電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì)--七色廣告燈箱控制器

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1方案設(shè)計(jì)與分析1</p><p>　　1.1 方案設(shè)計(jì)1</p><p>　　1.1.1方案一1</p><p>　　1.1.2 方案二1</p><p>　　1.2 方案分析比較2</p><p>

2、;　　2 設(shè)計(jì)框圖及原理3</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)電路框圖3</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)原理3</p><p>　　3 模塊設(shè)計(jì)及原理解析5</p><p>　　3.1 整流電路模塊5</p><p>　　3.2 555定時(shí)器7</p><p>　　3.2.1 55

3、5定時(shí)器的介紹7</p><p>　　3.2.2 施密特觸發(fā)器9</p><p>　　3.2.3 多諧振蕩器10</p><p>　　3.3 74LS160N構(gòu)成的循環(huán)控制器12</p><p>　　4 總體電路及運(yùn)行分析14</p><p>　　4.1 整體電路圖14</p><p&g

4、t;　　4.2 電路運(yùn)行分析15</p><p><b>　　心得體會(huì)16</b></p><p><b>　　綜述</b></p><p>　　廣告燈箱在城市生活中廣泛應(yīng)用，商場(chǎng)，店鋪，娛樂(lè)場(chǎng)所等公共場(chǎng)所都少不了廣告宣傳。單一色彩的廣告燈箱無(wú)法吸引人們的注意力，難以達(dá)到廣告設(shè)計(jì)宣傳的預(yù)期目標(biāo)，已不能滿足人們的要求，在

5、此種情況下七色廣告燈箱應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹的七色廣告燈箱，采取的是白天熄滅，晚上自動(dòng)點(diǎn)亮；七種色彩循環(huán)變化。不僅增強(qiáng)了廣告宣傳的效果，并且為城市的夜生活添上一抹色彩。</p><p>　　通過(guò)查閱《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》等書(shū)籍，在網(wǎng)絡(luò)上查閱相關(guān)資料，確定了設(shè)計(jì)方案，該控制器采用了橋式整流電路，穩(wěn)壓電源電路，光控開(kāi)關(guān)電路，時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，燈光控制等構(gòu)成。利用555定時(shí)器，74LS160芯片等構(gòu)成相關(guān)電

6、路。</p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，不僅對(duì)相關(guān)的理論知識(shí)有了進(jìn)一步掌握，同時(shí)培養(yǎng)了我們的動(dòng)手能力和對(duì)電子技術(shù)的興趣。</p><p><b>　　1方案設(shè)計(jì)與分析</b></p><p><b>　　1.1 方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1.1.1方案一</b

7、></p><p>　　用三極管和光敏電阻接成開(kāi)關(guān)電路，在夜晚時(shí)輸出高電平驅(qū)動(dòng)74LS160芯片組成的循環(huán)控制器，利用555計(jì)時(shí)器接成多諧振蕩器輸出脈沖信號(hào)控制循環(huán)控制器，循環(huán)控制器控制七色彩燈循環(huán)變化的效果。</p><p><b>　　1.1.2 方案二</b></p><p>　　為實(shí)現(xiàn)控制七色燈循環(huán)變化，采用555定時(shí)器接成施密特

8、觸發(fā)器，在電路中接入光敏電阻以控制輸出電平；由74LS160芯片接成的循環(huán)控制器接收前一級(jí)輸入的電平信號(hào)，在夜晚啟動(dòng)電路開(kāi)始工作；再由555定時(shí)器接成周期可調(diào)的多諧振蕩器用以控制循環(huán)控制器的工作周期。循環(huán)控制器控制燈的變化，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)要求的效果。</p><p>　　1.2 方案分析比較</p><p>　　方案一和方案二均滿足設(shè)計(jì)要求，在其與外部條件均滿足的情況下，可以實(shí)現(xiàn)控制七色廣告

9、燈箱的色彩變換。但是由于方案一中采用的晶體管性能受溫度影響較大，電路工作狀態(tài)不夠穩(wěn)定，無(wú)法保證電路正常工作。電路二中采用555定時(shí)器接成施密特觸發(fā)器，電路中接入光敏電阻用來(lái)控制輸出電平，由于芯片工作性能受外界調(diào)節(jié)影響較小，電路工作狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。能夠更好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。綜合分析比較，選定方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)論述。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)框圖及原理</b></p><

10、p>　　2.1 設(shè)計(jì)電路框圖</p><p>　　圖 2-1 七色廣告燈箱控制器原理框圖</p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中用到橋式整流電路，555定時(shí)器分別用作施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器，74LS160接成七進(jìn)制構(gòu)成循環(huán)控制器，紅、白、綠三色燈以不同組合循環(huán)變化。設(shè)計(jì)中直接應(yīng)用220v交流電

11、進(jìn)行供電，通過(guò)橋式整流電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，進(jìn)而通過(guò)濾波電路和穩(wěn)幅電路獲得穩(wěn)定輸出的直流電源。555定時(shí)器接成施密特觸發(fā)器，其中光敏電阻的阻值受光線影響，從而使施密特觸發(fā)器輸出電平改變。74LS160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在設(shè)計(jì)中采用置數(shù)法使之按照0001→0111循環(huán)變化控制七色燈箱。利用555定時(shí)器接成周期可調(diào)的多諧振蕩器，通過(guò)改變電阻R的阻值來(lái)調(diào)節(jié)電路輸出脈沖的占空比；從而控制循環(huán)控制器的工作周期，進(jìn)而控制燈的變換次序。</p

12、><p>　　3 模塊設(shè)計(jì)及原理解析</p><p>　　3.1 整流電路模塊</p><p>　　圖 3-1 整流電路圖</p><p>　　圖 3-2 方正波形圖</p><p>　　電路的輸入端直接輸入220V交流電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器的原副線圈的變比，從而在副邊獲得低電壓，然后通過(guò)橋式整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟?lt;/

13、p><p>　　橋式整流電路為全波整流，全波整流就是交流電的正負(fù)半周都被利用，效率較高。單相橋式整流電路由四個(gè)二極管組成，其構(gòu)成原則就是保證在變壓器副邊電壓U2的整個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載上的電壓和電流方向始終不變。為達(dá)到這一目的，就要在U2的正、負(fù)半周期內(nèi)正確引導(dǎo)流向負(fù)載的電流。設(shè)變壓器副邊兩端分別為1、2，則1為“+”、2為“-”時(shí)應(yīng)有電流流出1點(diǎn)，1為“-”、2為“+”時(shí)應(yīng)有電流流入2點(diǎn)；相反，1為“+”，2為“-”時(shí)應(yīng)

14、有電流流入2點(diǎn)，1為“-”，2為“+”時(shí)應(yīng)有電流流出2點(diǎn)；因此，1、2兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)接兩只二極管的陽(yáng)、陰極。交流電變?yōu)橹绷骱笮枰M(jìn)行濾波，當(dāng)變壓器的副邊電壓U2處于正半周期并且數(shù)值大于電容兩端電壓Uc時(shí)，二極管D1、D3導(dǎo)通，電流一路流過(guò)負(fù)載，另一路對(duì)電容C充電。當(dāng)U2到峰值后下降，電容C通過(guò)負(fù)載放電，到達(dá)一定數(shù)值后，D1、D3截止；當(dāng)U2在負(fù)半周期的電壓值大于Uc時(shí)，D2、D4導(dǎo)通，C充電到一定值后通過(guò)負(fù)載放電到一定值，通過(guò)上述的規(guī)律濾波后

15、，輸出波形比較平滑，平均值也得到提高。在濾波后，通過(guò)LM7805CT芯片后，工作正常，輸出電壓穩(wěn)定。</p><p>　　綜上所述，橋式整流電路巧妙的利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個(gè)二極管接成整流橋，根據(jù)變壓器副邊的電壓U2的極性分別導(dǎo)通，將變壓器電壓的負(fù)極性端與負(fù)載的下端相連接，正極性端與負(fù)載的上端相連，從而可以在負(fù)載的兩端輸出直流電壓。</p><p>　　經(jīng)過(guò)分析有變壓器副邊的電壓U

16、2，通過(guò)橋式整流電路整流后的輸出電流Il、輸出電壓U的波形如圖3-2所示，其中Il、Ul均為單方向的全波脈動(dòng)波形。</p><p><b>　　圖 3-3波形分析</b></p><p>　　3.2 555定時(shí)器</p><p>　　3.2.1 555定時(shí)器的介紹</p><p>　　555定時(shí)器是一種集成電路芯片，常

17、被用于定時(shí)器、脈沖發(fā)生器和振蕩電路。555可被作為電路中的延時(shí)器件、觸發(fā)器或起振元件。于其易用性、低廉的價(jià)格和良好的可靠性，直至今日仍被廣泛應(yīng)用于電子電路的設(shè)計(jì)中。許多廠家都生產(chǎn)555芯片，包括采用雙極型晶體管的傳統(tǒng)型號(hào)和采用CMOS設(shè)計(jì)的版本。</p><p>　　555定時(shí)器有以下應(yīng)用：（1）構(gòu)成施密特觸發(fā)器，用于TTL系統(tǒng)的接口，整形電路和脈沖鑒幅等；（2）構(gòu)成多諧振蕩器，組成信號(hào)產(chǎn)生電路；（3）構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)

18、觸發(fā)器，用于一些定時(shí)開(kāi)關(guān)電路中。</p><p>　　555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)如圖3-3示</p><p>　　圖 3-4 555定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　555定時(shí)器的功能主要有兩個(gè)比較起決定。兩個(gè)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(dāng)5腳懸空時(shí)，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VC

19、C/3，如觸發(fā)輸入端電壓小于VCC/3，則比較器C2的輸出為低電平，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端輸出高電平，如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3，同時(shí)TR端的電壓大于VCC/3，則C1的輸出0，C2輸出為1，則可將RS觸發(fā)器置0，使輸出端輸出低電平。</p><p>　　表 3-1 555定時(shí)器功能表</p><p>　　3.2.2 施密特觸發(fā)器</p><p>

20、;　　圖 3-5施密特觸發(fā)器電路仿真圖</p><p>　　圖 3-6仿真波形圖</p><p>　　555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器，從輸入端給定一個(gè)恒定的電壓信號(hào)，作為比較基準(zhǔn)電壓，使之等于VCC/3，當(dāng)光敏三極管在白天時(shí)阻值很小，故而在C2的反相輸入端得到的電壓小于VCC/3，從而在輸出端獲得低電平，使后面的電路在低電平控制下無(wú)法工作；在夜晚時(shí)，阻值增大，因而在C2的反相輸入端獲得的電

21、壓大于VCC/3，進(jìn)而在輸出端輸出高電平，控制后面的電路正常工作。</p><p>　　3.2.3 多諧振蕩器</p><p>　　555定時(shí)器接成多諧振蕩器，脈沖按設(shè)定的周期輸出，作為控制循環(huán)控制器的工作時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　　圖 3-7多諧振蕩器仿真電路</p><p>　　圖 3-8 仿真波形圖</p><p

22、>　　多諧振蕩器是能夠產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除了含有基波外還有豐富的高次諧波，故而稱之為多諧振蕩器。</p><p>　　多諧振蕩器沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素作用下，電路就在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換，由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖3-6所示，R1、R2、R3、C為外接定時(shí)元件，電路按圖3-6所示連接。由于電源接通瞬間，電容C來(lái)不及充電，電容器兩端電壓為低電平，小于VCC/3，

23、故高電平觸發(fā)端和低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出Uo為高電平，TD截止。這時(shí)電源經(jīng)過(guò)電阻對(duì)電容充電，電壓Uc按規(guī)律上升，當(dāng)Uc=2VCC/3時(shí)，輸出Uo為低電平，TD管導(dǎo)通，充電時(shí)間T=（R1+R2+R3）*C1。由于TD管導(dǎo)通，電容C1通過(guò)電阻和晶體管放電，當(dāng)Uc下降到VCC/3時(shí)，輸出Uo為高電平，電容C再次充電，TD管再次截止，讓后重復(fù)第一個(gè)過(guò)程，電路一旦震蕩起來(lái)，Uc的電壓總在（1/3-2/3）VCC之間變化。進(jìn)而可以按要求輸出設(shè)計(jì)

24、要求的波形。</p><p>　　3.3 74LS160N構(gòu)成的循環(huán)控制器</p><p>　　循環(huán)控制器是本次設(shè)計(jì)的核心單元，用以控制紅、白、綠三色燈的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)中采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160N芯片通過(guò)置數(shù)法接成七進(jìn)制計(jì)數(shù)器。</p><p>　　圖 3-9 計(jì)數(shù)器示意圖</p><p>　　表 3-2 74LS160邏輯功能表<

25、;/p><p>　　有功能表可知，在此次設(shè)計(jì)中，采用的是置數(shù)法，在輸入端的DCBA接成0001，置零端懸空相當(dāng)于接高電平，ET、EP接在一起接收前一級(jí)施密特觸發(fā)器輸出的電平信號(hào)，當(dāng)輸入高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始共工作，接收多諧振蕩器輸出的脈沖信號(hào)，當(dāng)上升沿到達(dá)時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，QD、QC、QB、QA按0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111的規(guī)律循環(huán)變化。當(dāng)狀態(tài)變化到0111時(shí)，通過(guò)與非門(mén)輸出

26、低電平信號(hào)返回給置數(shù)端LD，從而開(kāi)始新一輪的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)的時(shí)間間隔有多諧振蕩器的工作周期決定，可以通過(guò)調(diào)節(jié)振蕩器的占空比來(lái)調(diào)節(jié)彩燈的變化節(jié)奏。如果施密特觸發(fā)器給出低電平，RD’=0時(shí)，計(jì)數(shù)器工作在指令狀態(tài)，停止計(jì)數(shù)器停止工作燈也就不會(huì)亮。由于74LS160的預(yù)置數(shù)是同步的，即LD’等于0以后，還要等下一個(gè)CLK信號(hào)到來(lái)時(shí)才置入數(shù)據(jù)，而此時(shí)LD’=0的信號(hào)已經(jīng)穩(wěn)定建立，所以信號(hào)穩(wěn)定可靠性高。電路工作狀態(tài)穩(wěn)定。</p><

27、p>　　4 總體電路及運(yùn)行分析</p><p><b>　　4.1 整體電路圖</b></p><p>　　對(duì)設(shè)計(jì)各個(gè)模塊進(jìn)行了電路組建、仿真、和電路特性的分析后，確保各個(gè)模塊能夠正常完成預(yù)定的功能，然后將其中各模塊組合起來(lái)測(cè)試部分電路是否能夠完成功能，最終將各個(gè)模塊組裝完成整體電路，對(duì)整體電路進(jìn)行調(diào)試后，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。</p><p>

28、　　圖 4-1 整體電路圖</p><p>　　設(shè)計(jì)最終組合電路如圖4-1所示，在調(diào)試過(guò)程中對(duì)電路各參數(shù)進(jìn)行修改，對(duì)前后各級(jí)電路之間的耦合方式采取相應(yīng)措施，對(duì)需要進(jìn)行放大的環(huán)節(jié)加上三極管構(gòu)成放大電路，對(duì)于需要限流的環(huán)節(jié)添加電阻，對(duì)電容值的設(shè)定通過(guò)計(jì)算后進(jìn)行設(shè)定，在確定一系列的的參數(shù)后，利用Multisim軟件進(jìn)行仿真，最終確定電路是否合理。</p><p>　　4.2 電路運(yùn)行分析<

29、/p><p>　　電路直接接入220V交流電源，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器的變比使之降壓為15V，然后經(jīng)過(guò)橋式整流電路得到了單向的脈動(dòng)電壓，然后通過(guò)電容和電阻組成的濾波電路，從而獲得較平滑的電壓，再由LM7805CM芯片穩(wěn)幅輸出5V直流電源。</p><p>　　白天時(shí)，光敏三極管阻值很大，電阻分壓很小，555定時(shí)器不工作。夜晚時(shí)，光敏電阻阻值小，此時(shí)的555定時(shí)器外加電源的作用下開(kāi)始工作，輸出高電平使后

30、邊的三極管工作再放大狀態(tài)，從而為下一級(jí)電路供電，此處的晶體管相當(dāng)于開(kāi)關(guān)。</p><p>　　555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器工作，通過(guò)調(diào)節(jié)R3的阻值來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的占空比。輸出的脈沖信號(hào)作為循環(huán)控制器(76LS160)的時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)循環(huán)控制器的ET=EP=RD’=1時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)的上升沿到達(dá)時(shí)，計(jì)數(shù)器工作，完成計(jì)數(shù)。輸出端QA、QB、QC分別控制紅、白、綠三色燈。狀態(tài)從0001到0111變化，當(dāng)變化到0111時(shí)，通

31、過(guò)一個(gè)與非門(mén)將置數(shù)信號(hào)送回到芯片的置數(shù)端，在工作過(guò)程中這個(gè)變化在循環(huán)控制器的控制下循環(huán)往復(fù)。燈的色彩按照三色的不同組合交替出現(xiàn)，完成色彩變換，吸引行人注意力，增強(qiáng)廣告宣傳效果的目的。</p><p>　　計(jì)數(shù)器后面所接的三個(gè)晶體管起電流放大作用，是有足夠大電流能夠使彩燈發(fā)光。彩燈串聯(lián)的電阻起保護(hù)作用，以免彩燈被燒壞。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，光敏三極管應(yīng)當(dāng)置于有光處，而其余的元件

32、則應(yīng)該放在燈箱內(nèi)部避免陽(yáng)光直射，燈光的保持時(shí)間可以調(diào)節(jié)R3來(lái)獲得。</p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　這是我大學(xué)學(xué)習(xí)中的第一次課程設(shè)計(jì)，起初十分茫然，再通過(guò)老師的講解和查閱資料后，對(duì)課題有了初步認(rèn)識(shí)。參閱相關(guān)資料做出了設(shè)計(jì)方案，對(duì)方案進(jìn)行分析后，開(kāi)始元件選取和電路組建，在實(shí)踐過(guò)程中，對(duì)所學(xué)的數(shù)電和模電知識(shí)有了更深刻的理解，對(duì)原來(lái)未明白的

33、地方通過(guò)實(shí)踐有了更好的理解。</p><p>　　從一竅不通到熟練運(yùn)用軟件，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我學(xué)會(huì)了仿真軟件Multisim的應(yīng)用，在無(wú)人指導(dǎo)的情況下，我通過(guò)自己動(dòng)手組建簡(jiǎn)單電路和查閱資料，熟悉了軟件操作，并在設(shè)計(jì)中運(yùn)用軟件仿真輔助課程設(shè)計(jì)。</p><p>　　一周的課程設(shè)計(jì)讓我的動(dòng)手能力有了很大的提高，增強(qiáng)了我對(duì)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣，通過(guò)獨(dú)立思考解決問(wèn)題培養(yǎng)了我的思維能力和自信心，同時(shí)也

34、使我認(rèn)識(shí)到自身的不足，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，有許多問(wèn)題還需要通過(guò)不斷學(xué)習(xí)來(lái)解決。使我更加堅(jiān)定了好好學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的決心。</p><p>　　同時(shí)很感謝陳老師在此次課程設(shè)計(jì)中對(duì)我的指導(dǎo)，老師嚴(yán)肅的治學(xué)精神和精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染了我。在完成設(shè)計(jì)過(guò)程中，老師始終如一的給予了我細(xì)心地指導(dǎo)和不懈的支持。他一絲不夠的工作作風(fēng)是我學(xué)習(xí)工作的榜樣，他循循善誘的教導(dǎo)給予我很多新的構(gòu)想。在此向老師致以誠(chéng)摯的謝意，謝謝。</p

35、><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.168-187,487-497.</p><p>　　[2] 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.514-554.</p><p>　　[3]

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