彩燈循環(huán)電路設(shè)計(jì)說(shuō)明

./目錄摘要 Ⅰ1理論知識(shí)準(zhǔn)備12方案論證22.1備選方案22.2方案選擇53電路設(shè)計(jì)73.1選擇器件73.1.1555定時(shí)器73.1.274LS194移位寄存器93.2功能模塊103.2.1時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路103.2.2彩燈維持電路123.2.3顯示電路144電路調(diào)試154.1總體電路仿真154.2電路布線164.3電路調(diào)試結(jié)果17心得體會(huì)18參考文獻(xiàn)191理論知識(shí)準(zhǔn)備本次做的彩燈循環(huán)控制其實(shí)也可以看成是不是用單片機(jī)而實(shí)現(xiàn)的流水燈電路,流水燈是一串按一定的規(guī)律像流水一樣連續(xù)閃亮。流水燈控制是可編程控制器的一個(gè)應(yīng)用,其控制思想在工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域也同樣適用。循環(huán)彩燈控制可用多種方法實(shí)現(xiàn),但對(duì)現(xiàn)代可編程控制器而言,利用移位寄存器實(shí)現(xiàn)最為便利。通常用左移寄存器實(shí)現(xiàn)燈的單方向移動(dòng)；用雙向移位寄存器實(shí)現(xiàn)燈的雙向移動(dòng)?？刂瞥绦蛑?關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)移位方向的控制。單方向控制的流水燈,使用左移寄存器可容易地實(shí)現(xiàn)。如果流水燈的點(diǎn)亮順序是雙向的,則使用雙向移位寄存器進(jìn)行控制。由于本次設(shè)計(jì)只是設(shè)計(jì)了單向的彩燈循環(huán)電路,所以彩燈控制電路由三個(gè)模塊構(gòu)成,顯示電路﹑秒脈沖電路和維持電路。秒脈沖電路全程為電路提供矩形波信號(hào)使彩燈定時(shí)發(fā)亮；顯示電路為維持電路提供電源：維持電路在顯示電路部分提供電源的情況下為電路提供一段較長(zhǎng)的高電平,使彩燈在全部變亮后保持一段時(shí)間。同時(shí)結(jié)合顯示電路部分所帶元件〔主要是74LS194的性質(zhì),使彩燈從右到左依次由暗變亮,亮后維持一段時(shí)間,然后熄滅,并且不斷重復(fù)。由于本次設(shè)計(jì)并不是很復(fù)雜,所以本設(shè)計(jì)只采用數(shù)字集成電路的555定時(shí)器和移位寄存器,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào),從而控制彩燈的閃爍。數(shù)據(jù)選擇器的輸出端接移位寄存器的輸入端,在時(shí)鐘脈沖的作用下,數(shù)據(jù)在移位寄存器的八位并行輸出端從Q0到Q7順序移動(dòng)。移動(dòng)的八位控制信號(hào)直接控制發(fā)光二極管的亮滅,就出現(xiàn)了八路自動(dòng)循環(huán)切換的流水彩燈。該設(shè)計(jì)可以用做廣告牌邊框燈光設(shè)計(jì),如果用條形光柱代替彩燈,還可以作為廣告牌的背景閃爍燈光使用,增強(qiáng)廣告的感染力。2方案論證2.1備選方案方案一：圖2-1方案一電路圖由HFC3040模塊構(gòu)成的六路循環(huán)彩燈控制電路可驅(qū)動(dòng)六路彩燈循環(huán)閃亮,并有2種不同的循環(huán)速度,如圖所示。由于電路中巧妙地利用了閃光集成模塊HFC3040,不但使電路結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單,而且成本低廉。ICl是閃光專(zhuān)用集成電路HFC3040,其工作電壓圍為1.5～5V。因此,220V交流電經(jīng)Rl降壓限流、V1半波整流后,使LED發(fā)光。同時(shí),LED兩端約1.6V穩(wěn)定直流電壓經(jīng)C1濾波后供集成電路IC1用電。由于TR觸發(fā)端與地相連,所以通電后電路立即觸發(fā)工作。6個(gè)輸出端L1～L6依次出現(xiàn)低電平,故使6個(gè)PNP三極管VT1～VT6依次循環(huán)導(dǎo)通,單向晶閘管VSl～VS6也循環(huán)開(kāi)通,彩燈H1～H6被循環(huán)點(diǎn)亮。S為速度選擇開(kāi)關(guān),當(dāng)S置于"1"時(shí),彩燈速度為高速擋；當(dāng)S置于"2"時(shí),即電阻R2接到集成電路部雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端Q,由于經(jīng)過(guò)部1／2分頻,Q輸出高低交替變化電平。只有Q端輸出高電平時(shí),才有可能被觸發(fā)導(dǎo)通,所以彩燈循環(huán)速度降低了一半。該電路由于采用了專(zhuān)用芯片,不需要任何調(diào)試,通電后即能正常工作。如果接通電源后彩燈不循環(huán),應(yīng)檢查集成電路LED兩端的電壓,如果此電壓低于l.5V,則集成電路不能工作。方案二：采用CD4017芯片,CD4017芯片為專(zhuān)用芯片,有10個(gè)輸出端〔O0～O9和1個(gè)進(jìn)位輸出端～O5-9。每輸入10個(gè)計(jì)數(shù)脈沖,～O5-9就可得到1個(gè)進(jìn)位正脈沖,該進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)。CD4017有3個(gè)輸〔MR、CP0和~CP1,MR為清零端,當(dāng)在MR端上加高電平或正脈沖時(shí)其輸出O0為高電平,其余輸出端〔O1～O9均為低電平。CP0和～CPl是2個(gè)時(shí)鐘輸入端,若要用上升沿來(lái)計(jì)數(shù),則信號(hào)由CP0端輸入；若要用下降沿來(lái)計(jì)數(shù),則信號(hào)由～CPl端輸入。設(shè)置2個(gè)時(shí)鐘輸入端,級(jí)聯(lián)時(shí)比較方便,可驅(qū)動(dòng)更多二極管發(fā)光。由此可見(jiàn),當(dāng)CD4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí),其對(duì)應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài),故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。圖2-2CD4017工作原理方案三：利用了74LS194D雙向移位寄存器的特點(diǎn),將寄存器的工作方式控制端S1、S0連續(xù)、交替的轉(zhuǎn)換為左移和右移工作方式,當(dāng)左移輸入端SL和右移輸入端SR都固定輸入高點(diǎn)平"1"時(shí),輸出端QAQBQCQD在連續(xù)脈沖的作用下依次左移或右移。當(dāng)QAQBQCQD都為"1"時(shí),輸出端連接的與非門(mén)輸出為低點(diǎn)平"0",這個(gè)低點(diǎn)平既是寄存器的清零信號(hào),同時(shí)又是JK觸發(fā)器的計(jì)數(shù)翻轉(zhuǎn)脈沖。JK觸發(fā)器作為雙向移位寄存器的工作方式控制器,它的輸出端連接寄存器的工作方式控制端S1、S0。為了保證末端的彩燈亮發(fā)光,與非門(mén)輸出的輸出端接一ＲＣ延時(shí)電路。這樣就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的四路彩燈顯示電路。圖2-3方案三實(shí)驗(yàn)電路圖方案四：彩燈控制電路由三個(gè)模塊構(gòu)成,顯示電路﹑秒脈沖電路和維持電路。秒脈沖電路全程為電路提供矩形波信號(hào)使彩燈定時(shí)發(fā)亮；顯示電路為維持電路提供電源：維持電路在顯示電路部分提供電源的情況下為電路提供一段較長(zhǎng)的高電平,使彩燈在全部變亮后保持一段時(shí)間。同時(shí)結(jié)合顯示電路部分所帶元件〔主要是74LS194的性質(zhì),使彩燈從右到左依次由暗變亮,亮后維持一段時(shí)間,然后熄滅,并且不斷重復(fù)。圖2-4方案四實(shí)驗(yàn)電路框圖2.2方案選擇本次課程設(shè)計(jì)要求不高,實(shí)驗(yàn)電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單,可以列出很多不同的實(shí)驗(yàn)方案,因此在此就不再一一列舉了,就這四個(gè)方案進(jìn)行橫向比較既即可。方案一是最為簡(jiǎn)單的電路,由HFC3040模塊構(gòu)成的六路循環(huán)彩燈控制電路可驅(qū)動(dòng)六路彩燈循環(huán)閃亮,并有2種不同的循環(huán)速度。該電路由于采用了專(zhuān)用芯片,不需要任何調(diào)試,通電后即能正常工作。但是只有六路彩燈,與要求的八路有一定差距,若進(jìn)行擴(kuò)展的話又有所浪費(fèi),不符合使用最簡(jiǎn)單電路,最經(jīng)濟(jì)元件達(dá)到同樣效果的原則。方案二比之方案一差別不大,都是比較簡(jiǎn)單的電路,同樣也采用了專(zhuān)用芯片,只有六路彩燈,這與要求不太相符,所以也不采用。方案三是只有四路彩燈的,必須經(jīng)過(guò)擴(kuò)展才能達(dá)到八路的要求,計(jì)數(shù)器使用合理。方案四符合實(shí)驗(yàn)要求,以最簡(jiǎn)單的原件和電路構(gòu)成了任務(wù)所需的彩燈循環(huán)電路,只要自己設(shè)計(jì)出時(shí)鐘脈沖信號(hào)即可,相當(dāng)于方案三的改良版,但是去掉了計(jì)數(shù)器,模塊性突出方便進(jìn)行多路擴(kuò)展,故采用這一方案。3電路設(shè)計(jì)3.1選擇器件3.1.1555定時(shí)器555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。555定時(shí)器成本低,性能可靠,只需要外接幾個(gè)電阻、電容,就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。555時(shí)基電路有雙極型和CMOS型兩種。LM555/LM555C系列屬于雙極型。優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大,驅(qū)動(dòng)電流達(dá)200mA。而另一種CMOS型的優(yōu)點(diǎn)是功耗低、電源電壓低、輸入阻抗高,但輸出功率要小得多,輸出驅(qū)動(dòng)電流只有幾毫安。雙極型定時(shí)器CB555是由比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器和集電極開(kāi)路的放電三極管TD三部分組成。圖3-1555定時(shí)器引腳圖555引腳圖介紹如下

1地<GND>

2觸發(fā)<TR>,是下比較器的輸入

3輸出<OUT>,有0和1兩種狀態(tài),它的狀態(tài)由輸入所加的電平?jīng)Q定

4復(fù)位<R>,叫上低電平<<0.3V>時(shí)可使輸出端為低電平

5控制電壓<CV>,可以用來(lái)改變上下觸發(fā)電平值

6門(mén)限<閾值<TH>,是上比較器的輸入

7放電<DIS>,是部放電管的輸出,它有懸空和接地兩種狀態(tài),也是由輸端的狀態(tài)決定

8電源電<VCC>圖3-2555部原理圖上圖中TR為低觸發(fā)端,TH為高觸發(fā)端,Rd為清零端,CO為控制電壓端,D是放電端,OUT是輸出端,Vcc是電源端。輸入輸出0XX0導(dǎo)通10導(dǎo)通1不變不變11截止11截止圖3-3555邏輯功能表3.1.274LS194移位寄存器移位寄存器74LS194由4個(gè)觸發(fā)器和它們的輸入控制電路組成。SR為數(shù)據(jù)右移串行輸入端,SL為數(shù)據(jù)左移串行輸入端,A到D為數(shù)據(jù)并行輸入端,QA到QD為數(shù)據(jù)并行輸出端,CLR為移步清零輸入端,S0﹑S1為工作狀態(tài)控制端。3-474LS194邏輯符號(hào)圖3-574LS194邏輯功能表圖3-674LS194部原理圖3.2功能模塊3.2.1時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路本電路秒脈沖電路由一個(gè)集成的555定時(shí)器夠成,當(dāng)電源接通后,VCC通過(guò)對(duì)R1﹑R2向電容器充電。電容上得到電壓按指數(shù)規(guī)律上升,當(dāng)電壓上升到2/3VCC時(shí),輸出電壓V0為零,電容器放電。當(dāng)電壓下降到1/3VCC時(shí),輸出電平為高電平,電容器放電結(jié)束。這樣周而復(fù)始形成了振蕩。脈沖發(fā)生器由NE555與R1,R2,RP,C1,C2組成的多諧振蕩器組成,它是為燈光流動(dòng)控制器提供流動(dòng)控制脈沖的,多諧振蕩器的振蕩頻率可根據(jù)所需要的燈光流動(dòng)速度,通過(guò)RP進(jìn)行調(diào)節(jié),由于RP阻值較大,所以有較大的調(diào)速?lài)?。?55定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個(gè)周期性的矩形脈沖,其周期為:T=0.7<R1+2R2>C要用555產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖,控制移位寄存器,要能看到彩燈的流動(dòng),其周期設(shè)為1秒左右,電阻值和電容值可設(shè)為：R1=30KΩ,R2=90KΩ,C=0.01μF由公式計(jì)算得：T約等于1S電路圖如圖所示:圖3-7脈沖電路圖采用Multism2001進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如下圖所示：圖3-8脈沖電路仿真結(jié)果圖3-9脈沖波形圖3.2.2彩燈維持電路圖3-10彩燈維持電路圖當(dāng)?shù)诎藗€(gè)等變亮?xí)r,使555定時(shí)器產(chǎn)生高電平。當(dāng)八個(gè)等全變亮后,使得彩燈維持一端時(shí)間,555定時(shí)器保持高電平的時(shí)間就是彩燈變亮后維持的時(shí)間。555定時(shí)器不在提供高電平是彩燈熄滅,通過(guò)調(diào)整R6﹑R4改變555定時(shí)器保持高電平的時(shí)間。仿真結(jié)果如下圖所示：圖3-11彩燈維持電路仿真圖圖3-12彩燈維持電路波形圖3.2.3顯示電路圖3-13顯示電路圖體現(xiàn)8個(gè)不同顏色彩燈由暗變亮,不斷重復(fù),閃爍發(fā)光。全亮后維持一段時(shí)間。仿真結(jié)果如下圖所示：圖3-14顯示電路仿真效果圖4電路調(diào)試4.1總體電路仿真圖4-1總體電路圖接通電源,由555組成的多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào),通過(guò)LS194寄存器移位,使輸入的二進(jìn)制代碼譯成對(duì)應(yīng)的輸出高﹑電平信號(hào),８只燈泡依次由暗變亮,當(dāng)?shù)诎藗€(gè)燈變亮?xí)r由555組成的維持電路給電路提供一個(gè)持續(xù)高電平使八個(gè)燈維持一端時(shí)間。間低電平出現(xiàn)時(shí),彩燈全滅。上述步驟重復(fù)循環(huán),從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求。Multism2001的仿真結(jié)果如下圖所示：圖4-2電路仿真效果圖4.2電路布線由于電路比較簡(jiǎn)單,所以布線不是十分麻煩,但是為了使得布線更為合理,方便檢查錯(cuò)誤和調(diào)試,故本次設(shè)計(jì)采用PROTEL來(lái)完成電路得布線工作。圖4-3顯示電路原理圖圖4-4生成PCB布線4.3電路調(diào)試結(jié)果圖4-5電路運(yùn)行效果圖心得體會(huì)在畫(huà)家眼里,設(shè)計(jì)是一幅清明上河圖或是一幅向日葵；在建筑師眼中,設(shè)計(jì)是昔日鎏金般的圓明園或是今日一塑自由女神像；在電子工程師心中,設(shè)計(jì)是貝爾實(shí)驗(yàn)室的機(jī)或是華為的程控交換機(jī)。凡此種種,但凡涉及設(shè)計(jì)都是一件美好的事情,因?yàn)樗芙o人以美的幻想,因?yàn)樗芙o人以金般財(cái)富,因?yàn)樗芙o人以成就之感,更為現(xiàn)實(shí)的是她能給人以成長(zhǎng)以及成長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)。我就是以此心態(tài)對(duì)待此次《數(shù)電》課程設(shè)計(jì)的,于是偶然又必然地收獲了諸多,概而言之,大約以下幾點(diǎn)：溫故而知新。課程設(shè)計(jì)發(fā)端之始,思緒全無(wú),舉步維艱,對(duì)于理論知識(shí)學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)的我深感"書(shū)到用時(shí)方恨少",于是想起圣人之言"溫故而知新",便重拾教材與實(shí)驗(yàn)手冊(cè),對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理,遇到難處先是上網(wǎng)找資料再向同學(xué)請(qǐng)教,終于熟練掌握了基本理論知識(shí),學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式,找到了設(shè)計(jì)的靈感。思路即出路。當(dāng)初沒(méi)有思路,誠(chéng)如舉步維艱,茫茫,不見(jiàn)道路。在對(duì)理論知識(shí)梳理掌握之后,茅塞頓開(kāi),柳暗花明,思路如泉涌,高歌"條條大路通羅馬"。頓悟,沒(méi)有思路便無(wú)出路,原來(lái)思路即出路。實(shí)踐出真知。文革之后,關(guān)于真理的大討論最終結(jié)果是"實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)",自從耳聞以來(lái),便一直以為馬克思主義中國(guó)化生成的教條。時(shí)至今日,課程設(shè)計(jì)基本告成,才切身領(lǐng)悟"實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)",才明曉實(shí)踐出真知。創(chuàng)新求發(fā)展。"創(chuàng)新"目前在我國(guó)已經(jīng)提升到國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略地位,足見(jiàn)"創(chuàng)新"的舉足輕重。而在DVD產(chǎn)品上市之初及以后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間,原本前景看好的國(guó)市場(chǎng)卻使國(guó)DVD生產(chǎn)商無(wú)利可圖,只因核心技術(shù)受制于人,每臺(tái)售出總要交付高額專(zhuān)利技術(shù)使用費(fèi)。因此,我們?cè)谡n程設(shè)計(jì)中不忘在小處創(chuàng)新,未必是創(chuàng)新技術(shù),但凡創(chuàng)新思維亦可,未必成功,只要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維培育和鍛煉即可。過(guò)而能改,善莫大焉。至善至美,是人類(lèi)永恒的追求。但是,不從忘卻"金無(wú)足赤,人無(wú)完人",我們換種思維方式,去惡亦是至善,改錯(cuò)亦為至美。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中,我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,不斷改正,不斷領(lǐng)悟,不斷獲取