彩灯循环电路设计

目录摘要.......................................................................Ⅰ1理论知识准备..............................................................12方案论证.................................................................22.1备选方案...........................................................22.2方案选择...........................................................53电路设计.................................................................73.1选择器件...........................................................73.1.1555定时器.....................................................73.1.274LS194移位寄存器.............................................93.2功能模块..........................................................103.2.1时钟脉冲产生电路..............................................103.2.2彩灯维持电路..................................................123.2.3显示电路......................................................144电路调试................................................................154.1总体电路仿真......................................................154.2电路布线..........................................................164.3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11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22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1.5～5V。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VT1～VT6依次循环导通，单向晶闸管VSl～VS6也循环开通，彩灯H1～H6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1／2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（O0～O9）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（O1～O9）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2-2CD4017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ＲＣ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73电路设计3.1选择器件3.1.1555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3-1555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87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)&&1Vcc(8)CO(5)TH(6)TR(2)D(7)R(4)OUT(3)dRRRQQ图3-2555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0XX0导通10导通1不变不变11截止11截止图3-3555逻辑功能表DR1IV2IVOVDTCCV32CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31CCV31武汉理工大学课程设计说明书93.1.274LS194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，S0﹑S1为工作状态控制端。3-474LS194逻辑符号图3-574LS194逻辑功能表武汉理工大学课程设计说明书10图3-674LS194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R1﹑R2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