双向流动彩灯控制器设计.doc

一、概述 1. 题目： 双向流动彩灯控制器2. 背景： 本次课程设计采用生活中随处可见的彩灯装饰品作为实验项目的背景,结合具体的实际应用,将220V交流用电经变压装置转换为5V直流电源,为整个控制装置提供电源,然后经过产生时钟信号的多谐振荡电路、利用同步预置法改接的八进制计数器和与五路彩灯相连的译码器完成对各个彩灯顺序的控制,以完成实验。3. 意义：通过本次试验既熟悉了555定时器连成的多谐振荡器、计数器和译码器的用法，更进一步加深了课本知识在实际生活中的应用，提高了思考以及动手能力，让学生能够熟练运用软件对各种电路进行模拟仿真。4. 应用：彩灯作为一种景观,安装在建筑物的适当地方作为装饰增添节日气氛,也有一种广告宣传的作用，也可用在舞台上增强晚会灯光效果，通过电路控制彩灯更能够达到意想不到的效果，在日常生活中被广泛应用。5设计要求：a. 用中规模计数器设计该双向流动彩灯控制器。b. 要求彩灯双向流动点亮，其闪烁频率在110Hz内连续可调。c. 要求用555定时器设计时钟脉冲，五路彩灯采用五个发光二极管代替。6. 设计指标： 电路运行后，彩灯依次点亮且能够双向流动，频率在110Hz内连续可调。二、方案设计设计一个可以双向流动的彩灯控制器，控制五路彩灯双向流动。图1 双向流动彩灯控制器原理框图双向流动彩灯控制器原理框图如图1所示，首先采用555定时器连接组成的多谐振荡器产生矩形波从而能够输出电路所需要的时钟信号，即频率在110Hz内可调的时钟信号，然后将时钟信号输出通过计数器接收，经过利用同步预置法由十进制计数器改成的八进制计数器的循环计数来实现双向流动功能，然后计数器连接译码器并与彩灯相连，通过译码器对信号进行译码进而控制彩灯双向流动。三、电路设计通过电路设计，可以把电路分为四个主要模块，即：直流稳压电源模块、多谐振荡器模块、八进制加法计数器电路模块、译码器与彩灯电路模块。下面对这四个模块进行具体分析介绍：1. 直流稳压电源直流稳压电源的原理框图如图2所示。图2 直流稳压电源原理框图直流稳压电源工作原理：直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。电源变压器是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。整流电路将交流电压变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。滤波电路可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。而稳压电路的功能则是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。通过这四个环节的处理，从而能够保证电路输出5v的稳定直流电压。直流稳压电源的电路图如图3所示。图3 直流稳压电源的电路图直流稳压电源的参数选择：7805芯片电压输出电压为标准的5V，应此选7805作为电源稳压芯片，7805系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3-4V。还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。对于桥式整流电路，滤波电容C的充电周期等于交流周期的一半，即 电路中取C=470F2. 多谐振荡电路在实际连接的过程中，555定时器的外引线排列图如图4所示。图4 555定时器的外引线排列图555定时器的功能表如表1所示。表1 555定时器功能表555定时器功能介绍：555 定时器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，具有成本低，性能可靠等有优点。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 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。由它的各项性能可以让它组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。由555定时器构成的多谐振荡器电路如图5所示。 C13.3uFVCC5VU11LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2C210nFR18.2kR218kR31MKey=A50%VCC41320Vo图5 由555构成的多谐振荡器多谐振荡器的工作原理：由555定时器构成的多谐振荡器如图5所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于1/3Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到2/3Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从1/3Vcc上升到2/3Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=（R1R2）C。由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态.其维持时间的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到1/3Vcc时，输出uo。为高电平，放电管VT截止，Vc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。接通电源后，电容C1被充电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，此时Vo为低电平，电容C1通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被复位，Vo翻转为高电平。周期T为：T=(R1+2R2+R3)Cln20.7(R1+2R2+R3)C当R3=0时，将R1=8.2K，R2=18K，C=3.3uF代入，T=0.103s,即f=1/T=10Hz 所以调节滑动变阻器R3，可控制频率在110Hz内。通过控制电容充放电时间，使多谐振荡器产生时钟信号，然后，调节滑动变阻器使多谐振荡器产生的时钟信号频率在110Hz内连续可调，从而做出符合要求的多谐振荡器。多谐振荡器的功能介绍： 555定时器构成多谐振荡器工作可靠，调节方便，在信号产生、工业控制、电源变换、仿声等领域获得了广泛的应用，但其振荡频率不能太高，一般不超过几百千赫兹；且其频率稳定性较差，易受电源波动、温度变化等影响。3.八进制加法计数器电路 八进制加法计数器可由74LS160改接而成，其电路图如图6所示。图6 八进制加法计数器电路图74LS160D功能表如表2所示。表2 74LS160功能表74LS160功能介绍：74LS160是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具有异步清零、同步并行置数 、保持等功能。74LS160的逻辑电路图和引脚排列图如图所示，CR是异步清零端，LD是预置数控制端，A、B、C、D是预置数据输人端，P和T是计数使能端，C是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级 联提供了方便。74LS160的工作原理：利用74LS160制作八进制加法计数器。计数器从00000111正常运行，到0111时进行同步置数使其变为0000，实现八进制循环计数。然后，通过后续电路，使0000控制彩灯1，使0001和0111控制彩灯2，使0010和0110控制彩灯3，使0011和0101控制彩灯4，使0100控制彩灯5，由此实现五路彩灯双向流动功能。八进制加法计数器状态转换图如图7所示。 1000000000010010001101000101011001111001图7 八进制加法计数器状态转换图4.译码器与彩灯电路译码器与彩灯电路如图8所示。图8 译码器与彩灯电路74LS138工作原理： 74LS138输出为低电平，输入端与74LS160的输出相连，Y0与灯1连接，Y1与Y7接入与非门经过一个非门转化为低电平接入灯2，Y2与Y6接入与非门经一个非门接入灯3，Y3与Y5接入与非门经过一个非门接入灯4，Y4与灯5直接相连，最后将所有灯经一个电阻接入电源，由于输入信号为八进制循环，所以Y0至Y7依次输出低电平，由接入方式可得灯1到灯5达到双向流水的效果。74LS138功能表如表3所示。表3 74LS138功能表 译码器与彩灯模块将计数器输出的八进制循环信号进行译码，通过如上方式接入彩灯从而达到控制彩灯循环双向流动的效果，达到设计所需结果。四、性能的测试利用Multisim10进行测试和仿真。1. 直流稳压电源的测试直流稳压电源测试电路如图9所示。图9 直流稳压电源测试电路万用表对直流稳压电源的测试结果如图10所示。 图10 万用表测试结果 由测试结果可知，该电路能够输出稳定直流5v电压，符合电路要求。2. 多谐振荡器的测试。多谐振荡器测试电路如图11所示。图11 多谐振荡器测试电路图示波器波形及示数如图12所示。图12 f=10Hz输出电压波形由示波器示数可知矩形波一个周期大小为T=107.955ms，即频率约为f=10Hz，符合设计要求。3.调节频率为10Hz时,彩灯双向流动仿真结果如下所示，彩灯由上至下点亮的测试结果如图13-15所示，由下至上点亮的测试结果如图16-17所示，从而实现了彩灯的双向流动。图13 由上至下彩灯LED1被点亮图14 由上至下彩灯LED3被点亮图15 由上至下彩灯LED5被点亮图16 由下至上彩灯LED3被点亮图17 由下至上彩灯LED1被点亮通过利用软件进行仿真结果，可以得出彩灯点亮顺序为LED1-LED2-LED3-LED4-LED5-LED4-LED3- LED2-LED1,即能够实现彩灯双向流动的功能。4.电路整体性能测试通过软件测试，此电路通过利用多谐振荡器、计数器以及译码器连接彩灯可以实现控制彩灯双向流动的功能，且频率在110Hz内连续可调，达到了试验设计的要求，能够符合设计所需。 五、结论经过软件测试，电路多谐振荡器能够输出连续可调的时钟信号，且产生的频率在110Hz内，通过计数器接收，经过由十进制计数器改成的八进制加法计数器的循环计数，再通过译码器的译码达到了控制彩灯双向流动的效果，最终彩灯能够双向流动点亮，其闪烁频率在110Hz内连续可调，完全符合设计要求。六、性价比经过研究，可以得知所设计电路中所采用的元器件都是简单且常见的，便于购买且价格相对便宜，性能也基本符合技术要求。适用于对技术要求并不是十分严格的电路，而且能够实现方案所需要的各项功能。因此，本电路的性价比较高。 七、课设体会及合理化建议这次课程设计可以说有很大的收获，通过上网以及借阅书记查询资料，最后得以拟定好一个方案，反复检验无误后开始设计电路进行仿真。原以为有了电路图，一切就会简单很多，结果真正的考验现在才开始，经历过一次又一次的仿真总是不能达到要求，没办法只好从新考虑错误的可能性，经过反复验算验证，终于仿真成功。由于对软件不熟悉，刚进行设计时很不顺手，遇到不少麻烦，经过自己的学习和老师的指导，才完成了电路的设计并成功进行了仿真。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。参考文献1 刘修文主编. 实用电子电路设计制作.M北京：中国电力出版社，2005年2 路勇主编.电子电路实验及仿真.M北京：北京交通大学出版社，2004年3 朱定华主编.电子电路测试与实验.M北京：清华大学出版社，2004年4 董玉冰主编.Multisim9在电工电子技术中的应用.M北京：清华大学出版社，2008年6 谢自美主编电子