電子課程設計報告---以七彩循環(huán)燈為例

1、<p><b>　　引言 </b></p><p>　　七彩循環(huán)裝飾燈可廣泛用于賓館、飯店、酒吧、商店櫥窗、家庭裝飾和廣告制作等場所，它能按主人意愿或快或慢地循環(huán)發(fā)出紅、綠、黃、藍、紫、青、白七色光；也可停留在主人所喜愛的某一顏色上不變化，形成一個彩色氣氛，給人以夢幻般的享受。它通過巧妙構思與創(chuàng)作，可以做到廣告、彩燈等作品色彩鮮艷，富有創(chuàng)意，變化形式豐富，起著宣傳和美化環(huán)境的作用，

2、營造文明亮麗氛圍。本設計即試圖利用簡單的數(shù)字集成器件完成七彩序循環(huán)燈控制器的設計。</p><p><b>　　1設計整體思路</b></p><p><b>　　1.1設計目的</b></p><p>　　1.了解并掌握電路的一般設計方法，具備初步的獨立設計能力。</p><p>　　2.熟悉七彩

3、循環(huán)裝飾燈控制器工作原理、電路的組成。 </p><p>　　3.熟悉集成電路555定時器、74LS161、晶閘管、整流、濾波電路的的組成、工作原理、特點及用途。</p><p>　　4.掌握多諧振蕩器、觸發(fā)器、計數(shù)器的工作原理、使用方法、特點、用途。 </p><p>　　5.學習EWB或其他仿真軟件。</p><p><b>　

4、　1.2 設計要求</b></p><p>　　根據(jù)三基色原理，以紅、綠、藍三種基色組成一個可變色彩單元，將三種基色燈裝入磨砂玻璃罩內(nèi)，通過燈罩的混色原理對外循環(huán)顯示七種顏色。</p><p>　　混色原理：紅色+綠色=黃色，藍色+紅色=紫色，綠色+藍色=青色，紅色+藍色+綠色=白色。</p><p>　　1.2.1.整流濾波電路</p>

5、<p>　　正弦信號輸入電壓：220V，50Hz。整流濾波電路輸出電壓：5v，分壓輸出（供集成電路用）：一組采用穩(wěn)壓管5V；另一組采用集成穩(wěn)壓器。 </p><p>　　1.2.2.調(diào)色時鐘脈沖發(fā)生和燈光變色控制電路:</p><p>　　時鐘脈沖振蕩頻率：燈光每隔 0.1s~10s自動變換一種顏色，脈沖占空比： 60%。燈光變色控制電路：采用同步加法計數(shù)器。輸出的高電平應滿足晶

6、閘管控制電平的要求。 </p><p>　　1.2.3.負載電路</p><p>　　紅、綠、藍 發(fā)光二極管： 3.6V</p><p>　　要求控制器能長年通電使用，性能可靠。</p><p>　　要求畫出完整的設計電路圖，計算電路各元器件參數(shù)，寫出設計總結報告。</p><p>　　集成電路采用CMOS系列或 TT

7、L系列。</p><p><b>　　1.3設計整體思路</b></p><p>　　1.3.1方案選擇 </p><p>　　方案主要由五部分構成，圖1為簡易系統(tǒng)框圖。</p><p><b>　　1.3.2系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)

8、框圖</b></p><p>　　1.3.3直流電壓的組成 </p><p>　　組成電路基本思路如圖2</p><p>　?、烹娫醋儔浩鳎簩㈦娋W(wǎng)交流電壓（220V或380V）變換成符合需要的交流電壓，此交流電壓經(jīng)過整流后可獲得電子設備所需的直流電壓。因為大多數(shù)電子電路使用的電壓都不高，這個變壓器是降壓變壓器新藝圖庫。</p><p&

9、gt;　?、普麟娐罚豪镁哂袉蜗驅щ娦阅艿恼髟逊较蚝痛笮《甲兓?0Hz交流電變換為方向不變但大小仍有脈動的直流電。</p><p>　?、菫V波電路：利用儲能元件電容器C兩端的電壓（或通過電感器L的電流）不能突變的性質，把電容C（或電感L）與整流電路的負載RL并聯(lián)（或串聯(lián)），就可以將整流電路輸出中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電。在小功率整流電路中，經(jīng)常使用的是電容濾波。</p&

10、gt;<p>　?、确€(wěn)壓電路：當電網(wǎng)電壓或負載電流發(fā)生變化時，濾波電路輸出的直流電壓的幅值也將隨之變化，因此，穩(wěn)壓電路的作用是使整流濾波后的直流電壓基本上不隨交流電網(wǎng)電壓和負載的變化而變化。</p><p><b>　　圖2直流電壓</b></p><p><b>　　1.3.4方案細節(jié)</b></p><p&g

11、t;　　直流電源：由整流、濾波、穩(wěn)壓電路組成；</p><p>　　觸發(fā)脈沖發(fā)生器：由555定時器組成的多諧振蕩器構成；</p><p>　　燈光變色控制電路：由集成芯片74LS161組成的循環(huán)計數(shù)器構成；</p><p>　　構成負載電路：由電阻、發(fā)光二極管構成。</p><p><b>　　2基本原理及框圖</b>&

12、lt;/p><p>　　2.1單相橋式整流電路工作原理及其應用</p><p>　　單相橋式整流電路電路圖及波形產(chǎn)生如圖3，由圖可看出，電路中采用四個二極管，互相接成橋式結構。利用二極管的電流導向作用，在交流輸入電壓U2的正半周內(nèi)，二極管D1、D3導通，D2、D4截止，在負載RL上得到上正下負的輸出電壓；在負半周內(nèi)，正好相反，D1、D3截止，D2、D4導通，流過負載RL的電流方向與正半周一致。

13、因此，利用變壓器的一個副邊繞組和四個二極管，使得在交流電源的正、負半周內(nèi)，整流電路的負載都有方向不變的脈動直流電壓和</p><p><b>　　電流。</b></p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　圖3 單相橋式電路</b></p><p>　　

14、2.2 555定時器工作原理及應用：</p><p>　　555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件。555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖2所示。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻

15、，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3。555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，

16、使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。</p><p>　　圖4 555內(nèi)部電路框圖</p><p>　　2.3集成四位二進制計數(shù)器74LS161工作原理及其應用</p><p>　　74LS161是4位二進

17、制同步加法計數(shù)器，除了有二進制加法計數(shù)功能外，還具有異步清零、同步并行置數(shù) 、保持等功能。74LS161的引腳排列圖如圖5所示，CR是異步清零端，LD是預置數(shù)控制端，D0 ，D1，D2，D3是預置數(shù)據(jù)輸人端，P和T是計數(shù)使能端，C是進位輸出端，它的設置為多片集成計數(shù)器的級聯(lián)提供了方便。其功能表如表1，故74LS161具有以下功能：（1）異步清零功能：當CR＝0時，不管其他輸人端的狀態(tài)如何（包括時鐘信號CP），4個觸發(fā)器的輸出全為零。（2

18、）同步并行預置數(shù)功能：在CR＝1的條件下，當LD＝0且有時鐘脈沖CP的上升沿作用時，D3，D2，D1，D0輸入端的數(shù)據(jù)將分別被Q3～Q0所接收。由于置數(shù)操作必須有CP脈沖上升沿相配合，故稱為同步置數(shù)。（3）保持功能：在CR=LD＝1的條件下，當T＝P＝0時，不管有無CP脈沖作用，計數(shù)器都將保持原有狀態(tài)不變（停止計數(shù)） 。（4）同步二進制計數(shù)功能：當CR＝LD＝P＝T＝1時，74LS161處于計數(shù)狀態(tài)，電路從0000狀態(tài)開始，連續(xù)輸入16

19、個計數(shù)脈沖后，電路 將從1111狀態(tài)返回到0000狀態(tài)，狀態(tài)表見表2。（5）進位輸出C：當計數(shù)控</p><p>　　表1 74LS161功能表</p><p>　　圖5 74LS161邏輯電路與引腳圖</p><p>　　3具體電路設計及單元電路</p><p>　　3.1 直流電源電路的設計：</p><p>　　

20、輸入為正弦220V，頻率50HZ的電壓，經(jīng)整流電路后輸出為5V的直流電。為提高整流電路的性能，抑制變壓器的直流偏磁，減少對電路的不利影響，采用橋式整流電路，電路圖如圖6所示。橋式整流電路中，變壓器沒有中間抽頭，制造工藝簡單，故應用廣泛。</p><p>　　變壓器選擇：輸出直流電壓U0=0.9U2,故U2=12/0.9=13.33V，故變壓器副繞線組的電壓有效值為13.33V，由此可選擇變壓器。</p&g

21、t;<p>　　整流二極管D1-D4參數(shù)選擇:考慮到電網(wǎng)電壓波動約10%，故Udr=1.1*1.1414*U2=20.7V，Ur=1.5*Udr=31.05V,故選擇1N4001(1A,50V)作為電路的整流管可滿足要求。</p><p>　　圖6 5V直流電輸出圖</p><p>　　經(jīng)整流電路后：經(jīng)Multisim仿真可得一路輸出電壓為5V，為芯片74LS161、555定

22、時器供電，經(jīng)Multisim仿真測得輸出電壓為5V，滿足要求。</p><p>　　3.2 調(diào)色時鐘脈沖發(fā)生電路:</p><p>　　由555定時器和阻容元件構成多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘信號，作為后續(xù)的計數(shù)器電路的時鐘信號，可以控制彩燈循環(huán)變化的速度，使彩燈發(fā)光時間各不相同，從而起到變速循環(huán)的效果。來控制燈光的變換。由555定時器組成的多諧振蕩器及工作波如圖8所示，其中R1、R2和電容C為外接

23、元件。</p><p>　　由圖可知，振蕩周期。為電容充電時間，為電容放電時間。</p><p>　　充電時間 </p><p><b>　　放電時間 </b></p><p><b>　　矩形波的振蕩周期</b></p><p>　　因

24、此改變、和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。</p><p>　　設計要求燈光每隔0.1s~10s 自動變換一種顏色，即要求多諧振蕩器的周期為0.1s~10s，本設計設定燈光每隔0.1S變換一種顏色，則0.7（R1+2R2）C=0.1，取電容C為10uF，則R1+2R2=10K歐。</p><p>　　圖7所示電路輸出矩形波的占空比。 </p><p>　　設

25、計占空比為0.7的多諧震蕩器。由上述公式計算可得R2=4.28歐（圖中R2為計算中的R1） R1=5.74歐（圖中R3為計算中的R1）</p><p>　　圖7 555定時器構成多諧振蕩器</p><p>　　3.3負載控制電路:</p><p>　　根據(jù)三基色原理，以紅、綠、藍三種基色組成一個可變色彩單元。將三種基色燈通過混色作用（混色原理是：紅色+綠色=黃

26、色，藍色+紅色=紫色，綠色+藍色=青色，紅色+藍色+綠色=白色）對外循環(huán)顯示七種顏色，即紅、藍、綠、紫、青、黃、白。故需要計數(shù)器實現(xiàn)的真值表如表2</p><p><b>　　表2 計時器真值表</b></p><p>　　用74LS161來實現(xiàn)此計數(shù)功能。</p><p>　　設計方法：使用74LS161的置數(shù)端LD來設計。計數(shù)器實現(xiàn)的循環(huán)為

27、0001到0111，用LD端設計的電路圖如圖8所示：計數(shù)器從0001開始計數(shù)，到0111時，通過與非門對LD端輸入一個低電平，從而使計數(shù)器重新從0001開始計數(shù)。</p><p><b>　　圖8 計數(shù)器電路圖</b></p><p><b>　　3.4負載電路</b></p><p>　　負載電路的連接如圖9所示：<

28、;/p><p>　　圖9 負載電路的連接</p><p>　　LED1，LED2,LED3分別發(fā)出藍，綠，紅光，其額定電壓為0.7V。</p><p>　　因此負載端的工作情況為：由多諧振蕩器送來的正脈沖在計數(shù)器內(nèi)部進行二進制編碼，并使Q1~ Q4 輸出端的狀態(tài)發(fā)生循環(huán)組合變化。從真值表中可以看出，當CP 端輸入一個時鐘脈沖時，其Q1 輸出高電平，D7受觸發(fā)導通，LED

29、1 通電發(fā)出藍光；當?shù)诙€時鐘脈沖到來時， Q2 端輸出高電平，D8 受觸發(fā)導通，LED2 通電發(fā)出綠光；當?shù)谌齻€時鐘脈沖到來時， Q1、Q2 端同時輸出高電平，D7、D8均觸發(fā)導通，LED1、LED2同時通電點亮，根據(jù)混光原理，燈箱對外變青色；依次類推， Q1、Q2 、Q3 端有8 種邏輯狀態(tài)，可使“三基色”燈順序產(chǎn)生7 種色光（紅、綠、紅+綠=黃、藍、紅+綠=紫、綠+藍=青、紅+綠+藍=白）來。當?shù)诎藗€時鐘脈沖到來時， Q1、Q2

30、、Q3 端均輸出低電平，LED1、LED2、LED3 全部點亮片刻；同時Q4 端輸出高電平，其信號直接送入清零端R，使其內(nèi)部電路復位；第九個時鐘脈沖送入時，循環(huán)上述過程，由此即形成了七彩燈的循環(huán)。</p><p><b>　　3.5總設計電路圖</b></p><p>　　將以上各單元電路圖進行組合即可得總的設計電路圖，用multisim仿真得仿真圖如圖10所示<

31、;/p><p>　　圖10 七彩燈循環(huán)控制器電路仿真圖</p><p><b>　　4仿真分析</b></p><p><b>　　4．1直流電源電路</b></p><p><b>　　4．2脈沖觸發(fā)電路</b></p><p><b>　　4．

32、3總設計電路</b></p><p><b>　　5元器件分析</b></p><p><b>　　元器件列表如下圖</b></p><p><b>　　6設計心得體會</b></p><p>　　作為一名大三的學生，在做這次課程設計以前，我都是在教室學習理論知識。

33、這次課程設計讓我深深的感受到“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。讓我懂的了實際問題是源于課本，但高于課本的。課本只能引你入門，深入的研究只能靠自己。</p><p>　　現(xiàn)在講講我“艱難”的設計過程。</p><p>　　在接到實驗任務的時候，自認為這個題目簡單，用一個161芯片就可以解決問題，沒多細想。可當深入研究的時候，問題就一一浮出水面。就說74LS161芯片必須要有直流工作電壓，而

34、家用電為交流電，所以，必須要把交流電變?yōu)榈蛪褐绷麟姟＿@就必須用到降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓的電路。而161芯片的時鐘脈沖觸發(fā)又必須要有單獨的觸發(fā)電路，這就用到了555定時器構成的多諧振蕩器。當我們逐步理清這些線時，自以為快成功時，仿真這一難題成了我的當路虎，我滿心期待的一次又一次的仿真面對的卻是一次又一次的失敗，這個過程真可謂困難重重。所幸的是我最終成功了。</p><p>　　當然在艱難的設計過程中我也收獲頗多。&

35、lt;/p><p>　　首先，在遇到問題時，我們必須找到突破點，例如這次設計中，我認為74161就說一個突破點。找到突破點我們必須通過它逐步的往外延伸，慢慢理清設計的框架。然后再對框架進行細節(jié)的處理。</p><p>　　其次，在細節(jié)處理中，必須要認真、要有耐心，要對電路的多方面進行思考，還要善于發(fā)現(xiàn)電路的不足，比如在直流電路的設計中，整流、濾波、穩(wěn)壓電路缺一不可，而且對其中的參數(shù)也要細細研究

36、。</p><p>　　最后，在電路的仿真中對于元器件的選取和參數(shù)的設定也頗有講究，一旦參數(shù)不合適它是不會出現(xiàn)結果的，比如在負載電路中和發(fā)光二極管串聯(lián)的電阻阻值需要合適如果太大發(fā)光二極管是不會亮的。在仿真中還有就是對萬用表、示波器的靈活運用，這會讓仿真省不少力。</p><p>　　總之，這次課程設計讓我學到了很多，不僅是鞏固了先前學的模電、數(shù)電的理論知識，而且也培養(yǎng)了我的動手能力，更令我

37、的創(chuàng)造性思維得到拓展，讓我認識到怎么把理論知識上升到實際運用中去。我以后一定會更加留意實際問題，并與課本知識相結合。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]畢滿清.電子技術實驗與課程設計.第三版.北京：機械工業(yè)出版社，2001年.</p><p>　　[2]韓焱.張艷花.王康宜.畢滿清.數(shù)字電子技術基礎[M].

38、第一版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.6.</p><p>　　[3]路勇.電子電路實驗與仿真.北京：清華大學出版社.</p><p>　　[4]陳汝全.電子技術常用器件應用手冊[M].第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.1.</p><p>　　[5]王兆安.黃俊.電力電子技術.第四版.北京：機械工業(yè)出版社，2008.4.</p><p&