颜昊昀彩灯循环电路设计_1

目 录 摘要.1 理论知识准备.1 2 方案论证.2 2.1 备选方案.2 2.2 方案选择.5 3 电路设计.7 3.1 选择器件.7 3.1.1 555 定时器.7 3.1.2 74LS194 移位寄存器.9 3.2 功能模块.10 3.2.1 时钟脉冲产生电路.10 3.2.2 彩灯维持电路.12 3.2.3 显示电路.14 4 电路调试.15 4.1 总体电路仿真.15 4.2 电路布线.16 4.3 电路调试结果.17 心得体会.18 参考文献.19 武汉理工大学课程设计说明书 1 1 理论知识准备 本次做的彩灯循环控制其实也可以看成是不是用单片机而实现的流水灯电路，流水灯是一串按一定的规律像流水一样连续闪亮。流水灯控制是可编程控制器的一个应用，其控制思想在工业控制技术领域也同样适用。循环彩灯控制可用多种方法实现，但对现代可编程控制器而言，利用移位寄存器实现最为便利。通常用左移寄存器实现灯的单方向移动；用双向移位寄存器实现灯的双向移动。控制程序中，关键在于数据移位方向的控制。单方向控制的流水灯，使用左移寄存器可容易地实现。如果流水灯的点亮顺序是双向的，则使用双向移位寄存器进行控制。由于本次设计只是设计了单向的彩灯循环电路，所以彩灯控制电路由三个模块构成，显示电路秒脉冲电路和维持电路。秒脉冲电路全程为电路提供矩形波信号使彩灯定时发亮；显示电路为维持电路提供电源：维持电路在显示电路部分提供电源的情况下为电路提供一段较长的高电平，使彩灯在全部变亮后保持一段时间。同时结合显示电路部分所带元件（主要是 74LS194）的性质，使彩灯从右到左依次由暗变亮，亮后维持一段时间，然后熄灭，并且不断重复。由于本次设计并不是很复杂，所以本设计只采用数字集成电路的 555 定时器和移位寄存器，产生相应的控制信号，从而控制彩灯的闪烁。数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端，在时钟脉冲的作用下，数据在移位寄存器的八位并行输出端从 Q0 到 Q7 顺序移动。移动的八位控制信号直接控制发光二极管的亮灭，就出现了八路自动循环切换的流水彩灯。该设计可以用做广告牌边框灯光设计，如果用条形光柱代替彩灯，还可以作为广告牌的背景闪烁灯光使用，增强广告的感染力。武汉理工大学课程设计说明书 2 2 方案论证 2.1 备选方案 方案一：图 2-1 方案一电路图 由 HFC3040模块构成的六路循环彩灯控制电路可驱动六路彩灯循环闪亮，并有 2 种不同的循环速度，如图所示。由于电路中巧妙地利用了闪光集成模块 HFC3040，不但使电路结构十分简单，而且成本低廉。ICl 是闪光专用集成电路 HFC3040，其工作电压范围为 1.55V。因此，220V 交流电经 Rl 降压限流、V1 半波整流后，使 LED 发光。同时，LED 两端约1.6V 稳定直流电压经 C1 滤波后供集成电路 IC1 用电。由于 TR 触发端与地相连，所以通电后电路立即触发工作。6 个输出端 L1 L6 依次出现低电平，故使 6 个 PNP 三极管 VT1VT6 依次循环导通，单向晶闸管 VSl VS6 也循环开通，彩灯 H1H6 被循环点亮。S 为速度选择开关，当 S 置于“1”时，彩灯速度为高速挡；当 S 置于“2”时，即电阻 R2 接到集成电路内部双稳态触发器的输出端 Q，由于经过内部 12 分频，Q 输出高低交替变化电平。只有 Q 端输出高电平时，才有可能被触发导通，所以彩灯循环速度降低了一半。该电武汉理工大学课程设计说明书 3 路由于采用了专用芯片，不需要任何调试，通电后即能正常工作。如果接通电源后彩灯不循环，应检查集成电路 LED 两端的电压，如果此电压低于 l.5V，则集成电路不能工作。方案二：采用 CD4017 芯片，CD4017 芯片为专用芯片，有 10 个输出端（O0O9）和 1 个进位输出端O5-9。每输入 10 个计数脉冲，O5-9 就可得到 1 个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。CD4017 有 3 个输（MR、CP0 和CP1），MR 为清零端，当在 MR 端上加高电平或正脉冲时其输出 O0 为高电平，其余输出端（O1O9）均为低电平。CP0 和CPl 是 2 个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由 CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由CPl 端输入。设置 2 个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。由此可见，当 CD4017 有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。图 2-2 CD4017 工作原理 方案三：武汉理工大学课程设计说明书 4 利用了 74LS194D 双向移位寄存器的特点，将寄存器的工作方式控制端 S1、S0连续、交替的转换为左移和右移工作方式，当左移输入端 SL 和右移输入端 SR 都固定输入高点平“1”时，输出端 QAQBQCQD 在连续脉冲的作用下依次左移或右移。当QAQBQCQD 都为“1”时，输出端连接的与非门输出为低点平“0”，这个低点平既是寄存器的清零信号，同时又是 JK 触发器的计数翻转脉冲。JK 触发器作为双向移位寄存器的工作方式控制器，它的输出端连接寄存器的工作方式控制端 S1、S0。为了保证末端的彩灯亮发光，与非门输出的输出端接一延时电路。这样就构成了一个简单的四路彩灯显示电路。图 2-3 方案三实验电路图 方案四：彩灯控制电路由三个模块构成，显示电路秒脉冲电路和维持电路。秒脉冲电路全程为电路提供矩形波信号使彩灯定时发亮；显示电路为维持电路提供电源：维持电路在显示电路部分提供电源的情况下为电路提供一段较长的高电平，使彩灯在全部变亮后保持一段时间。同时结合显示电路部分所带元件（主要是 74LS194）的性质，使彩灯从右到左依次由暗变亮，亮后维持一段时间，然后熄灭，并且不断重复。武汉理工大学课程设计说明书 5 图 2-4 方案四实验电路框图 2.2 方案选择 本次课程设计要求不高，实验电路相对比较简单，可以列出很多不同的实验方案，因此在此就不再一一列举了，就这四个方案进行横向比较既即可。方案一是最为简单的电路，由 HFC3040 模块构成的六路循环彩灯控制电路可驱动六路彩灯循环闪亮，并有 2 种不同的循环速度。该电路由于采用了专用芯片，不需要任何调试，通电后即能正常工作。但是只有六路彩灯，与要求的八路有一定差距，若进行扩展的话又有所浪费，不符合使用最简单电路，最经济元件达到同样效果的原则。方案二比之方案一差别不大，都是比较简单的电路，同样也采用了专用芯片，只有六路彩灯，这与要求不太相符，所以也不采用。方案三是只有四路彩灯的，必须经过扩展才能达到八路的要求，计数器使用合理。武汉理工大学课程设计说明书 6 方案四符合实验要求，以最简单的原件和电路构成了任务所需的彩灯循环电路，只要自己设计出时钟脉冲信号即可，相当于方案三的改良版，但是去掉了计数器，模块性突出方便进行多路扩展，故采用这一方案。武汉理工大学课程设计说明书 7 3 电路设计 3.1 选择器件 3.1.1 555 定时器 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 时基电路有双极型和 CMOS 型两种。LM555/LM555C 系列属于双极型。优点是输出功率大，驱动电流达 200mA。而另一种 CMOS 型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率要小得多，输出驱动电流只有几毫安。双极型定时器 CB555 是由比较器 C1 和 C2、基本 RS 触发器和集电极开路的放电三极管 TD 三部分组成。图 3-1 555 定时器引脚图 555 引脚图介绍如下 1 地(GND)2 触发(TR),是下比较器的输入 3 输出(OUT),有 0 和 1 两种状态,它的状态由输入所加的电平决定 4 复位(R),叫上低电平(0.3V)时可使输出端为低电平 5 控制电压(CV),可以用来改变上下触发电平值 6 门限(阈值）(TH),是上比较器的输入 武汉理工大学课程设计说明书 8 7 放电(DIS),是内部放电管的输出,它有悬空和接地两种状态,也是由输端 的状态决定 8 电源电(VCC)&1Vc c(8)CO(5)TH(6)TR(2)D(7)R (4)OUT(3)dRRRQQ 图 3-2 555内部原理图 上图中 TR 为低触发端，TH 为高触发端，Rd 为清零端，CO 为控制电压端，D 是放电端，OUT 是输出端，Vcc 是电源端。输 入 输 出 0 X X 0 导通 1 0 导通 1 不变 不变 1 1 截止 1 1 截止 图 3-3 555逻辑功能表 DR1IV2IVOVDTCCV32CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31CCV31武汉理工大学课程设计说明书 9 3.1.2 74LS194 移位寄存器 移位寄存器 74LS194 由 4 个触发器和它们的输入控制电路组成。SR 为数据右移串行输入端，SL 为数据左移串行输入端，A 到 D 为数据并行输入端，QA 到 QD 为数据并行输出端，CLR 为移步清零输入端，S0S1 为工作状态控制端。3-4 74LS194 逻辑符号 图 3-5 74LS194 逻辑功能表 武汉理工大学课程设计说明书 10 图 3-6 74LS194 内部原理图 3.2 功能模块 3.2.1 时钟脉冲产生电路 本电路秒脉冲电路由一个集成的 555 定时器够成，当电源接通后，VCC 通过对R1R2 向电容器充电。电容上得到电压按指数规律上升，当电压上升到 2/3VCC 时，输出电压 V0 为零，电容器放电。当电压下降到 1/3VCC 时，输出电平为高电平，电容器放电结束。这样周而复始形成了振荡。脉冲发生器由 NE555 与 R1，R2，RP，C1，C2 组成的多谐振荡器组成,它是为灯光流动控制器提供流动控制脉冲的，多谐振荡器的振荡频率可根据所需要的灯光流动速度，通过 RP 进行调节，由于 RP 阻值较大，所以有较大的调速范围。用 555 定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为:T=0.7(R1+2R2)C 要用 555 产生时钟脉冲,控制移位寄存器,要能看到彩灯的流动,其周期设为 1 秒左右,电阻值和电容值可设为：R1=30K，R2=90K，C=0.01F 武汉理工大学课程设计说明书 11 由公式计算得：T 约等于 1S 电路图如图所示:图 3-7 脉冲电路图 采用 Multism2001 进行仿真，仿真结果如下图所示：图 3-8 脉冲电路仿真结果 武汉理工大学课程设计说明书 12 图 3-9 脉冲波形图 3.2.2 彩灯维持电路 图 3-10 彩灯维持电路图 当第八个等变亮时，使 555 定时器产生高电平。当八个等全变亮后，使得彩灯维持一端时间，555 定时器保持高电平的时间就是彩灯变亮后维持的时间。555 定时器不在提供高电平是彩灯熄灭，通过调整 R6R4 改变 555 定时器保持高电平的时间。武汉理工大学课程设计说明书 13 仿真结果如下图所示：图 3-11 彩灯维持电路仿真图 图 3-12 彩灯维持电路波形图 武汉理工大学课程设计说明书 14 3.2.3 显示电路 图 3-13 显示电路图 体现 8 个不同颜色彩灯由暗变亮，不断重复，闪烁发光。全亮后维持一段时间。仿真结果如下图所示：图 3-14 显示电路仿真效果图 武汉理工大学课程设计说明书 15 4 电路调试 4.1 总体电路仿真 图 4-1 总体电路图 接通电源,由 555 组成的多谐振荡器产生脉冲信号，通过 LS194 寄存器移位，使输入的二进制代码译成对应的输出高电平信号，只灯泡依次由暗变亮，当第八个灯变亮时由 555 组成的维持电路给电路提供一个持续高电平使八个灯维持一端时间。间低电平出现时，彩灯全灭。上述步骤重复循环，从而实现任务要求。Multism2001 的仿真结果如下图所示：武汉理工大学课程设计说明书 16 图 4-2 电路仿真效果图 4.2 电路布线 由于电路比较简单，所以布线不是十分麻烦，但是为了使得布线更为合理，方便检查错误和调试，故本次设计采用 PROTEL 来完成电路得布线工作。图 4-3 显示电路原理图 武汉理工大学课程设计说明书 17 图 4-4 生成 PCB 布线 4.3 电路调试结果 图 4-5 电路运行效果图 武汉理工大学课程设计说明书 18 心得体会 在画家眼里，设计是一幅清明上河图或是一幅向日葵；在建筑师眼中，设计是昔日鎏金般的圆明园或是今日一塑自由女神像；在电子工程师心中，设计是贝尔实验室的电话机或是华为的程控交换机。凡此种种，但凡涉及设计都是一件美好的事情，因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金般财富，因为她能给人以成就之感，更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养。我就是以此心态对待此次数电课程设计的，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点：温故而知新。课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是上网找资料再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。思路即出路。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“条条大路通罗马”。顿悟，没有思路便无出路，原来思路即出路。实践出真知。文革之后，关于真理的大讨论最终结果是“实践是检验真理的唯一标准”，自从耳闻以来，便一直以为马克思主义中国化生成的教条。时至今日，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。创新求发展。“创新”目前在我国已经提升到国家发展战略地位，足见“创新”的举足轻重。而在 DVD 产品上市之初及以后相当长时间内，原本前景看好的国内市场却使国内 DVD 生产商无利可图，只因核心技术受制于人，每台售出总要交付高额专利技术使用费。因此，我们在课程设计中不忘在小处创新，未必是创新技术，但凡创新思维亦可，未必成功，只要实现创新思维培育和锻炼即可。过而能改，善莫大焉。至善至美，是人类永恒的追求。但是，不从忘却“金无足赤，人无完人”，我们换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。最后，我想我必须对我的指导老师说一声谢谢！武汉理工大学课程设计说明书 19 参考文献 1 电子实验与电子实践 中国标准出版社 南寿松 刘荣林主编 2004.11 2 电子系统与实践 电子工业出版社 杨刚 周群主编 2004.1 3 数字电子技术基础简明教程第二版 高等教育出版社 清华大学 阎石主编 1998.10 4 电子技术实验与课程设计指导 数字电路分册 东南大学出版社 郭永贞主编 2004.10 5王远，数字电子技术，北京：机械工业出版社，1994 6韩亚萍，Protel DXP 基础教程，清华大学出版社，2005.05