簡易彩燈控制器電路.docx

簡易彩燈控制器電路 目 錄摘 要11 設(shè)計要求11.1 設(shè)計課題11.2 主要內(nèi)容11.3 技術(shù)要求12 系統(tǒng)組成及工作原理22.1 系統(tǒng)組成框圖22.2 工作原理分析23 電路方案設(shè)計43.1 電路圖設(shè)計44 單元電路設(shè)計54.1 時鐘脈沖產(chǎn)生電路54.2 分頻電路的工作原理64.3 狀態(tài)機電路74.4 移位輸出電路84.5 橋式整流電路84.6 發(fā)光二級管9結(jié)束語11致謝12參考文獻13附錄14附錄：元器件清單14附錄：輸出狀態(tài)編碼14附錄:元件引腳圖15附錄：元件功能表16附錄5：總設(shè)計圖18簡易彩燈控制器電路摘 要彩燈控制器是用來使彩燈按照一定的形式和規(guī)律閃亮，起到烘托節(jié)日氛圍、吸引公眾注意力的作用，它是一種很好的照明娛樂工具，應(yīng)用前景較為廣泛。本設(shè)計就是采用電子元件制作的一個簡易的具有四種變換花型的彩燈控制器。本電路系統(tǒng)由四部分組成，分別是：（1）時鐘振蕩電路，555定時器構(gòu)成多諧振蕩器；（2）分頻電路，由四位二進制計數(shù)器 74LS161組成， 為D 觸發(fā)器提供時鐘；（3）狀態(tài)機電路，由雙 D 觸發(fā)器組成；（4）移位顯示電路，由雙向移位寄存器 74194 和發(fā)光二極管組成，實現(xiàn)花型顯示。彩燈控制器實現(xiàn)方法多種多樣，本次設(shè)計的這臺彩燈控制器主要功能有：（1）可以控制8個以上的彩燈；（2）可以組成四種以上花型，并且每種花型能夠連續(xù)循環(huán)兩次，各種花型輪流顯示。 本電路基于 74系列簡單邏輯門電路的組合，實現(xiàn)簡易電子彩燈控制器電路，具有電路設(shè)計簡單，成本低廉的特點。 關(guān)鍵詞：時鐘脈沖；分頻；雙D觸發(fā)器；移位寄存器；計數(shù)器1 設(shè)計要求1.1 設(shè)計課題題目：簡易彩燈控制器電路1.2 主要內(nèi)容1.2.1 閱讀相關(guān)文獻。1.2.2 學習電子制圖軟件的使用。1.2.3 學會整理和總結(jié)設(shè)計文檔報告。1.2.4 學會如何查找器件手冊及相關(guān)參數(shù)。1.3 技術(shù)要求1.3.1 要求電路能夠控制8個以上的彩燈。1.3.2 要求彩燈組成四種以上的花形，每種花形連續(xù)循環(huán)兩次，各種花形輪流顯示。2 系統(tǒng)組成及工作原理2.1 系統(tǒng)組成框圖把四花型彩燈設(shè)計分為幾個獨立的功能模塊進行設(shè)計,每一個模塊完成特定的功能,再把它們有機的組織起來構(gòu)成一個系統(tǒng)完成彩燈控制器的設(shè)計。系統(tǒng)可由四個模塊組成，它們分別是：時鐘產(chǎn)生電路、分頻電路、移位顯示電路、狀態(tài)機電路。設(shè)計框圖如圖2.1所示：顯示電路 時鐘振蕩電路路移位輸出電路分頻電路狀態(tài)機電路 圖2-1設(shè)計框圖第一部分，由555定時器構(gòu)成時鐘振蕩電路，產(chǎn)生固定頻率的脈沖；第二部分，由四位二進制計數(shù)器 74LS161 組成分頻電路，為 D 觸發(fā)器提供時鐘，為狀態(tài)機提供時鐘；第三部分，采用雙 D 觸發(fā)器 74LS74 組成狀態(tài)機電路，實現(xiàn)四種花樣的輪流顯示；第四部分，采用雙向移位寄存器74LS194 組成移位輸出電路。2.2 工作原理分析由555定時器構(gòu)成的時鐘振蕩電路產(chǎn)生固定頻率的脈沖，一方面作用于由74161組成的分頻電路，一方面作用于由74F194構(gòu)成的移位輸出電路，為他們提供時鐘信號。由于74161是16分頻計數(shù)器，故每十六個脈沖74LS161進位一次,致使觸發(fā)器U1A翻轉(zhuǎn)一次，而觸發(fā)器U2A的3腳連接的是觸發(fā)器U1A的5腳，實現(xiàn)了U1A的16分頻和U2A的32分頻。所以平均U1A翻轉(zhuǎn)兩次而U2A翻轉(zhuǎn)一次。集成移位寄存器74194由個RS觸發(fā)器及他們的輸入控制電路組成，其中1和0是兩個控制輸入端。雙觸發(fā)器的輸出端改變0,1的值，實現(xiàn)左右移動控制?？山M成U1A左移，U2A右移；U1A右移，U2A右移；U1A左移，U2A左移；U1A右移，U2A左移四種花型。每十六個脈沖每種花型恰好循環(huán)兩次，而此時觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為下一種花型。3 電路方案設(shè)計3.1 電路圖設(shè)計將各單元電路組織起來就得到了系統(tǒng)電路圖，如附錄所示。本電路圖設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)清晰，可分為時鐘產(chǎn)生電路、分頻電路、移位顯示電路、狀態(tài)機電路。555定時器構(gòu)成時鐘電路，由四位二進制計數(shù)器 74LS161組成分頻電路，由雙向移位寄存器 74194 和發(fā)光二極管組成移位顯示電路，雙D觸發(fā)器構(gòu)成狀態(tài)機電路。4 單元電路設(shè)計4.1 時鐘脈沖產(chǎn)生電路10uFC50.1uFC630KRA35KRB23RD4567VCC81NE555VCC用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個周期性的矩形脈沖。電路圖如圖4.1所示:圖-由555定時器構(gòu)成的多謝振蕩器 555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個部分組成。它的各個引腳功能如下：1腳：GND（或Vss）外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：VCC（或VDD）外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.516V,CMOS型時基電路VCC的范圍為318V。一般為5V。3腳：OUT（或Vo）或輸出端。2腳：TR低觸發(fā)器。6腳：TH高觸發(fā)器。4腳：R是直接清零端。當R端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01mF電容接地，以防引入干擾。7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。電阻分壓器由三個5K的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號。基本RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。接通電源后，電容5被充電，當管腳處的電壓上升到cc/3時，使o為低電平，同時放電三極管導(dǎo)通，此時電容通過和放電，c下降。當c下降掉cc/3時，o翻轉(zhuǎn)為高電平。振蕩器的振蕩頻率為1.43/(R1+R2+R2)C5。4.2 分頻電路的工作原理圖4-274LS161引腳圖74LS161是4位二進制同步加計時器。其中1腳是異步清零端，9腳是預(yù)置控制端，P0,P1,P2,P3是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，RCO是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，7和10腳是計數(shù)控制端。(1)異步清零：當1腳接低電平時，不管其他輸入的狀態(tài)如何，計數(shù)器直接清零。(2)同步并行預(yù)置數(shù)；在1腳接高電平的條件下，當9腳接低電平且有時鐘脈沖時P0,P1,P2,P3輸入端的數(shù)據(jù)分別被Q0,Q1,Q2,Q3所接收。(3)保持：1和9腳同時接高電平，兩個記數(shù)使能端有一個接低電平時，不管有無脈沖，記數(shù)器都保持原狀態(tài)不變。(4)記數(shù)：當1,7,9,10管腳都接高電平時，計數(shù)器處于記數(shù)狀態(tài)。當時鐘電路產(chǎn)生16個脈沖時，計數(shù)器進位端進1，促使D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)或截止。4.3 狀態(tài)機電路 圖4-3狀態(tài)機電路圖狀態(tài)機電路由兩個觸發(fā)器組成。觸發(fā)器U1A的腳與觸發(fā)器的U2A的3腳連接，從而實現(xiàn)U1A的16分頻和U2A的32分頻。觸發(fā)器為上升沿出發(fā)，當脈沖由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。本電路中，假設(shè)開始時U1A的腳為高電平，則U2A的3腳也為高電平，分頻電路16拍進位一次，促使觸發(fā)器U1A發(fā)生翻轉(zhuǎn)使腳變?yōu)榈碗娖絼tU2A的3腳也變?yōu)榈碗娖?。當分頻電路經(jīng)過第二個16拍時，再次進位，U1A的腳為高電平而此時U2A的2腳也再次變?yōu)楦唠?，此過程中U2A經(jīng)歷了一個上升沿觸發(fā)，翻轉(zhuǎn)一次，從而實現(xiàn)四種花型的輪流變換。4.4 移位輸出電路圖4-4移位輸出電路電路圖集成移位寄存器74194由4個RS觸發(fā)器及他們的輸入控制電路組成，其中1和0是兩個控制輸入端,A、B、C、D是并行輸入端。如表所示，他們的狀態(tài)組合可以完成四種控制功能，其中左移和右移兩項是串行輸入，數(shù)據(jù)是分別從左移輸入端7引腳和右移輸入端2引腳送入寄存器中的。1引腳為異步清零。如圖U1B,本電路中要求移位過程中數(shù)據(jù)不丟失，故采用將移位寄存器的最高位輸出端15腳和最低位輸入端2引腳連接以及讓移位寄存器的最低位輸出端12引腳和最高位輸入端7引腳連接。，形成環(huán)形計數(shù)器。從而實現(xiàn)四種花型的循環(huán)輸出。表174194雙向移位寄存器控制端的邏輯功能4.5 橋式整流電路 圖4-5橋式整流電路電路圖 橋式整流電路電路具有將雙向的交變電壓變換為單向的脈動電壓的功能，可以將從電路中輸入的交流電變成直流電，是使用最多的一種整流電路。這種電路，只要增加兩只二極管口連接成橋式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點，而同時在一定程度上克服了它的缺點。 以上滿足了我們提高變壓器利用率并降低整流管最大反向電壓的要求，實現(xiàn)了二極管整流輸出的最佳性能。需要特別指出的是，二極管作為整流元件，要根據(jù)不同的整流方式和負載大小加以選擇。如選擇不當，則或者不能安全工作，甚至燒了管子；或者大材小用，造成浪費。另外，在高電壓或大電流的情況下，如果手頭沒有承受高電壓或整定大電濾的整流元件，可以把二極管串聯(lián)或并聯(lián)起來使用。4.6 發(fā)光二級管發(fā)光二極管簡稱為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鉀二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N 半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。圖4-6 發(fā)光二級管結(jié)束語一周的課程設(shè)計，使自己收獲很多，加深了對書上及老師所講知識的理解。在本次電子課程設(shè)計的學習和研究過程中我感覺受益很深，不但讓我懂得了許多理論知識，更給了我一個理論聯(lián)系實際的機會，讓我學到了許多書上學不到的東西。設(shè)計電路關(guān)鍵在于對設(shè)計要求的理解分析以及對基本電路相關(guān)知識的熟練掌握。設(shè)計電路時，將總體的功能分成若干個功能單元來實現(xiàn)，是簡化電路設(shè)計思路的很好方法；且搞清各個模塊的功能與實現(xiàn)要求操作的具體方法，對電路故障的檢查也是很有幫助。通過這次電子課程設(shè)計，我學到了很多東西，如查找資料，設(shè)計比較，從各種圖中提取所需。此外，這次課還讓我們學到很多，也吸取了很多教訓。以前感覺考試考得高分就是學到知識了，當真正自己動手去做時才認識到自己犯了多大的錯誤。在畫原理圖是需要用到Altium Designer，這有力的鞏固了我們本學期剛學完的Altium Designer知識。理論學得再好如果不能用到實踐中去等于沒學。通過此次的課程設(shè)計，真正提高了我們動手能力，學會獲取資料，活躍了自己的思維，鞏固了我們所學的知識。最后，感謝此次課程設(shè)計過程中一直給予我們支持與幫助的老師們，感謝您們的耐心指導(dǎo)！致 謝我從這次的設(shè)計中感受到了堅持的重要性，做事情不能輕言談放棄，雖然過程不順利，但是只要我們能堅持，朝著自己既定的目標前進，就一定會走到終點。一點小小的挫折實際上是在為最后的美景做鋪墊，當我們守得云開見月明的時候，就會發(fā)現(xiàn)，沿途的曲折其實是在考驗我們的目標是否堅定。堅持下來，我們會收獲豐碩的果實。電子課程設(shè)計，不僅讓我們的知識更加牢固，還讓我意識到我們所學的知識可以與生活緊密的聯(lián)系起來。這讓我對自己有了更多的信心，因為我們在大學里面不是混日子，而是在學習真正對我們的生活有幫助的知識和能力。一個小小的課程設(shè)計，卻讓我有了大大的希望。我會更加珍惜現(xiàn)在這么好的學習環(huán)境，努力學習知識，讓自己在激烈的社會競爭中立足，也把自己所學的知識運用到生活實際中來回報社會。 最后再次感謝老師和同學們的無私的幫助，希望老師們工作順利、 身體健康，同學們的學習生活更上一層樓。參考文獻1 何小艇. 電子系統(tǒng)設(shè)計M. 浙江大學出版社, 2001年6月2 姚福安. 電子電路設(shè)計與實踐M. 山東科學技術(shù)出版社, 2001年10月3 王澄非. 電路與數(shù)學邏輯設(shè)計實踐M. 東南大學出版社, 1999年10月4 李銀華. 電子線路設(shè)計指導(dǎo)M. 北京航空航天大學出版社, 2005年6月5 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 高教出版社, 2003年附 錄附錄：元器件清單元件種類數(shù)量74LS194個非門個74LS161個74LS74個NE555個30K電阻個35