七色广告灯箱控制器设计.doc

辽宁工程技术大学电子技术课程设计综述这次数字电路课程设计的内容是设计七色广告灯箱控制器。随着经济的发展、社会的进步，广告的作用已经很重要。但是传统的单一色彩的灯箱显得非常单调。人们根据控制原理设计了可控制的七色广告灯，七种色彩循环变化是广告显得华丽多彩，更能吸引人们的目光。该系统的功能是：用三种不同色彩的灯，组成七色循环变化的灯箱，而且该灯箱可实现白天自动关闭，晚上又自动开启的功能。随着科学的进步和社会的发展，广告灯的设计会进一步完善。积极地思考，利用科学知识设计出更加先进的灯箱控制器。1 设计思路及其框图1.1设计电路的功能本次设计的目的是设计自动控制的七色广告灯箱，其功能是用光敏电阻控制灯在白天自动关闭，到晚上自动开启。利用555定时器产生cp脉冲给计数器，采用74160计时器控制可控硅开关，达到灯七种彩色自动循环变化的效果。1.2设计电路框图220V交流电变压器光控开关脉冲发生器灯双向可控硅开关计数器图1-1基本结构框图七色广告灯箱控制器的原理如图2-1所示。他主要由光敏开关、脉冲发生器、循环控制器。可控硅开关、灯箱等部分组成。采用光敏三极管控制循环控制器的开启和关闭。用555定时器产生cp脉冲提供给循环控制器（74160计数器），循环控制器是由10进制同步二进制计数器74160变成的七进制计数器。控制器控制灯箱七种色彩灯循环变化。灯箱由220v交流电源供电2 各部分电路及其原理2.1桥式整流原理介绍：图2-1桥式整流电路单相桥式整流电路如图所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压vI变成整流电路要求的交流电压 ，RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图2-1中实线箭头表示。在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图2-1中虚线箭头所示。综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图2-2。由图可见，通过负载RL的电流iL以及电压vL的波形都是单方向的全波脉动波形。图2-2波形分析2.2 NE555内部框图，工作原理555定时器由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V18V范围内使用。图2-3 NE555内部框图555定时器工作时过程分析如下： 5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。 当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。 当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。 当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。 当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。NE555极限参数：表2-1 NE555极限参数NE555极限参数电源电压允许功耗工作温度储藏温度最高温度+18V600mW-10+70军用-55+125-65+150300图2-4 脉冲信号发生器的原理图如图2-4所示，R1和C1组成一个串联RC充放电电路，在NE555的3引脚上输出一个方波信号。当接通电源后，因为电容上的初始电压为零，所以输出电压为高电平，并开始经电阻R1向电容C1充电。当充电到输入电压为v=Vt+时，输出跳变为低电平，电容C1又经过电阻R1开始放电。当放电至v=Vt-时输出电位又跳变为高电平，电容C1重新开始充电。如此周而复始，电路便不停地振荡。其电压波形如图2-5所示。图2-5多谐振荡器电路的脉冲图由公式T1=（R1+R2）Cln2T2=R2Cln2T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2得出当占空比为50%时，T1约为223s，T2约为162s，即周期T为385s。2.3循环控制器的设计循环控制器是七色广告灯箱的核心，它使灯箱七种色彩循环变化。循环控制器由74160组成7进制计数器图2-6计数器示意图表2-2 74LS160逻辑功能表CLKRdLDEPET工作状态X0XXX置零10XX预置数X1101保持X11X0保持1111计数74160为中规模集成的10进制同步二进制计数器，具有加法计数功能之外，还有预置数、保持和异步置零等功能。当RD=LD=EP=ET=1时，电路工作在计数状态，异步置零只要Rd端为低电平，同步置数只要LD 端为低电平。本文采用同步置数功能，将74160变为七进制计数器。其状态转换图如图3-3所示。图2-7 74160状态转换图电路从001状态开始连续输入7个计数脉冲时，在111状态由三相与非门输出0返回给LD端。使计数器工作在同步置数状态 ，达到循环的效果2.4双向可控硅开关（1）简介双向可控硅又称为双向晶闸管。普通晶闸管(VS)实质上属于直流控制器件。要控制交流负载，必须将两只晶闸管反极性并联，让每只SCR控制一个半波，为此需两套独立的触发电路，使用不够方便。双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。其英文名称TRIAC即三端双向交流开关之意。（2）工作原理TRIAC为三端元件，其三端分别为T1 (第二端子或第二阳极)，T2 (第一端子或第一阳极)和G(控制极)亦为一闸极控制开关，与SCR最大的不同点在于TRIAC无论于正向或反向电压时皆可导通，其符号构造及外型，如图2-8所示。因为它是双向元件，所以不管T1 ,T2的电压极性如何，若闸极有信号加入时，则T1 ,T2间呈导通状态；反之，不加闸极触发信号，则T1 ,T2间有极高的阻抗。图2-8 双向可控硅结构原理图（3）本实验选取双向可控硅BT136-600作为电路连接元件，其主要参数如下： 表2-3 BT136-600参数BT136-600断态重复峰值电压 VDRM(Max)(V)600V反向重复峰值电压 VRRM(Max)(V)600V额定正向平均电流 IF(Max)(A)4A门极触发电流 IGT(Max)(mA)10mA3 工作电路及分析图3-1工作电路3.1电路分析电路采用220V交流电源，经变压器变压得到16V交流电。后接由4个IN4007型二极管组成的桥式整流电路得到单方向脉动电压，然后接一个MC7812BT型三端稳压器得到12V稳定直流电压。白天时，光敏三极管阻值无限大，电阻R1分得电压很小，555定时器不工作。夜晚时，光敏三极管阻值很小，此时调节R1能得到+5V直流电压使555定时器工作。上边的555定时器输出端接一个晶体三极管，相当于一个开关，控制后面的电路是否导通；下边的555定时器是一个脉冲发生器，能发出矩形脉冲，通过调节电阻R3可以改变矩形脉冲的周期。得到的矩形脉冲接到后面的74160计数器上，使计数器实现计数功能。输出端QA、QB、QC通过一个3-3输入与非门74LS10接回到指数端，使计数器实现001、010、011、100、101、110、111的循环计数功能，从而实现广告灯箱的颜色循环功能。如：当X1、X2、X3分别为白、红、绿色灯时，输出001时为白色显示，010时为红色显示，011时为白、红显示，100时为绿色显示，101时为白、绿显示，110时为红、绿显示，111时为白、红、绿显示。计数器的三个输出端QA、QB、QC后面分别接了三个晶体三极管，起电流放大作用，使有足够大的电流能驱动双向可控硅开关使交流电路导通，灯泡发亮。实际应用中，光敏三极管应安装在灯箱外面，但应避开日光照射，其余元件安装在灯箱内部。R1应在傍晚的适当时间调整，R3应根据每种灯光需要保持的时间而定，按照本电路选择的电阻阻值，其调节时间范围约在111分钟之间。4 仿真电路图4-1 555定时器仿真电路图4-2 555定时器仿真电路波形分析5 使用的元器件表5-1器件列表元件名称规格及用途数量变压器220/16 小型变压器 降压1桥式整流电路VD1VD4 IN40074 交流变直流1固定电阻4K、5K、20K、100K、187K10可变电阻20K、1M2电容0.01F、470F、3NE555定时器274160N计数器174LS10N3-3输入与非门1晶体三极管VT1VT4 2N222244双向可控硅BT1BT3 BT136-60033灯L1L3 Lamp220V 30W 白、红、绿3光敏三极管PHOTO_TRANSISTOR_RATED1心得体会经过一周的努力，我终于完成了电子技术课程设计报告。通过本次广告灯箱控制器的设计，不但使我更加熟悉了数字电子课的知识，而且让我知道了在课本上没有的东西。通过查找资料图书，上网搜索，掌握了制作循环控制器的方法和原理，了解了可控硅的工作原理和使用方法，懂得了用可控硅开关控制强电的方法。此次课程设计意义很大，不但让我懂得了以前没有理解的东西，而且使我明白学习知识的意义。通过画图和仿真不但使我更深的理解了课上学的知识，还提高了独立思考和动手能力。通过本次课程设计，使我知道我现在所学到的知识还远远不够，在实际操作中有很多问题还不能解决，所以我要在今后的学习中更加努力，学好本专业的知识。我相信通过这次课程设计，我一定会在以后的学习中更