姜彩灯控制器设计

1、 模拟电子技术课程设计题 目：彩灯控制器设计 院 系：工学院电气与电子工程系 专 业：自动化 班 级：自动化1502 姓 名：姜宇鹏 学 号：201502022010 指导教师：曲春风 完成日期：2016年12月 成绩：摘要随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。在这样的大环境下，我们需要开发出更加时尚，而且电路简单，功能更多的多路彩灯控制器，使得它能在不同的场合，不同时间段，能够有不同的闪烁频率。本文用555定时器，cd4017脉冲分配器作为主

2、要元器件，通过这个元器件的工作特点，实现彩灯的各种序列变换，进行彩灯控制的初步探索和研究， 设计的思想是以最少的芯片数量，制作成体积小、功耗低，并且具有很好的可靠性和可扩展性。全部的设计仿真都用protus软件来实现。关键词：彩灯 元器件 仿真设计任务与要求(1)共有红、绿、黄3色彩灯各9个，要求按一定顺序和时间关系运行。(2)动作要求：先红灯，后绿灯，再黄灯，分别按0.5S的速度跑动一次，然后，全部红灯亮5S，再黄灯，后绿灯，各一次。以此循环。(3)对各组灯的控制，要求有驱动电路。(4)对跑动电路，可以每3个一组，交叉安装，分别点亮每一组，利用视觉暂停，达到跑动的效果。目录 1.彩灯控制器的

3、构成及整体电路方框图：12总体设计方案23方案电路各部分的原理及其设计43.1 脉冲发生电路43.1.1 NE555芯片功能简述43.1.3电路原理及设计：53.2译码及分频电路63.2.1 CD4017功能简述63.2.2 CD4017逻辑结构图：63.2.3设计电路及原理：73.3驱动及显示电路84仿真结果及分析104.1仿真结果104.2 仿真结果分析125 心得与体会136 参考文献14附录一：元件清单15表3 原件清单151.彩灯控制器的构成及整体电路方框图：设计的总电路由循环控制电路、序列控制电路、输出电路三部分组成，其中序列控制电路又包括自然序列、奇偶序列和音乐序列控制电路。其工

4、作流程是通过循环电路控制序列电路中序列的循环，再由输出电路输出序列。其工作框图如图1所示：循环控制电路序列控制电路输出电路 脉冲 LED彩灯计数器清零电路图1 彩灯控制电路总图2总体设计方案 采用555定时器、cd4017脉冲分配器、2n5551三极管以及一些电阻、电容等器件来设计。这些芯片的不同接法可实现不同的功能，简单方便，序列由数码管输出，序列的输出可通过译码器来控制，序列显示的时间通过调节脉冲信号的频率来进行调控，此方案的具体设计思路如下：1. 利用555定时器来实现连续可调的脉冲。以实现序列时间间隔变化的控制。进而改变彩灯的闪烁频率。2. 用CD4017脉冲分配器实现对555脉冲的分

5、配，实现彩灯的流水花样，同时通过串联下一级的CD4017实现对脉冲的十分频。进而使彩灯实现原频率的十分之一的速率闪烁 3. 通过使用2N5551三极管的开关功能实现对彩灯花样的变换图1：脉冲发生及脉冲分配分频电路3方案电路各部分的原理及其设计3.1 脉冲发生电路3.1.1 NE555芯片功能简述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

6、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，使输出为低电平。单稳态模式：在此模式下，555功能为单次触发。应用范围包括定时器，脉冲丢失检测，反弹跳开关，轻触开关，分频器，电容测量，脉冲宽度调制（PWM）等。无稳态模式：在此模式下，555以振荡器的方式工作。这一工作模式下的555芯片常被用于频闪灯、脉冲发生器、逻辑电路时钟、音调发生器、脉冲位置调制（PPM）等电路中。如果使用热敏电阻作为定时电阻，555可构成温度传感器，其输出信号的频

7、率由温度决定。双稳态模式（或称施密特触发器模式：在DIS引脚空置且不外接电容的情况下，555的工作方式类似于一个RS触发器，可用于构成锁存开关。3.1.2 NE555芯片引脚图：图3：NE555芯片引脚图3.1.3电路原理及设计： 产生信号脉冲的方法很多，可直接接入电压源脉冲信号，还可用多谐振荡器产生方波信号。本设计选用的是用多谐振荡器。它是一种在接通电源后。选用的电路由555 定时器构成的，因为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，用它组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，这样使产生的矩形波更稳定。 其电路图如图十五所示。设R3和R2的上半部分为RA

8、，R1和R2的下半部分为RB，电容C2两端的电压为VC。接通电源后，电容C2被充电，当VC上升到2/3VCC时，使输出电压为低电平，此时电容C2通过RB VC下降。当VC下降到2/3VCC时，V0翻转为高电平。当放电结束后，VCC将通过RA 和RB 向电容器C2充电，当VC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。同时可通过调节滑动变阻器的阻值调节输出脉冲的频率。图4：脉冲发生电路3.2译码及分频电路3.2.1 CD4017功能简述CD4017是5位Johnson计算器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端。时钟输入端的斯密

9、特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH为低电平时，计算器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR为高电平时，计数器清零。Johnson计数器，提供了快速操作，2输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。3.2.2 CD4017逻辑结构图：图5：CD4017内部结构3.2.3设计电路及原理： 通过两片CD4017的串连，通过脉冲信号发生电路发送的脉冲信号，使第一级CD4017的Q0Q9十个端口进行移位控制，进而控制九

10、个小彩灯以脉冲频率0.5s的流水花样闪烁。同时使用第一级的Q9端口输出的脉冲信号作为第二级CD4017的输入脉冲实现对脉冲信号的十分频，使第二级CD4017的输出端口以555脉冲频率的十分之一频率移位。同时第二级CD4017的MR清零端与Q4端口相连接使得移位在Q0-Q3之间循环进行。进而实现Q0-Q3之间高电平循环移位。图6：译码及分频电路3.3驱动及显示电路发光二极管选用红黄绿三色各三颗，同时使用18个2N5551三极管作为发光二极管的驱动以及开关。进行花样一LED流水灯的时候（Q1-Q9）九个三极管的集电极接到第二级CD4017的Q1端口，基极分别接到第一级CD4017的Q0-Q8端口，

11、在上电时第二级CD4017以0.2Hz进行循环移位，固在前5s,第二级CD4017的Q0端口持续保持高电位。同时第一级CD4017的Q0-Q8端口以2Hz的频率进行移位。Q1-Q9三极管轮流导通，发光二极管流水点亮。使用Q10-Q18九个三极管发射极分别连接发光二极管，集电极接电源，基极按发光二极管颜色分三组，相同颜色的相并联，按组连接到第二级CD4017的Q1-Q3端口。在流水灯循环完一次后，第二级CD4017的Q0端口为低电平，固三极管Q1-Q9的集电极为低电平，所以三极管Q1-Q9无法对发光二极管供电。这时第二级CD4017的Q1-Q3以0.2Hz进行移位，所有红，黄，绿三色彩灯流水点亮

12、。以此循环。 图7：驱动及显示电路4仿真结果及分析4.1仿真结果仿真时，通过对脉冲信号的频率调节,及调节RV1滑动变阻器的阻值就可以改变流水灯的间隔。，这里选取花样一流水灯，和花样二所有红黄绿发光二极管流水点亮的图， 图8 555定时器和4017芯片组成的9个一组持续亮5s仿真图1图9 555定时器和4017芯片组成的9个一组持续亮5s仿真图2 4.2 仿真结果分析仿真时，花样一流水灯点亮顺序正常，花样二所有红黄绿灯点亮正常，可以循环亮灯。调节滑动变阻器亮灯频率有相应的变化。故本次课设取得了预想的仿真结果。5 心得与体会通过这次课程设计，我明白了确定实验方案的重要性。通过各种方案的比对，确定最

13、终的设计方案，而方案的确定对实验过程影响很大：一个单元电路方案的确定将影响下一个单元电路的设计，比如使用到的芯片和电路的功能。同时，整体电路和各单元电路之间的联系也是很重要的，也许单单设计一个单元电路很容易实现的，但组合成整体电路时，又需要考虑很多因素，单元电路也许需要再改进。设计实践中，各个模块之间有明显的前后联系，“电路模块化”的思想深入我的脑中，这对今后的设计是个好的开始和启发。此外，我还更加深了理论知识的学习。这次的设计电路我用到了计数器还有译码器，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，发现它们的功能远不止功能表里面说明的，不同的接法有不同的功能，能够实现出各

14、种各样的电路功能。我领悟到了做课程设计的一条硬道理：只有通过不断的分析、思考以及对电路进行仿真，发现问题，不断改进，才能将电路功能做到尽善尽美。这次的课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。我相信是对我的一个很好的提高。平时在学习理论知识的时候，根本就没有想到我所学的这些东西有什么用它们可以做成什么，只是一味利用它们来解决课后的习题，没有想其他的用途。这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多电路，例如频率计、交通灯、数字钟这些都是我们自己可以实现的，突然感觉

15、自己学的东西很有用，我相信这样就可以激发我以后的学习兴趣，这样有利用今后更好地学习。通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。这次的设计电路我用到了计数器还有译码器，通过自己分析和设计更好地运用了它们，而且还学会了它们更多的功能，发现它们的功能远比功能表里面说的多很多，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。另外在分析比较设计循环电路的环节中，我还考虑过利用移位寄存器来设计循环，可是发现移位寄存器的脉冲不好控制。不过我还是学会了移位寄存器的很多功能，以及通过查阅资料也知道了它的很多种典型的电路。最后一个知识点就是利用555定时器来设计多谐振荡器，我采用的电路就是课本里介绍的典型电路，通过这个电路也让我了解了555定时器的功能，还有一个就是利用JK触发器来实现分频的功能。这些都是我这次设计所用到的知识点，通过这次的设计我巩固了对这些理论性的知识的理解。6 参考文献1谢自美 电子线路设计实验测试M.武汉：华中科技大学出版社，2003.2童诗白.模拟电子技