彩燈循環(huán)電路設計說明

./目錄摘要 Ⅰ1理論知識準備12方案論證22.1備選方案22.2方案選擇53電路設計73.1選擇器件73.1.1555定時器73.1.274LS194移位寄存器93.2功能模塊103.2.1時鐘脈沖產(chǎn)生電路103.2.2彩燈維持電路123.2.3顯示電路144電路調試154.1總體電路仿真154.2電路布線164.3電路調試結果17心得體會18參考文獻191理論知識準備本次做的彩燈循環(huán)控制其實也可以看成是不是用單片機而實現(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應用,其控制思想在工業(yè)控制技術領域也同樣適用。循環(huán)彩燈控制可用多種方法實現(xiàn),但對現(xiàn)代可編程控制器而言,利用移位寄存器實現(xiàn)最為便利。通常用左移寄存器實現(xiàn)燈的單方向移動；用雙向移位寄存器實現(xiàn)燈的雙向移動。控制程序中,關鍵在于數(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現(xiàn)。如果流水燈的點亮順序是雙向的,則使用雙向移位寄存器進行控制。由于本次設計只是設計了單向的彩燈循環(huán)電路,所以彩燈控制電路由三個模塊構成,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使彩燈定時發(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的高電平,使彩燈在全部變亮后保持一段時間。同時結合顯示電路部分所帶元件〔主要是74LS194的性質,使彩燈從右到左依次由暗變亮,亮后維持一段時間,然后熄滅,并且不斷重復。由于本次設計并不是很復雜,所以本設計只采用數(shù)字集成電路的555定時器和移位寄存器,產(chǎn)生相應的控制信號,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。移動的八位控制信號直接控制發(fā)光二極管的亮滅,就出現(xiàn)了八路自動循環(huán)切換的流水彩燈。該設計可以用做廣告牌邊框燈光設計,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模塊構成的六路循環(huán)彩燈控制電路可驅動六路彩燈循環(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,不但使電路結構十分簡單,而且成本低廉。ICl是閃光專用集成電路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,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個輸出端L1～L6依次出現(xiàn)低電平,故使6個PNP三極管VT1～VT6依次循環(huán)導通,單向晶閘管VSl～VS6也循環(huán)開通,彩燈H1～H6被循環(huán)點亮。S為速度選擇開關,當S置于"1"時,彩燈速度為高速擋；當S置于"2"時,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,才有可能被觸發(fā)導通,所以彩燈循環(huán)速度降低了一半。該電路由于采用了專用芯片,不需要任何調試,通電后即能正常工作。如果接通電源后彩燈不循環(huán),應檢查集成電路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芯片為專用芯片,有10個輸出端〔O0～O9和1個進位輸出端～O5-9。每輸入10個計數(shù)脈沖,～O5-9就可得到1個進位正脈沖,該進位輸出信號可作為下一級的時鐘信號。CD4017有3個輸〔MR、CP0和~CP1,MR為清零端,當在MR端上加高電平或正脈沖時其輸出O0為高電平,其余輸出端〔O1～O9均為低電平。CP0和～CPl是2個時鐘輸入端,若要用上升沿來計數(shù),則信號由CP0端輸入；若要用下降沿來計數(shù),則信號由～CPl端輸入。設置2個時鐘輸入端,級聯(lián)時比較方便,可驅動更多二極管發(fā)光。由此可見,當CD4017有連續(xù)脈沖輸入時,其對應的輸出端依次變?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,將寄存器的工作方式控制端S1、S0連續(xù)、交替的轉換為左移和右移工作方式,當左移輸入端SL和右移輸入端SR都固定輸入高點平"1"時,輸出端QAQBQCQD在連續(xù)脈沖的作用下依次左移或右移。當QAQBQCQD都為"1"時,輸出端連接的與非門輸出為低點平"0",這個低點平既是寄存器的清零信號,同時又是JK觸發(fā)器的計數(shù)翻轉脈沖。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,與非門輸出的輸出端接一ＲＣ延時電路。這樣就構成了一個簡單的四路彩燈顯示電路。圖2-3方案三實驗電路圖方案四：彩燈控制電路由三個模塊構成,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使彩燈定時發(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的高電平,使彩燈在全部變亮后保持一段時間。同時結合顯示電路部分所帶元件〔主要是74LS194的性質,使彩燈從右到左依次由暗變亮,亮后維持一段時間,然后熄滅,并且不斷重復。圖2-4方案四實驗電路框圖2.2方案選擇本次課程設計要求不高,實驗電路相對比較簡單,可以列出很多不同的實驗方案,因此在此就不再一一列舉了,就這四個方案進行橫向比較既即可。方案一是最為簡單的電路,由HFC3040模塊構成的六路循環(huán)彩燈控制電路可驅動六路彩燈循環(huán)閃亮,并有2種不同的循環(huán)速度。該電路由于采用了專用芯片,不需要任何調試,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,若進行擴展的話又有所浪費,不符合使用最簡單電路,最經(jīng)濟元件達到同樣效果的原則。方案二比之方案一差別不大,都是比較簡單的電路,同樣也采用了專用芯片,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)過擴展才能達到八路的要求,計數(shù)器使用合理。方案四符合實驗要求,以最簡單的原件和電路構成了任務所需的彩燈循環(huán)電路,只要自己設計出時鐘脈沖信號即可,相當于方案三的改良版,但是去掉了計數(shù)器,模塊性突出方便進行多路擴展,故采用這一方案。3電路設計3.1選擇器件3.1.1555定時器555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件。555定時器成本低,性能可靠,只需要外接幾個電阻、電容,就可以實現(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。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555時基電路有雙極型和CMOS型兩種。LM555/LM555C系列屬于雙極型。優(yōu)點是輸出功率大,驅動電流達200mA。而另一種CMOS型的優(yōu)點是功耗低、電源電壓低、輸入阻抗高,但輸出功率要小得多,輸出驅動電流只有幾毫安。雙極型定時器CB555是由比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管TD三部分組成。圖3-1555定時器引腳圖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復位<R>,叫上低電平<<0.3V>時可使輸出端為低電平

5控制電壓<CV>,可以用來改變上下觸發(fā)電平值

6門限<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導通10導通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時鐘脈沖產(chǎn)生電路本電路秒脈沖電路由一個集成的555定時器夠成,當電源接通后,VCC通過對R1﹑R2向電容器充電。電容上得到電壓按指數(shù)規(guī)律上升,當電壓上升到2/3VCC時,輸出電壓V0為零,電容器放電。當電壓下降到1/3VCC時,輸出電平為高電平,電容器放電結束。這樣周而復始形成了振蕩。脈沖發(fā)生器由NE555與R1,R2,RP,C1,C2組成的多諧振蕩器組成,它是為燈光流動控制器提供流動控制脈沖的,多諧振蕩器的振蕩頻率可根據(jù)所需要的燈光流動速度,通過RP進行調節(jié),由于RP阻值較大,所以有較大的調速圍。用555定時器構成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個周期性的矩形脈沖,其周期為:T=0.7<R1+2R2>C要用555產(chǎn)生時鐘脈沖,控制移位寄存器,要能看到彩燈的流動,其周期設為1秒左右,電阻值和電容值可設為：R1=30KΩ,R2=90KΩ,C=0.01μF由公式計算得：T約等于1S電路圖如圖所示:圖3-7脈沖電路圖采用Multism2001進行仿真,仿真結果如下圖所示：圖3-8脈沖電路仿真結果圖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?shù)诎藗€等變亮時,使555定時器產(chǎn)生高電平。當八個等全變亮后,使得彩燈維持一端時間,555定時器保持高電平的時間就是彩燈變亮后維持的時間。555定時器不在提供高電平是彩燈熄滅,通過調整R6﹑R4改變555定時器保持高電平的時間。仿真結果如下圖所示：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個不同顏色彩燈由暗變亮,不斷重復,閃爍發(fā)光。全亮后維持一段時間。仿真結果如下圖所示：圖3-14顯示電路仿真效果圖4電路調試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,通過LS194寄存器移位,使輸入的二進制代碼譯成對應的輸出高﹑電平信號,８只燈泡依次由暗變亮,當?shù)诎藗€燈變亮時由555組成的維持電路給電路提供一個持續(xù)高電平使八個燈維持一端時間。間低電平出現(xiàn)時,彩燈全滅。上述步驟重復循環(huán),從而實現(xiàn)任務要求。Multism2001的仿真結果如下圖所示：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,方便檢查錯誤和調試,故本次設計采用PROTEL來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電路調試結果圖4-5電路運行效果圖心得體會在畫家眼里,設計是一幅清明上河圖或是一幅向日葵；在建筑師眼中,設計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,設計是貝爾實驗室的機或是華為的程控交換機。凡此種種,但凡涉及設計都是一件美好的事情,因為她能給人以美的幻想,因為她能給人以金般財富,因為她能給人以成就之感,更為現(xiàn)實的是她能給人以成長以及成長所需的營養(yǎng)。我就是以此心態(tài)對待此次《數(shù)電》課程設計的,于是偶然又必然地收獲了諸多,概而言之,大約以下幾點：溫故而知新。課程設計發(fā)端之始,思緒全無,舉步維艱,對于理論知識學習不夠扎實的我深感"書到用時方恨少",于是想起圣人之言"溫故而知新",便重拾教材與實驗手冊,對知識系統(tǒng)而全面進行了梳理,遇到難處先是上網(wǎng)找資料再向同學請教,終于熟練掌握了基本理論知識,學會了如何思考的思維方式,找到了設計的靈感。思路即出路。當初沒有思路,誠如舉步維艱,茫茫,不見道路。在對理論知識梳理掌握之后,茅塞頓開,柳暗花明,思路如泉涌,高歌"條條大路通羅馬"。頓悟,沒有思路便無出路,原來思路即出路。實踐出真知。文革之后,關于真理的大討論最終結果是"實踐是檢驗真理的唯一標準",自從耳聞以來,便一直以為馬克思主義中國化生成的教條。時至今日,課程設計基本告成,才切身領悟"實踐是檢驗真理的唯一標準",才明曉實踐出真知。創(chuàng)新求發(fā)展。"創(chuàng)新"目前在我國已經(jīng)提升到國家發(fā)展戰(zhàn)略地位,足見"創(chuàng)新"的舉足輕重。而在DVD產(chǎn)品上市之初及以后相當長時間,原本前景看好的國市場卻使國DVD生產(chǎn)商無利可圖,只因核心技術受制于人,每臺售出總要交付高額專利技術使用費。因此,我們在課程設計中不忘在小處創(chuàng)新,未必是創(chuàng)新技術,但凡創(chuàng)新思維亦可,未必成功,只要實現(xiàn)創(chuàng)新思維培育和鍛煉即可。過而能改,善莫大焉。至善至美,是人類永恒的追求。但是,不從忘卻"金無足赤,人無完人",我們換種思維方式,去惡亦是至善,改錯亦為至美。在課程設計過程中,我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤,不斷改正,不斷領悟,不斷獲取