彩灯循环控制电路的设计

彩灯循环控制电路的设计1技术指标设计一种利用发光二极管作为彩灯指示,实现发光二极管依次点亮形成移动的光点,并不断循环的彩灯循环控制电路，要求可以实现彩灯循环的时间可以调节。2设计方案及其比较21方案一对于脉冲信号的产生部分的设计，由于产生信号脉冲的方法很多，这里我们选用的是555定时器构成的多谐振荡器。它可以在接通电源后产生一定频率和一定幅值的矩形波，用作脉冲信号源。由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器，其振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，使得产生的波形更稳定，所以我们选用555定时器组成多谐振荡器。得到的电路图如下图一时序脉冲信号的产生电路其中，电阻R1、RV2和电容C1构成定时电路，定时电容C1上的电压VC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。放电端D（7脚）接在R1和R2之间。电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容（001UF）。直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。用示波器观察555定时器组成的多谐振荡器的输出波形如下图二示波器观察555输出波形对于彩灯控制电路部分的设计，要产生由零位至九位的依次高电平并循环，直接使用具有计数、译码功能的集成芯片CD4017。其电路图如图二所示图三彩灯控制电路将时序脉冲产生电路中555芯片的3号输出管脚接到CD4017的时钟信号输入端（14脚），得到总的电路图如下图四方案一总的电路仿真图22方案二74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，可以灵活的运用在各种数字电路中，实现分频器等很多重要的功能，合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。74LS138为3线8线译码器,当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（E2和E3）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。方案二电路工作原理该电路的左边是以555芯片为核心构成的一个多谐振荡电路，借助该电路产生驱动后续芯片的脉冲，该部分电路产生的脉冲周期可以通过改变滑动变阻器RV1的阻值来改变脉冲频率，接下来的电路是以74LS161芯片为核心构成的四位二进制计数器。计数器在计数脉冲的作用下，Q0到Q3的输出从“0000”到“1111”依次变化。将74LS161的Q0、Q1、Q2输出端分别连接到74LS138的地址端A、B、C，在Q0、Q1、Q2的输出从“000”到“111”的过程中，通过译码器之后，输出端Y0Y7依次输出低电平，再经过反相器，驱动对应的二极管发光。方案二的总体电路图如下图五方案二总的电路仿真图23方案三在第二种方案的基础上，改用74LS193作为计数器，74LS193是同步四位二进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有异步清零和异步置数等功能，能实现加计数和减计数，相对于74LS161来说，它的功能更齐全。74LS193的特点是有两个时钟脉冲（计数脉冲）输入端CPU和CPD。在RD0、LD1的条件下，作加计数时,令CPD1,计数脉冲从CPU输入；作减计数时，令CPU1，计数脉冲从CPD输入。此外，74LS193还具有异步清零和异步预置数的功能。当清零信号RD1时，不管时钟脉冲的状态如何,计数器的输出将被直接置零；当RD0,LD0时，不管时钟脉冲的状态如何，将立即把预置数数据输入端A、B、C、D的状态置入计数器的QA、QB、QC、QD端，称为异步预置数。将74LS193的Q0、Q1、Q2输出端分别连接到3线8线译码器74LS138的地址输入端A、B、C，同理，在74LS193的输出端Q0、Q1、Q2从“000”到“111”的过程中，通过译码器之后，输出端Y0Y7依次输出低电平，再经过反相器，驱动对应的发光二极管D0D7发光。限流电阻R2的阻值应适宜，太小容易烧坏二极管，太大了二极管不亮或很暗。方案三的总体电路图如下图六方案三总的电路仿真图24方案比较方案一实现该方案只需要两个芯片，并且CD4017是5位JOHNSON计数器，具有10个译码输出端，因而兼备了计数器和译码器的功能，电路整体来说比方案二、方案三简单，连线也不复杂，而且还能实现十个彩灯的循环，而方案二、方案三最多能实现八个灯的循环，因此方案一更具优势。从经济角度看，实现该电路很廉价，主要用到了常见的NE555定时器和CD4017，计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜，此外，由于该方案设计思路明了，功能分区域实现，故在电路板上较容易实现。方案二该方案相对于方案一来说，该方案多用到了一个芯片，用74LS161计数器和74LS138译码器来共同实现CD4017的功能，因此无论是从经济角度看还是从连线的难易度来看，都不如方案一好。方案三该方案相对于方案二来说，是用四位二进制可逆计数器74LS193替换了74LS161，虽说它能实现加减计数，功能更齐全，但由于具有双时钟输入，接线相对来说要复杂，也容易出错，检查电路错误时需要查一下各管脚的功能和连接方式，因而没有方案二实现方便，更没有方案一简单、易实现。通过比较以上三种方案，可以看出，第一种方案是比较好实现的，按照方案一不仅可以达到课程设计所要达到的要求，而且方案一实现起来非常简单，电路容易理解，实验容易进行，能够减小实验的成本，此外方案一中电路所需要的接线少，简化了电路，降低了接线的难度，只需要查一下各管脚的功能，就能明确接线方案，十分方便。因此，综合多方面因素，选取方案一来实现最恰当。3实现方案31原理图在实现的时候对方案一进行了修正，将两个14K的电阻串联后接到7脚，RV2的阻值改为100K,电容C1的值改为10UF,故最终的实现方案电路图如下图七最终的实现方案电路仿真图32实验原理我们用555定时器组成的多谐振荡器实现脉冲信号的产生。图八555定时器构成多谐振荡电路接通电源后，电容C1被充电，当定时电容C1上的电压UC上升到2/3VCC时，使UO为低电平，同时555定时器内部的放电三极管T导通，此时电容C1通过和三极管放电，UC下降，。当UC下降到1/3VCC时，UO翻转为高电平。2R电容C1放电所需时间为放电时间（1）1212690LNTCRCRPL当放电结束时，三极管T截止，VCC通过R1、R2及电容C1充电，UC由1/3VCC上升到2/3VCC所需时间为充电时间（2）121121690LNTPH当UC上升到2/3VCC时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。矩形波的振荡周期（3）121121690LNCRCRTTPHL电路的振荡频率TPHL431F21（4）输出波形占空比（5）10TPHLQ555定时器构成多谐振荡电路的工作波形如下图九工作波形彩灯控制电路的实现主要应用了集成芯片CD4017实现数列循环，控制彩灯的亮灭。芯片CD4017本身具有计数及译码功能，因此这部分只需按照其功能表来接电路就可以实现要求数列输出，并控制彩灯。将具有计数及译码功能的芯片CD4017MR、CP1置零，使其工作在正常计数状态，接通电源、脉冲源。在前九个脉冲中，第N个上升沿脉冲输入时，对应QN为高电平，其余为低电平，使得DN二极管发光。第十个上升沿到达时，Q9对应高电平，即D0至D8灯全部熄灭。再下一个脉冲上升沿到达，继续上述循环。33元件清单NE555定时器和CD4017，直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具34元件介绍341555定时器图十LF353管脚图管脚解释1脚接地端GND2脚触发点3脚输出4脚复位端5脚基准电压6脚门限阈值）7脚放电端8脚电源电压VCC工作参数供应电压4518V供应电流1015MA输出电流225MAMAX上升/下降时间100NS下表给出了555定时器的功能表表1555定时器的功能表输入输出阈值输入触发输入复位输出放电管XX00导通VCCVCC10导通VCC1不变不变342CD4017芯片CD4017引脚图如下管脚解释Q0Q9计数脉冲输出端8脚VSS地12脚CO进位脉冲输出13脚INH禁止端14脚CP时钟输入端15脚CR清除端16脚VDD正电源图十一CD4017管脚图表2给出了CD4017的功能表表2CD4017功能表输入输出CP0CP1MRQ0Q9COXX1清零0010计数0X0X101000保持每十个时钟输入周期，CO信号完成一次进位，由1变为0CD4017的工作条件电源电压范围3V15V输入电压范围0VVDD工作温度范围M类55125E类4085极限值电源电压05V18V输入电压05VVDD十05V输入电流10MA贮存温度6515034374LS16174LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，管脚图如下图十二74LS161管脚图管脚解释1脚清零/MR2脚时钟CP36脚四个数据输入端P0P38脚接地端7脚、10脚使能端CEP、CET9脚置数端PE1114脚数据输出端Q0Q315脚进位输出端TC16脚正电源表3给出了74LS161的功能表表374LS161功能表输入输出CPCRLDPTD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0X0XXXXXXX000010XXDCBADCBAX110XXXXX保持X11X0XXXX保持（C0）1111XXXX计数34474LS13874LS138为3线8线译码器，其管脚图如下图十三74LS138管脚图管脚解释13脚A0A2，地址输入端4、5脚、,选通端（低电平有效）1E26脚STA（E1）,选通端7、915脚，输出端（低电平有效）70Y8脚GND，接地16脚VCC，正电源表4给出了74LS138的功能表表474LS138功能表输入输出STASTBCA2A1A00Y123Y456Y7HHHHHHHHHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL4调试过程及结论41实物布线图通过查阅有关面包板资料，在弄清楚面包板的基本结构以及各个孔的连通情况，以及面包板上插孔内部导通情况，并且掌握了面包板上下两行插孔的分组情况，遵循着接线“横平竖直”的原则，我和同组同学终于完成了布线，整个面包板看起来比较简洁，没有飞线、混接等情况，并且注意到了芯片电源的正负极以及电容的正负极，面包板上的接地部分已事先留出。之后是检查电路，看看是有芯片管脚接错、导线松动接触不良等问题。在确认无误之后，最终得到以下的实物连接图图十四面包板实物连接图42接通电源调试过程在充分检查电路，确定无误之后正准备接通直流电源的时候，我们遇到了问题，眼前的直流电源与我们平时模拟电子技术试验所用到的有些不同，于是我们在询问了上一组实验的同学之后，终于弄清楚了直流电源的使用方法，在用导线将电源两端的接地端连通之后，我们分别用导线从电源的正负端引出，接到面包板上事先设置好的正负极插孔上，接电源这一步就完成了。观察现象这一步，看见在面包板上已排好的发光二极管，按照事先设计的“S“形依次点亮并形成移动的光点,到时序脉冲第十个上升沿到达时，Q9对应输出高电平，即D0至D8灯全部熄灭。再等到下一个脉冲上升沿到达，继续上述循环。刚开始的时候观察到的循环彩灯的周期较大，是因为刚开始滑动变阻器RV2的阻值较大，于是我们调节滑动变阻器，使其阻值从100K逐渐减小，发现彩灯循环亮灭的频率逐渐加快，即周期在逐渐增大，完成了任务书中的要求。调节完成之后，整理电路，拍下试验电路实物图，记录试验结果和相关数据，记录到实验报告中。43结论实验过程中，通过手机计时得到彩灯循环点亮的间隔为074S，理论数值计算为，计算的周期121121690LNCRCRTTPHL，可见理论与实际吻合地较好。S7130在面包板上连接实物，接通电源后，可以看到发光二极管D0D8依次亮起，每次只亮一灯，D8亮后，发光二极管全部熄灭，再由L0开始亮起。调节电位器RV2可以实现改变发光二极管每次发光时间间隔。由此看出，本次设计完成了预期全部要求，设计成功。5心得体会首先，在拿到设计任务书之后，我看了实验要求，知道了要设计彩灯循环控制电路，要求可以实现彩灯循环的时间可以调节。于是我联想到了电工电子实习课上做过的音乐盒电路，通过仔细的分析，弄清这两者之间的联系和区别。接着我从原理上开始设计，先是利用555定时器设计一个时序脉冲产生电路，接着通过计数器对输出的脉冲信号进行计数，最后通过译码器将计数器的计数依次译成对应的输出，从而驱动对应的发光二极管发光，要注意的是发光二极管之后要接一个限流电阻，保护电路，避免二极管因电流过大，被烧坏，其阻值通过计算之后大致确定为330。原理上分析过后，又看了一下试验所给的器材，有NE555和CD4017,通过查找资料，得到他们的管脚图、功能表及典型电路，知道了集成芯片具有电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小，体积小、重量轻、功耗低、成本小，内含各种保护电路，电路的可靠性高，出错率低等优点。紧接着是提出三个可行的方案并作对比，在PROTEUS中进行仿真，用示波器观察各部分电路的波形，看输出波形是否有失真，发光二极管是否依次点亮。这次试验也是第二次接触面包板，通过网上搜索知道了面包板的结构，以及各个孔的连通情况，在确定好方案之后和同组同学一起开始布