簡易燈光控制

1、l 廣西科技大學(xué)簡易燈光控制器楊寧 一、設(shè)計任務(wù)1. 課程性質(zhì)電子設(shè)計與實踐。2. 課程目的訓(xùn)練學(xué)生綜合所學(xué)的模電、數(shù)電的基本知識，包括熟悉集成電路的引腳安排，各芯片的邏輯功能及使用方法，了解PCB電路板的畫法，通過使用Multisim軟件的仿真技術(shù)，獨立完整地設(shè)計一定功能的電子電路，以及仿真和調(diào)試的綜合能力。3. 設(shè)計要求要求依次點亮4個LED燈，每個LED燈亮1秒，滅3秒，同一時刻只有一個燈亮。4. 簡易燈光控制器概述通過設(shè)計升壓、穩(wěn)壓電路，由18650鋰電池供電，產(chǎn)生穩(wěn)定的5V電壓供電路電源需要。控制系統(tǒng)的信號脈沖由兩個555定時器產(chǎn)生，用555-A構(gòu)成多諧振蕩器兼斯密特電路，產(chǎn)生穩(wěn)定的

2、高頻方波；用555-B構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，通過改變RC的值，產(chǎn)生穩(wěn)定的1S暫態(tài)方波。然后通過555-A產(chǎn)生的高頻方波信號對555-B產(chǎn)生的1S暫態(tài)方波進(jìn)行高密度的實時采樣，這樣555-B就可以固定的產(chǎn)生穩(wěn)定的1S高電平方波，再通過74LS04的一個反相器，即可構(gòu)成1S固定定時的上升沿脈沖波形。最后以固定1S的上升沿脈沖輸入，用74LS194移位寄存器實現(xiàn)4個LED燈達(dá)到設(shè)計要求的亮滅。二、設(shè)計思路1. 電源設(shè)計 要產(chǎn)生一個穩(wěn)定可靠的脈沖信號，電源的穩(wěn)定供給很重要。由于條件的限制，手上有的是一個3.7V的鋰電池，不滿足芯片5V供電的需要。因此設(shè)計了一個升壓電路，采用XL6009直流型電壓變換器

3、芯片，XL6009是常用的電壓變換器芯片，其典型電路簡單，容易控制輸出電壓等優(yōu)點而受人歡迎。升壓電路原理圖如圖1：圖1圖1中，DC為電池輸入，S2為按鍵開關(guān)，最右側(cè)即為升壓電路。圖中1、4引腳接電源，2是使能端（高電平有效），3端輸出的是方波信號，做為開關(guān)，當(dāng)3輸出低電平時D1截止，電感L1作為儲能元件儲存電壓，電容C3，R2與R3組成一個回路放電，使輸出電壓下降。當(dāng)3輸出高電平時，D1導(dǎo)通，電感L1向電容C3兩端充電，輸出電壓升高。R2、R1是XL6009內(nèi)部組成的電壓放大器，作為負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓，由電阻R2、R1控制輸出電壓值，公式：Uout=1.25*(1+R2/R1)。我們需要10V

4、的電壓，因此設(shè)置R2=7.5K，R1=1K。為了輸出5V電壓的穩(wěn)定，還設(shè)計5V的穩(wěn)壓電路，用到7805芯片，同樣的，7805芯片典型電路設(shè)計簡單，價格便宜，是人們常用的穩(wěn)壓芯片。電路圖如圖2： 圖2 電池實物圖：2. 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)計部分 用到555定時器來產(chǎn)生，555定時器是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，其應(yīng)用十分廣泛。它是一種產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號的電路，由于內(nèi)部電壓標(biāo)準(zhǔn)使用了三個5K電阻，故取名555電路。555電路的工作原理555電路的內(nèi)部電路方框圖如圖8-1所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)管T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓器提供。

5、它們分別使高電平比較器A1的同相輸入端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為VCC和VCC。A1與A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號自6腳，即高電平觸發(fā)輸出并超過參考電平VCC時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于VCC時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電開關(guān)管截止。555定時器原理圖如圖3：圖3 設(shè)計成的單穩(wěn)態(tài)電路如圖4：圖4 圖4為由555定時器和外接定時元件R、C構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。觸發(fā)電路由C3、R4、D1構(gòu)成，其中D1為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開關(guān)管T導(dǎo)通，輸

6、出端F輸出低電平，當(dāng)有一個外部負(fù)脈沖觸發(fā)信號經(jīng)C3加到2端。并使2端電位瞬時低于VCC，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個暫態(tài)過程，電容C3開始充電，VC按指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng)VC充電到VCC時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉(zhuǎn)，輸出VO從高電平返回低電平，放電開關(guān)管T重新導(dǎo)通，電容C3上的電荷很快經(jīng)放電開關(guān)管放電，暫態(tài)結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，為下個觸發(fā)脈沖的來到做好準(zhǔn)備。波形圖如圖5所示： 圖5 暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間tw（即為延時時間）決定于外接元件R3、C3的大小。tw=1.1R3C3 通過改變R3、C3的大小，可使延時時間在幾個微秒到幾十分鐘之間變化。當(dāng)這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時器時，可直接驅(qū)動小型繼電

7、器，并可以使用復(fù)位端（4腳）接地的方法來中止暫態(tài)，重新計時。此外尚須用一個續(xù)流二極管與繼電器線圈反電勢損壞內(nèi)部功率管。 我們需要定時1S，因此計算的R3=91K，C=1UF。 仿真出來的示波器圖如下： 由于1S定時時間很長，示波器很難看到一個周期的波形，如上圖波形，為第二個上升沿的產(chǎn)生，看不到第一個，該波形是單穩(wěn)態(tài)輸出的波形通過74LS04反響后，才形成的1S輸出上升沿，用來出發(fā)移位寄存器74LS194。 實物圖如下圖，波形為黃色部分：3. 多諧振蕩器電路設(shè)計部分通過對555定時器的認(rèn)識，為了方便，我們采用了555定時器設(shè)計電路構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生穩(wěn)定的方波，由此方波對單穩(wěn)態(tài)1S定時實時采樣，

8、電路設(shè)計如圖6：圖6如圖6所示由555定時器和外接元件R1、R2、C1構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2、向C1沖電，以及C1通過R2向放電端Ct放電,使電路產(chǎn)生振蕩。電容C1在VCC和VCC之間充電和放電，其波形如圖7所示。輸出信號的時間參數(shù)是T=tw1+tw2, t w1=0.7(R1+R2)C1, tw2=0.7R1C2 555電路要求R1與R2均應(yīng)大于或等于1K,但R1+R2應(yīng)小于或等于3.3M。外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強(qiáng)的功率

9、輸出能力。因此這種形式的多諧振蕩器應(yīng)用很廣。圖7如下： 因為產(chǎn)生方波只是用來采樣，頻率高一些即可，不需要特殊固定的頻率，因此，出于器件方便原因，我們設(shè)計的方波波形圖如圖下圖，周期約2ms：實物圖如圖：4. 移位寄存器實現(xiàn)LED亮滅部分用555定時器單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生1S延時波，通過反相器74LS04即可構(gòu)成1S延時的上升沿波形信號，可通過該1S上升沿觸發(fā)移位寄存器74LS194實現(xiàn)4個LED一次亮滅，亮1S的功能。 74LS194的4位雙向通用移位寄存器,其中D3、D2、D1、DO為并行輸入端；Q3、Q2、Q1、Q0為并行輸入端；SR為右移串入輸入端，SL為左移串入輸入端；S1、S0為操作模式控制

10、端；為直接無條件清零端；CP為時鐘脈沖輸入端。74LS194有5種不同操作模式：即并行送數(shù)寄存，右移（方向由Q0Q3）, 左移（方向由Q3Q0）,保持及清零。S1、S0和端的控制作用如表1所示。CPCRS1S0功能Q3 Q2 Q1 Q00清零=0，使Q3Q2Q1Q0=0000,寄存器正常工作時，=1。111送數(shù)CP上升沿作用后，并行輸入數(shù)據(jù)送入寄存器。Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0此時串行數(shù)據(jù)（SR、SL）被禁止101右移串行數(shù)據(jù)送至右移輸入端SR、CP上升沿進(jìn)行右移。Q3Q2Q1Q0= Q2Q1Q0DSR110左移串行數(shù)據(jù)送至左移輸入端SL、CP上升沿進(jìn)行左移。Q3Q2Q1Q0= DSl

11、Q3Q2Q1100保持CP作用后寄存器內(nèi)容保持不變。Q3Q2Q1Q0=QQQQ1保持Q3Q2Q1Q0=QQQQ把移位寄存器的輸出反饋到它的串行輸入端，就可以進(jìn)行循環(huán)移位，如下圖，把輸出端Q3和右移串行輸入端SR相連接，設(shè)初始狀態(tài)Q3Q2Q1Q0=0001，則在時鐘脈沖作用下Q3Q2Q1Q0將依次變?yōu)?010010010000001,可見它是一個具有四個有效狀態(tài)的計數(shù)器，這種類型的計數(shù)器通常稱為環(huán)行計數(shù)器。圖9-1電路可以由各個輸出端輸出在時間上有先后順序的脈沖，因此也作為順序脈沖發(fā)生器。如果將輸出Q0與SL相連接，即可達(dá)到左移循環(huán)移位。我們只需設(shè)計其循環(huán)右移即可，相應(yīng)移動方向也很容易做到。電路

12、設(shè)計原理圖如下圖：如上圖所示，A、B、C、D為初始值設(shè)定，相應(yīng)輸出為QA、QB、QC、QD，輸出端為高電平則LED亮，因此設(shè)定A=1,B=0,C=0,D=0。循環(huán)右移，固把QD端接到SR端即可，由74LS194真值表可知，該電路不會自動發(fā)生移位，需要首先容初值，因此設(shè)計了一個自鎖按鈕開關(guān)J1，S0固定接到高電平，通過改變S1的高低電平，從而實現(xiàn)寄存器的送初值，和進(jìn)行以為操作。為了防止電壓太高，燒壞LED，在LED線路上加了電阻來分壓。上升沿出發(fā)仿真圖如下：由圖知，當(dāng)上升沿到達(dá)時，出發(fā)74LS194LED2亮，原來的LED1滅，亮的時間為1S，仿真時間過長，看不到，所以只能有這樣的圖像了。三、

13、整體電路圖 Multisim仿真圖：PCB原理圖：四、 總體PCB電路圖3D效果圖：五、 整體實物圖底部線路圖： 六、元件清單七、分析與總結(jié)這幾天實習(xí)，鍛煉了我的電路設(shè)計能力和動手的能力，也使我通過親身實踐掌握了一些中規(guī)模集成器件的使用技巧與方法，而不僅限于書本上的理論知識，讓我受益非淺。實習(xí)就是將理論付之于實踐的過程，如何能更好地用自己的知識來實現(xiàn)實驗的要求的功能，這不僅要看我們所學(xué)的知識是否扎實，更重要的是要有能把書本知識運(yùn)用在實際電路中的能力。即便一個人理論知識非常充分，然而卻缺乏動手能力，那也不過是紙上談兵，沒有多大的意義。本次數(shù)字電路課程設(shè)計就是很好的例子。同時，做實驗時一定要細(xì)心、耐心，要有堅持的毅力。對于現(xiàn)在缺乏實踐經(jīng)驗的我們來說，這是一個艱苦的過程。因為剛開始接觸，可能對某些芯片及其用法不甚了解，于是，要在電路設(shè)計的環(huán)節(jié)，花費(fèi)時間很多時間。但是如果自己通過翻閱資料，或者請教老師同學(xué)，努力了也堅持了下來，那么所掌握的，就不僅僅是課本上的簡單理論，而是豐富的實踐經(jīng)驗，這些經(jīng)驗對于以后的工作或?qū)W習(xí)將有很大的幫助。這次實驗讓我們又一次鞏固并復(fù)習(xí)我們所學(xué)的數(shù)字電路邏輯設(shè)計這一門課程的知識，也為以后更深入的學(xué)習(xí)做了一個好的開端，是一次提升自我的實驗。因為它不僅是一次鍛煉動