課程設(shè)計(jì)——七彩循環(huán)裝飾燈控制器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告</p><p>　　題目名稱：七彩循環(huán)裝飾燈控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　班 級(jí)： </p>

2、<p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　2012年5月</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1.設(shè)計(jì)目的</b></p><p><b>　　2.設(shè)計(jì)要求&l

3、t;/b></p><p><b>　　3.設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　控制器電路各組成部分的工作原理</p><p>　　4.1電路總體功能及設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2電路各部分具體功能及設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1整流濾波電路</p><p&g

4、t;　　4.2.2調(diào)色時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路</p><p>　　4.2.3燈光變色控制電路</p><p><b>　　4.2.4負(fù)載電路</b></p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算及器件選擇</b></p><p>　　5.1、整流濾波電路</p><p>　　5.2調(diào)色時(shí)鐘

5、脈沖發(fā)生電路</p><p><b>　　仿真分析</b></p><p><b>　　元器件清單</b></p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p><b>　　九、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　七彩循環(huán)

6、裝飾燈控制器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　一．設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　1.1熟悉七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路的組成、工作原理和設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　1.2掌握多諧振蕩器、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器的工作原理、使用方法、特點(diǎn)、用途及主要參數(shù)的計(jì)算方法。</p><p>　　1.3熟悉集成電路CD4001、55

7、5定時(shí)器、CD40518、晶閘管、整流、濾波電路的的組成、工作原理、特點(diǎn)及用途。</p><p><b>　　二 . 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　目前，很多商業(yè)廣告（如燈箱，節(jié)日彩燈，霓虹燈等）等采用循環(huán)裝飾控制的形式。七彩循環(huán)裝飾燈能按設(shè)計(jì)者的要求或快或慢地循環(huán)發(fā)出紅、綠、黃、藍(lán)、紫、青、白七色光，從而起到商業(yè)宣傳和美化環(huán)境的作用，給城市增添了熱鬧氣氛。我

8、們利用已學(xué)的模電數(shù)電相關(guān)知識(shí)，可以自行設(shè)計(jì)并焊接組裝該控制電路。該控制器由變壓器，整流電路，時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，計(jì)數(shù)器和開(kāi)關(guān)電路等組成。</p><p>　　該電路根據(jù)三基色原理，采用紅、綠、藍(lán)三種發(fā)光二極管，通過(guò)混色作用（紅、綠、紅+綠=黃、藍(lán)、紅+綠=紫、綠+藍(lán)=青、紅+綠+藍(lán)=白）來(lái)產(chǎn)生七種色彩。</p><p><b>　　三. 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p&g

9、t;<p>　　3.1設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)一個(gè)七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路。</p><p>　　各基本單元電路的設(shè)計(jì)條件和技術(shù)指標(biāo)如下：</p><p>　　3.1.1整流濾波電路</p><p>　　正弦信號(hào)輸入電壓：220V，50Hz；</p><p>　　整流濾波電路輸出電壓：24V，分壓輸出（供集成電路用）：一組采用穩(wěn)壓管5V；

10、另一組采用集成穩(wěn)壓器。</p><p>　　3.1.2調(diào)色時(shí)鐘脈沖發(fā)生和燈光變色控制電路</p><p>　　時(shí)鐘脈沖振蕩頻率：燈光每隔0.1s~5s自動(dòng)變換一種顏色，脈沖占空比：</p><p><b>　　60%。</b></p><p>　　燈光變色控制電路：采用同步加法計(jì)數(shù)器。輸出的高電平應(yīng)滿足晶體管控制電平的要

11、求。</p><p><b>　　3.1.3負(fù)載電路</b></p><p>　　紅、綠、藍(lán)3基色燈：24V，8W?；虬l(fā)光二極管。</p><p>　　3.1.4其他要求 </p><p>　　要求控制器能長(zhǎng)年通電使用，性能可靠。</p><p>　　四、方案的設(shè)計(jì)與原理論證</p>

12、<p>　　4.1電路總體功能及設(shè)計(jì)</p><p>　　七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路工作原理如圖1所示。</p><p>　　七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路的參考原理圖如圖2所示，它由電源變換電路、調(diào)色時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路、燈光變色控制電路和負(fù)載電路組成。其中H1、H2、H3是被控“3基色”燈泡。</p><p>　　接通電源，220V交流電經(jīng)變壓器降壓、VD1~

13、VD4橋式整流和濾波后，一路供彩燈回路用電；另一路經(jīng)R1降壓限流，VZ穩(wěn)壓，VD5隔離和C1濾波后，為控制電路提供約5V的穩(wěn)定直流電。</p><p>　　ICI與外圍元件構(gòu)成一個(gè)時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路，其中與非門(mén)G1、G2以及RP、R3和C2組成多諧振蕩器；IC2由G3、G4構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，對(duì)振蕩產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行整形，然后由G4輸出送到IC3的時(shí)鐘脈沖CP端。 </p><p>　　IC3是

14、一塊有雙同步加法計(jì)數(shù)器功能的CMOS集成電路，由與非門(mén)G4送來(lái)的正脈沖在其內(nèi)部進(jìn)行二進(jìn)制編碼，并使Q1~ Q4輸出端的狀態(tài)發(fā)生循環(huán)組合變化。其邏輯真值表見(jiàn)表1。</p><p>　　從真值表中可以看出，當(dāng)IC3的CP端輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，其Q1 輸出高電平，V1受觸發(fā)導(dǎo)通，紅燈通電發(fā)出紅光；當(dāng)?shù)诙€(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，當(dāng)IC3的Q2端輸出高電平，V2受觸發(fā)導(dǎo)通，綠燈通電發(fā)出綠光；當(dāng)?shù)谌齻€(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，當(dāng)IC3的Q1

15、、Q2端同時(shí)輸出高電平，V1、V2均觸發(fā)導(dǎo)通， 紅燈、綠燈同時(shí)通電點(diǎn)亮，根據(jù)混光原理，燈箱對(duì)外變黃色；依次類推，IC3的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(lán)、紅+綠=紫、綠+藍(lán)=青、紅+綠+藍(lán)=白）來(lái)。當(dāng)?shù)诎藗€(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，IC3的Q1、Q2 、Q3端均輸出低電平，紅燈、綠燈、藍(lán)燈全部熄滅片刻；同時(shí)IC3的Q4端輸出高電平，其信號(hào)直接送入清零端R，使IC3的內(nèi)部電路復(fù)位；第九個(gè)時(shí)

16、鐘脈沖送入IC3時(shí)，循環(huán)上述過(guò)程。</p><p>　　表1 CD4518真值表</p><p>　　電路中，燈光變色由與非門(mén)G1、G2組成的多諧振蕩器工作頻率確定，其工作頻率由公式f=1/0.69(RP+R2)C2來(lái)估算。調(diào)節(jié)RP阻值，可使燈光隔0.1s~5s自動(dòng)變換一種顏色。</p><p>　　閉合開(kāi)關(guān)SA，與非門(mén)G1的控制輸入端由高電平變?yōu)榈碗娖?，振蕩停?/p>

17、工作，變色燈停留在上述8個(gè)狀態(tài)中的某一個(gè)狀態(tài)。</p><p>　　4.2電路各部分具體功能及設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1整流濾波電路</p><p><b>　　1）橋式整流電路</b></p><p>　　輸入為正弦220V，頻率50HZ的電壓，經(jīng)過(guò)整流濾波電路后輸出為5V的直流電壓。為提高整流電路的性能，抑

18、制變壓器的直流偏磁，減少對(duì)電路的不利影響，實(shí)驗(yàn)采用橋式整流電路。</p><p>　　橋式整流電路采用四個(gè)二極管D1～D4互相接成橋式結(jié)構(gòu)。橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，二極管用理想模型來(lái)處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無(wú)窮大。</p><p>　　在U2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D1流向負(fù)載RL，在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸出電壓，

19、再由二極管D3流回變壓器，所以D1、D3正向?qū)?，D2、D4反偏截止。</p><p>　　在U2的負(fù)半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D2流向負(fù)載RL，再由二極管D4流回變壓器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向?qū)?。電流流過(guò)RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同。根據(jù)上述分析，可得橋式整流電路的電路圖及波形如圖3所示。 </p><p&

20、gt;　　圖3 橋式整流電路圖及波形圖</p><p><b>　　2）電容濾波電路</b></p><p>　　利用儲(chǔ)能元件電容器C兩端的電壓不能突變的性質(zhì)，把電容C（或電感L）與整流電路的負(fù)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，從而提高了輸出電壓的直流成分，而降低了脈動(dòng)成分，得到比較平滑的直流電。</p><p

21、>　　4.2.2 調(diào)色時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路：</p><p>　　多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，不需要電源，不需要外加觸發(fā)信號(hào)（即沒(méi)有輸入信號(hào)）便能自動(dòng)產(chǎn)生矩形脈沖。由于矩形脈沖中含有豐富的高次諧波分量，所以稱為多諧振蕩器。</p><p>　　多諧振蕩器由555定時(shí)器和電阻、電容元件構(gòu)成。555定時(shí)器功能表如圖4所示。</p><p>　　圖4 5

22、55定時(shí)器功能表</p><p>　　先將555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，再將施密特觸發(fā)器的輸出端經(jīng)RC積分電路接回到它的輸入端，即可構(gòu)成多諧振蕩器。其電路構(gòu)成及工作波形如圖5所示。接通電源時(shí)，電容電壓Vc=0,由功能表知，輸出高電平，NMOS管截止。VDD通過(guò)電阻R2、R3給電容C2充電，充電時(shí)間常數(shù)為(R2+R3)C，電容上的電壓Vc按指數(shù)規(guī)律上升；當(dāng)Vc>2VDD/3時(shí)，有功能表知，電路輸出低電平，NM

23、OS管導(dǎo)通，電容C開(kāi)始通過(guò)R3放電，放電時(shí)間常數(shù)約為R3C，Vc隨之下降。當(dāng)下降到Vc<VDD/3時(shí)，電路輸出高電平，NMOS管截止，之后，電容開(kāi)始充電。如此周而復(fù)始，電路形成自激振蕩，出矩形脈沖。</p><p>　　圖5 多諧振蕩器電路圖及工作波形圖</p><p>　　多諧振蕩器產(chǎn)生的矩形脈沖作為后續(xù)的計(jì)數(shù)器電路的時(shí)鐘信號(hào)，可以控制彩燈循環(huán)變化的速度，使彩燈發(fā)光時(shí)間各不相同

24、，從而起到變速循環(huán)的效果。設(shè)計(jì)彩燈循環(huán)變化的周期為T(mén)=0.7S，脈沖占空比為ρ=60%。</p><p>　　4.2.3燈光變色控制電路</p><p>　　該部分電路以三基色原理為基礎(chǔ)，利用計(jì)數(shù)器74LS161的置數(shù)端LD實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，計(jì)數(shù)器從0001開(kāi)始計(jì)數(shù)，到0111時(shí)，通過(guò)與非門(mén)對(duì)LD端輸入一個(gè)低電平，從而使計(jì)數(shù)器重新從0001開(kāi)始計(jì)數(shù)。</p><p>　

25、　74LS161是4位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，除了有二進(jìn)制加法計(jì)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的引腳排列圖和功能表如圖6所示，CR是異步清零端，LD是預(yù)置數(shù)控制端，D0，D1，D2，D3是預(yù)置數(shù)據(jù)輸人端，P和T是計(jì)</p><p>　　數(shù)使能端，C是進(jìn)位輸出端，它的設(shè)置為多片集成計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)提供了方便。74LS161具有以下功能：</p><p>　　異

26、步清零功能：當(dāng)CR＝0時(shí)，不管其他輸人端的狀態(tài)如何（包括時(shí)鐘信號(hào)CP），4個(gè)觸發(fā)器的輸出全為零。</p><p>　　同步并行預(yù)置數(shù)功能：在CR＝1的條件下，當(dāng)LD＝0且有時(shí)鐘脈沖CP的上升沿作用時(shí)，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)。</p><p>　　（3）保持功能：在CR=LD＝1的條件下，當(dāng)T＝P＝0

27、時(shí)，不管有無(wú)CP脈沖作用，計(jì)數(shù)器都將保持原有狀態(tài)不變（停止計(jì)數(shù)） 。</p><p>　?。?）同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)功能：當(dāng)CR＝LD＝P＝T＝1時(shí)，74LS161處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，電路從0000狀態(tài)開(kāi)始，連續(xù)輸入16個(gè)計(jì)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(jiàn)下表。</p><p>　?。?）進(jìn)位輸出C：當(dāng)計(jì)數(shù)控制端T＝1，且觸發(fā)器全為1時(shí)，進(jìn)位輸出為1，否則為零。</p

28、><p>　　圖6 74LS161的功能表和引腳排列圖</p><p><b>　　4.2.4負(fù)載電路</b></p><p>　　負(fù)載電路主要由彩燈組成。當(dāng)74LS161的輸入端輸入由555振蕩器產(chǎn)生的脈沖時(shí)，輸出端依次輸出高電平時(shí),根據(jù)輸出高電平，二極管V1、V2、V3 依次導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)彩</p><p>　　燈也依次

29、點(diǎn)亮，產(chǎn)生一種循環(huán)變化的效果。當(dāng)?shù)诎藗€(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，IC3的Q1、Q2 、Q3端均輸出低電平，紅燈、綠燈、藍(lán)燈全部熄滅片刻；同時(shí)IC3的Q4端輸出高電平，其信號(hào)直接送入清零端R，使IC3的內(nèi)部電路復(fù)位；第九個(gè)時(shí)鐘脈沖送入IC3時(shí)，循環(huán)上述過(guò)程。</p><p>　　但由于彩燈要求的額定電流較大，故應(yīng)使負(fù)載電路中燈泡兩端的電阻盡量小，才能使燈泡正常發(fā)亮。R、C構(gòu)成微分電路，用于上電復(fù)位。同樣也可以把彩燈換成發(fā)光二

30、級(jí)管。但是由于發(fā)光二級(jí)管所要求的額定電流較小，所以需要在發(fā)光二極管兩端串聯(lián)上一個(gè)較大電阻，用來(lái)保護(hù)發(fā)光二級(jí)管不被擊穿。</p><p>　　五、參數(shù)計(jì)算及器件選擇</p><p>　　5.1、整流濾波電路</p><p>　　1）變壓器選擇：根據(jù)題目要求，三個(gè)燈泡的參數(shù)均為：額定電壓U燈=24V，額定功率8W。</p><p>　　由整流濾波

31、電路的結(jié)構(gòu)得變壓器副邊電壓有效值U2=U0/0.9=26.667 V。</p><p>　　故變壓器副繞線組的電壓有效值為26.667 V，由此可選擇匝數(shù)比為10：1變壓器。</p><p>　　由Multisim軟件仿真測(cè)得脈沖電路和計(jì)數(shù)器電路的電流的總電流I=24mA~1.0A。變壓器的功率為P=U2*I=5.4~22.4V,所以變壓器功率選擇24W.</p><p

32、>　　2）整流二極管參數(shù)選擇:流過(guò)整流二極管的平均整流電流等于負(fù)載直流電流的一半，即</p><p>　　二極管承受的最大反向電壓為</p><p>　　根據(jù)上述的參數(shù)選擇整流二極管 ，即 </p><p>　　式中，和 。是二極管的最大平均整流電流和最高反向工作電壓參數(shù)。</p><p>　　通過(guò)查詢普通整流二極管參數(shù)表可知：2C

33、Z11J（1A，100V）滿足條件，可以作為電路整流管。 故選擇2CZ11J（1A，100V）作為電路的整流管可滿足要求。</p><p>　　3）穩(wěn)壓管D6的選擇:VZ=5+0.6=5.76V故選擇2CW7C（38mA,5.6V）作為穩(wěn)壓管可滿足要求。</p><p>　　4）隔離二極管的選擇:因?yàn)槎O管起到一個(gè)隔離作用，用普通二極管即可。</p><p>　　5

34、）降壓限流電阻的選擇:電阻分壓為18.4V左右，為保證穩(wěn)壓管不被燒壞，選擇電阻>18.4V/38mA=484Ω,所以選擇=500Ω。</p><p>　　6）濾波電容的選擇：</p><p>　　由于電容在閉合開(kāi)關(guān)K之前已經(jīng)充電完成，閉合開(kāi)關(guān)后，電容經(jīng)負(fù)載放電，放電時(shí)間常數(shù)為τ=RLC≥T(交流電源周期)，其中RL為負(fù)載電阻。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中

35、，通常選擇τ=RLC>（3~5）T/2。經(jīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)， </p><p>　　=10.4 KΩ~11.9KΩ。</p><p><b>　　。</b></p><p>　　考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)±10%,則電容所承受的最高電壓為</p><p>　　=（1+10%）=7.778V</p>

36、<p>　　因此，選用標(biāo)稱值為100uF/50V的電解電容。</p><p>　　5.2調(diào)色時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路</p><p>　　由圖可知，振蕩周期為電容充電時(shí)間，為電容放電時(shí)間。</p><p><b>　　充電時(shí)間</b></p><p><b>　　放電時(shí)間 </b></p&

37、gt;<p><b>　　矩形波的振蕩周期</b></p><p><b>　　脈沖占空比ρ=</b></p><p>　　因此改變、和電容的值便可改變矩形波的周期和頻率。在本次設(shè)計(jì)中=20kΩ, =40kΩ=10μF進(jìn)行仿真，得周期T=0.7s,并保證占空比為60%。</p><p>　　此外，電容只要求是

38、小電容，這里選擇0.01uF。</p><p><b>　　六、仿真分析：</b></p><p>　　1.整體電路仿真截圖：</p><p>　　2.變壓器副繞線組的電壓有效值測(cè)量：</p><p>　　3、多諧振蕩器輸出波形</p><p>　　由此可看出，經(jīng)過(guò)555時(shí)基電路組成的多諧振蕩器后

39、，脈沖的周期為0.7s，與理論值相符。</p><p><b>　　七、元器件清單：</b></p><p><b>　　八、心得體會(huì)</b></p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)題目，涉及數(shù)電，模電的相關(guān)知識(shí),綜合性極強(qiáng)。同時(shí)，要求我們通過(guò)繪制multisim電路圖來(lái)仿真，進(jìn)一步復(fù)習(xí)熟悉了該軟件。此外，還要求我們親自動(dòng)手焊接

40、，極大地鍛煉了我們的動(dòng)手能力雖然。仿真結(jié)果簡(jiǎn)單易懂，但是真正在找元件來(lái)做的時(shí)候，卻遇到一些問(wèn)題，比如說(shuō)電阻不能匹配，只能靠部分電阻串并聯(lián)解決，這些都需要我們?cè)趯?shí)踐中靈活處理。當(dāng)然，在焊接時(shí)，也需要提前在電路板上均勻布局，論證好可行性。這一切都告訴我們理論與實(shí)踐有著很大的差距，提醒我們要主動(dòng)動(dòng)手實(shí)踐。</p><p>　　通過(guò)運(yùn)行multisim仿真，學(xué)會(huì)了分部檢查的方法：比如在整個(gè)電路過(guò)于復(fù)雜，先用26.67V的

41、直流電源代替工頻電源及橋式整流部分，來(lái)仿真電路。在電路板的過(guò)程中也學(xué)會(huì)了如何檢查錯(cuò)誤之處。</p><p>　　在完成電路的仿真，實(shí)物制作的過(guò)程中都遇到了一些比較困難的問(wèn)題，但是，通過(guò)學(xué)習(xí)和老師的指導(dǎo)，這些問(wèn)題都得以解決。感謝王明昌老師的悉心指導(dǎo)。</p><p><b>　　九、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《電子實(shí)驗(yàn)與電子實(shí)踐》 中

42、國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社 南壽松 劉榮林主編 2004.11。</p><p>　　《電子系統(tǒng)與實(shí)踐》 電子工業(yè)出版社 楊 剛 周 群主編 2004.1。</p><p>　　《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程》第二版 高等教育出版社 清華大學(xué) 閻 石主編 1998.10。</p><p>　　《電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) 數(shù)字電路分冊(cè)》 東南大學(xué)出版社 郭永貞主編 20