的四花型流水灯控制电路的设计与仿真

吴迎春，马 晴，陈家明

（1.咸阳师范学院 物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000；2.皮山县木吉镇人民政府，新疆 皮山 845150）

彩灯在我国拥有悠久的发展历史，并且具有非常高的文化价值。随着技术的发展和制灯材料的变化，彩灯的种类和花样也越来越丰富，这对于彩灯控制电路的设计也提出了更高的要求。文献[1]中基于Multisim所设计的彩灯控制电路可以实现两种花型，文献[2]中基于Multisim所设计的彩灯控制电路能实现3种花型，但不能实现花型间的自动转换。本文以Multisim为工作平台，设计了一四花型流水灯控制电路，并进行仿真。与文献结果相比，本文所得电路花型更丰富，且能实现花型间的自动转换。

1 流水灯控制电路组成及工作原理

今天的彩灯除了照明，更多地用于装饰美化城市景观和烘托节日气氛。本文所设计的流水灯控制电路主要由555定时器、模十六计数器74LS161、双四选一数据选择器74LS153、双D触发器74LS74和八位移位寄存器74LS164等集成芯片构成，以控制八路彩灯，实现4种花型。花型一为一个彩灯点亮，从左往右移动；花型二为两个彩灯点亮，从左往右移动；花型三为4个彩灯点亮，从左往右移动；花型四为所有彩灯从左往右依次点亮，然后又从左往右依次熄灭。

1.1 电路的组成

本文设计的流水灯控制电路由脉冲发生电路、花型代码产生电路、自动转换控制电路和显示电路四个单元模块构成，电路组成框图如图1所示。

（1）时钟脉冲产生电路：整体电路中设置了时钟脉冲产生电路1和时钟脉冲产生电路2两个脉冲产生电路，其中时钟脉冲产生电路1用于为花型代码产生电路和数据输出显示电路提供时钟脉冲，时钟脉冲产生电路2用于为自动转换控制电路提供时钟脉冲。两个脉冲产生电路均由555定时器、电阻和电容构成的多谐振荡器来实现[3]。

图1 流水灯控制电路组成框图

（2）花型代码产生电路：用于产生4种花型所对应的二进制代码。它是由模十六计数器74LS161的输出端和与门74LS08、非门74LS04构成的组合逻辑门相连接来构成[4-5]。

（3）自动转换控制电路：把双D触发器74LS74连接成一个4进制加法计数器，把两个输出端接四选一数据选择器74LS153的地址变量输入端，这样流水灯的4种花型就能够进行自动转换。

（4）数据输出显示电路：用来观察流水灯花型的显示情况。八位移位寄存器74LS164可以实现彩灯状态的右移，把移位寄存器的8个输出端口分别与彩灯和电阻相连接，就能观察到实验结果[6]。

1.2 流水灯控制电路的工作原理

花型代码产生电路在时钟脉冲产生电路1产生的时钟脉冲的控制下，可以产生实现4种花型的二进制代码。

将自动转换控制电路中的双D触发器74LS74连接成一个4进制加法计数器，在时钟脉冲产生电路2产生的时钟脉冲控制下，双D触发器的两个输出端Q2、Q1就会输出00、01、10、11等4种不同的逻辑状态，将Q2、Q1接至四选一数据选择器74LS153的地址变量端，来控制四选一数据选择器所要输出的花型代码，每一种逻辑状态与一种花型的二进制代码对应。自动转换控制电路中四选一数据选择器74LS153的数据输入端分别与花型代码产生电路的一个输出端相连接，这样就将花型代码产生电路所产生的4种花型代码送到了四选一数据选择器的四路数据输入端。

将四选一数据选择器的数据输出端接到显示电路中的八位移位寄存器的数据输入端，接着四选一数据选择器就会把控制彩灯花样的二进制代码送到八位移位寄存器中，在脉冲产生电路1提供的时钟脉冲信号的作用下，八位移位寄存器接收到的数据就会在移位寄存器的八位并行输出端QH～QA从低位向高位移动，实现右移。在显示电路中就会看到彩灯的4种花型能够自动循环。表1给出了4种花型及其对应的二进制代码。对应时钟脉冲产生电路1的16个脉冲周期，花型一、花型二和花型三可以循环两次，花型四可以循环一次。

表1 四种花型及其对应二进制代码

2 整机电路的仿真与调试

2.1 整机电路的原理图

整机电路是将脉冲发生电路、花型代码产生电路、自动转换控制电路和显示电路4个电路模块进行有效的连接，来实现流水灯的4种花型。四花型流水灯控制电路的整机电路图如图2所示。

2.2 整机电路的调试

四个电路模块连接完成后，进行了仿真调试。在调试的过程中，发现彩灯的一种花型还没有完成，就开始进行下一种花型。通过分析发现产生这种情况的原因是自动转换控制电路中双D触发器的时钟脉冲周期太短，小于花型代码产生电路中模十六计数器的时钟脉冲周期的16倍，从而使得一种花型还没有完成就转换到下一种花型。为了解决这个问题，对时钟脉冲产生电路2中的电阻进行调节，增大了多谐振荡器输出时钟脉冲的周期，保证在完成一种花型后，双D触发器的逻辑状态才会改变，四选一数据选择器才会选择下一种花型的二进制代码进行输出，这时彩灯的花型才发生改变。即时钟脉冲产生电路2的脉冲信号的周期必须大于时钟脉冲产生电路1的脉冲信号周期的16倍，这样才能保证一种花型完全完成后再转换到下一花型。

图2 整机电路图

图3 四种花型的仿真结果

2.3 整机电路的仿真分析

对整机电路进行仿真调试后，电路能实现四种花型。图3中给出四种花型的仿真结果。以图3（a）花型一的仿真结果为例，当电路电源接通后，此时双D触发器74LS74输出的逻辑状态为00，四选一数据选择器74LS153将会选择实现花样一的二进制代码10000000进行输出，八位移位寄存器74LS164接收到二进制代码10000000，在多谐振荡器提供的时钟脉冲控制下，就会观察到一个彩灯点亮，并且开始从左向右移动，循环两次。花型一结束后，74LS74将分别输出01、10、11等3种状态，对应实现花型二、花型三和花型四。

与已有的仿真结果[1-2]对比，本文所得仿真结果花型更丰富，且能实现花型间的自动转换，循环往复。

3 结论

应用Multisim进行电子电路的设计和仿真可以突破实验室元件短缺的制约，节约成本，便于电路设计后期的优化和测试[7-8]。本文基于Multisim设计了一四花型流水灯控制电路，用于控制八路流水灯，用到了模十六计数器74LS161、双D触发器74LS74、双四选一数据选择器74LS153、八位移位寄存器74LS164等集成芯片。Multisim仿真结果显示，该流水灯控制电路可以实现四种花型，循环往复。与文献结果相比，本文所得电路花型更丰富，且能实现花型间的自动转换。