课程设计——七彩灯报告

1、 电 子 技 术 基 础课 程 设 计 报 告题目名称：七彩循环装饰灯控制器的设计姓 名： 学 号： 班 级： 指导教师： 王明昌 重庆大学电气工程学院2012年5月10目录1.设计目的2.设计要求3.设计内容4. 控制器电路各组成部分的工作原理 4.1电路总体功能及设计 4.2电路各部分具体功能及设计 4.2.1整流滤波电路 4.2.2调色时钟脉冲发生电路 4.2.3灯光变色控制电路 4.2.4负载电路5、 参数计算及器件选择 5.1、整流滤波电路 5.2调色时钟脉冲发生电路6、 仿真分析7、 元器件清单8、 心得体会九、参考文献七彩循环装饰灯控制器的设计一设计目的1.1熟悉七彩循环装饰灯控

2、制器电路的组成、工作原理和设计方法。1.2掌握多谐振荡器、触发器、计数器的工作原理、使用方法、特点、用途及主要参数的计算方法。1.3熟悉集成电路CD4001、555定时器、CD40518、晶闸管、整流、滤波电路的的组成、工作原理、特点及用途。二 . 设计要求 目前，很多商业广告（如灯箱，节日彩灯，霓虹灯等）等采用循环装饰控制的形式。七彩循环装饰灯能按设计者的要求或快或慢地循环发出红、绿、黄、蓝、紫、青、白七色光，从而起到商业宣传和美化环境的作用，给城市增添了热闹气氛。我们利用已学的模电数电相关知识，可以自行设计并焊接组装该控制电路。该控制器由变压器，整流电路，时钟信号发生器，计数器和开关电路等

3、组成。 该电路根据三基色原理，采用红、绿、蓝三种发光二极管，通过混色作用（红、绿、红+绿=黄、蓝、红+绿=紫、绿+蓝=青、红+绿+蓝=白）来产生七种色彩。三. 设计内容3.1设计题目：设计一个七彩循环装饰灯控制器电路。 各基本单元电路的设计条件和技术指标如下： 3.1.1整流滤波电路正弦信号输入电压：220V，50Hz；整流滤波电路输出电压：24V，分压输出（供集成电路用）：一组采用稳压管5V；另一组采用集成稳压器。 3.1.2调色时钟脉冲发生和灯光变色控制电路时钟脉冲振荡频率：灯光每隔0.1s5s自动变换一种颜色，脉冲占空比：60%。灯光变色控制电路：采用同步加法计数器。输出的高电平应满足晶

4、体管控制电平的要求。 3.1.3负载电路红、绿、蓝3基色灯：24V，8W。或发光二极管。 3.1.4其他要求 要求控制器能长年通电使用，性能可靠。四、方案的设计与原理论证4.1电路总体功能及设计 七彩循环装饰灯控制器电路工作原理如图1所示。 图1七彩循环装饰灯控制器功能框图 七彩循环装饰灯控制器电路的参考原理图如图2所示，它由电源变换电路、调色时钟脉冲发生电路、灯光变色控制电路和负载电路组成。其中H1、H2、H3是被控“3基色”灯泡。接通电源，220V交流电经变压器降压、VD1 VD4桥式整流和滤波后，一路供彩灯回路用电；另一路经R1降压限流，VZ稳压，VD5隔离和C1滤波后，为控制电路提供约

5、5V的稳定直流电。ICI与外围元件构成一个时钟脉冲发生电路，其中与非门G1、G2以及RP、R3和C2组成多谐振荡器；IC2由G3、G4构成基本RS触发器，对振荡产生的脉冲进行整形，然后由G4输出送到IC3的时钟脉冲CP端。 图2 七彩循环装饰灯控制器电路原理图+U1220VU2&&&&VD1R2RpR3R4R5C1C2VD5VD2VD3VD4VZR1SAQ4G1G2G3G4Q3Q1Q2RDCPENVDD3216817645IC3V1红蓝绿IC1IC2多谐振荡器整形计数器R6R7R8V2V3 IC3是一块有双同步加法计数器功能的CMOS集成电路，由与非门G4送来的

6、正脉冲在其内部进行二进制编码，并使Q1 Q4输出端的状态发生循环组合变化。其逻辑真值表见表1。从真值表中可以看出，当IC3的CP端输入一个时钟脉冲时，其Q1 输出高电平，V1受触发导通，红灯通电发出红光；当第二个时钟脉冲到来时，当IC3的Q2端输出高电平，V2受触发导通，绿灯通电发出绿光；当第三个时钟脉冲到来时，当IC3的Q1、Q2端同时输出高电平，V1、V2均触发导通， 红灯、绿灯同时通电点亮，根据混光原理，灯箱对外变黄色；依次类推，IC3的Q1、Q2 、Q3端有8种逻辑状态，可使“三基色”灯顺序产生7种色光（红、绿、红+绿=黄、蓝、红+绿=紫、绿+蓝=青、红+绿+蓝=白）来。当第八个时钟脉

7、冲到来时，IC3的Q1、Q2 、Q3端均输出低电平，红灯、绿灯、蓝灯全部熄灭片刻；同时IC3的Q4端输出高电平，其信号直接送入清零端R，使IC3的内部电路复位；第九个时钟脉冲送入IC3时，循环上述过程。 表1 CD4518真值表CP时钟输出12345678Q110101010Q201100110Q300011110Q400000001 电路中，灯光变色由与非门G1、G2组成的多谐振荡器工作频率确定，其工作频率由公式f=1/0.69(RP+R2)C2来估算。调节RP阻值，可使灯光隔0.1s5s自动变换一种颜色。闭合开关SA，与非门G1的控制输入端由高电平变为低电平，振荡停止工作，变色灯停留在上述

8、8个状态中的某一个状态。4.2电路各部分具体功能及设计 4.2.1整流滤波电路 1）桥式整流电路 输入为正弦220V，频率50HZ的电压，经过整流滤波电路后输出为5V的直流电压。为提高整流电路的性能，抑制变压器的直流偏磁，减少对电路的不利影响，实验采用桥式整流电路。 桥式整流电路采用四个二极管D1D4互相接成桥式结构。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U2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流向负载RL，在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，

9、D2、D4反偏截止。在U2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流向负载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。根据上述分析，可得桥式整流电路的电路图及波形如图3所示。 图3 桥式整流电路图及波形图2）电容滤波电路利用储能元件电容器C两端的电压不能突变的性质，把电容C（或电感L）与整流电路的负载RL并联（或串联），就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而提高了输出电压的直流成分，而降低了脉动成分，得到比较平滑的直流电。4.2.2 调色时钟脉冲发生电路

10、：多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要电源，不需要外加触发信号（即没有输入信号）便能自动产生矩形脉冲。由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，所以称为多谐振荡器。多谐振荡器由555定时器和电阻、电容元件构成。555定时器功能表如图4所示。图4 555定时器功能表先将555定时器构成施密特触发器，再将施密特触发器的输出端经RC积分电路接回到它的输入端，即可构成多谐振荡器。其电路构成及工作波形如图5所示。接通电源时，电容电压Vc=0,由功能表知，输出高电平，NMOS管截止。VDD通过电阻R2、R3给电容C2充电，充电时间常数为(R2+R3)C，电容上的电压Vc按指数规律上升；当Vc>

11、;2VDD/3时，有功能表知，电路输出低电平，NMOS管导通，电容C开始通过R3放电，放电时间常数约为R3C，Vc随之下降。当下降到Vc<VDD/3时，电路输出高电平，NMOS管截止，之后，电容开始充电。如此周而复始，电路形成自激振荡，出矩形脉冲。图5 多谐振荡器电路图及工作波形图 多谐振荡器产生的矩形脉冲作为后续的计数器电路的时钟信号，可以控制彩灯循环变化的速度，使彩灯发光时间各不相同，从而起到变速循环的效果。设计彩灯循环变化的周期为T=0.7S，脉冲占空比为=60%。4.2.3灯光变色控制电路该部分电路以三基色原理为基础，利用计数器74LS161的置数端LD实现计数功能，计数器从00

12、01开始计数，到0111时，通过与非门对LD端输入一个低电平，从而使计数器重新从0001开始计数。74LS161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。74LS161的引脚排列图和功能表如图6所示，CR是异步清零端，LD是预置数控制端，D0，D1，D2，D3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。74LS161具有以下功能：（1） 异步清零功能：当CR0时，不管其他输人端的状态如何（包括时钟信号CP），4个触发器的输出全为零。（2） 同步并行预置数功能：在CR1的条件下，当LD0

13、且有时钟脉冲CP的上升沿作用时，D3，D2，D1，D0输入端的数据将分别被Q3Q0所接收。由于置数操作必须有CP脉冲上升沿相配合，故称为同步置数。 （3）保持功能：在CR=LD1的条件下，当TP0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变（停止计数） 。 （4）同步二进制计数功能：当CRLDPT1时，74LS161处于计数状态，电路从0000状态开始，连续输入16个计数脉冲后，电路 将从1111状态返回到0000状态，状态表见下表。 （5）进位输出C：当计数控制端T1，且触发器全为1时，进位输出为1，否则为零。 图6 74LS161的功能表和引脚排列图 4.2.4负载电路负载电路主要

14、由彩灯组成。当74LS161的输入端输入由555振荡器产生的脉冲时，输出端依次输出高电平时,根据输出高电平，二极管V1、V2、V3 依次导通，驱动彩灯也依次点亮，产生一种循环变化的效果。当第八个时钟脉冲到来时，IC3的Q1、Q2 、Q3端均输出低电平，红灯、绿灯、蓝灯全部熄灭片刻；同时IC3的Q4端输出高电平，其信号直接送入清零端R，使IC3的内部电路复位；第九个时钟脉冲送入IC3时，循环上述过程。但由于彩灯要求的额定电流较大，故应使负载电路中灯泡两端的电阻尽量小，才能使灯泡正常发亮。R、C构成微分电路，用于上电复位。同样也可以把彩灯换成发光二级管。但是由于发光二级管所要求的额定电流较小，所以

15、需要在发光二极管两端串联上一个较大电阻，用来保护发光二级管不被击穿。五、参数计算及器件选择5.1、整流滤波电路1）变压器选择：根据题目要求，三个灯泡的参数均为：额定电压U灯=24V，额定功率8W。 由整流滤波电路的结构得变压器副边电压有效值U2=U0/0.9=26.667 V。故变压器副绕线组的电压有效值为26.667 V，由此可选择匝数比为10：1变压器。由Multisim软件仿真测得脉冲电路和计数器电路的电流的总电流I=24mA1.0A。变压器的功率为P=U2*I=5.422.4V,所以变压器功率选择24W. 2）整流二极管参数选择:流过整流二极管的平均整流电流等于负载直流电流的一半，即二

16、极管承受的最大反向电压为 根据上述的参数选择整流二极管 ，即 式中，和。是二极管的最大平均整流电流和最高反向工作电压参数。通过查询普通整流二极管参数表可知：2CZ11J（1A，100V）满足条件，可以作为电路整流管。 故选择2CZ11J（1A，100V）作为电路的整流管可满足要求。3）稳压管D6的选择:VZ=5+0.6=5.76V故选择2CW7C（38mA,5.6V）作为稳压管可满足要求。 4）隔离二极管的选择:因为二极管起到一个隔离作用，用普通二极管即可。 5）降压限流电阻的选择:电阻分压为18.4V左右，为保证稳压管不被烧坏，选择电阻>18.4V/38mA=484,所以选择=500。

17、 6）滤波电容的选择： 由于电容在闭合开关K之前已经充电完成，闭合开关后，电容经负载放电，放电时间常数为=RLCT(交流电源周期)，其中RL为负载电阻。 在实际应用中，通常选择=RLC>（35）T/2。经相关实验所得数据， =10.4 K11.9K。 。考虑到电网电压波动±10%,则电容所承受的最高电压为 =（1+10%）=7.778V因此，选用标称值为100uF/50V的电解电容。5.2调色时钟脉冲发生电路由图可知，振荡周期为电容充电时间，为电容放电时间。充电时间 放电时间 矩形波的振荡周期 脉冲占空比=因此改变、和电容的值便可改变矩形波的周期和频率。在本次设计中=20k,

18、=40k=10F进行仿真，得周期T=0.7s,并保证占空比为60%。此外，电容只要求是小电容，这里选择0.01uF。六、仿真分析：1.整体电路仿真截图：2.变压器副绕线组的电压有效值测量：3、多谐振荡器输出波形由此可看出，经过555时基电路组成的多谐振荡器后，脉冲的周期为0.7s，与理论值相符。七、元器件清单：器件名称型号参数个数555定时器LM555CM1同步十进制计数器74LS1611电阻R15001R2201R340K1R4-R61K3电容C1100F1C210F1C30.01F1C40.68F1变压器T11 彩灯 彩灯（蓝） 24V，8W 1 彩灯（绿）24V，8W1 彩灯（红）24V，8W1二极管2C