七彩循環(huán)裝飾燈控制器課程設計

1、設計課題:七彩循環(huán)裝飾燈控制器課程設計專業(yè)班級:姓名:學號:設計時間:2014年 月 號 - 2015年 月 號目 錄緒論2第一章 設計思路41.1 設計目的41.2 設計內容及要求41.3 控制器電路的工作原理4第二章 總體方案的設計72.1 總體方案的設計72.2 總體方案的優(yōu)勢72.3 參數(shù)的計算72.4 仿真8第三章 單元電路的設計93.1 電源變換電路93.2 調色時鐘脈沖發(fā)生電路93.3 燈光變色控制電路103.4 負載電路11第四章 使用元件及介紹124.1 設計所需的元件：124.2 元件具體介紹124.2.1 555定時器124.2.2 cd4518：134.2.3 晶閘管：

2、14第五章 單元電路的補充.15第六章 結論.17第七章 心得體會.18參考文獻.20 緒 論 七彩燈的實際應用該燈電路設計新穎，結構簡單，成本低廉，趣味性強，可用在賓館、酒樓作廣告燈，也適用作節(jié)日彩燈。系19世紀興起的數(shù)字電路以其先天的便捷、穩(wěn)定的優(yōu)點在現(xiàn)代電子技術電路中占有越來越重要的地位。數(shù)字電路與模擬電路相比有顯而易見的穩(wěn)定性。近年來，數(shù)字電路又有了巨大的發(fā)展?？删幊踢壿嬈骷≒AL、GAL等）的發(fā)展和普及最終使IC的設計面向了用戶（這是模擬電路無法做到的），而這毫無疑問會給用戶帶來巨大的便捷，從而奠定它在電子電路中的對位。 隨著集成技術的進一步提高，各種新技術的出現(xiàn)和應用，人類歷史橫

3、跨數(shù)碼時代向更進一步發(fā)展已出現(xiàn)在各大型相關企業(yè)的宏偉藍圖中。新世紀里誰掌握了新技術誰就得到了獲勝的資本，也僅僅是資本而矣。新世紀里電子行業(yè)的發(fā)展速度令人窒息，聞名的摩爾定律更把許多人威嚇在門外。 可以展望，一個由數(shù)字構成的新世界即將出現(xiàn)。 利用控制電路可使彩燈（例如霓虹燈）按一定的規(guī)律不斷的改變狀態(tài)，不僅可以獲得良好的觀賞效果，而且可以省電（與全部彩燈始終全亮相比）。近年來，隨著人們生活水平的較大提高，人們對于物質生活的要求也在逐漸提高，不光是對各種各樣的生活電器的需要，也開始在環(huán)境的幽雅方面有了更高的要求。比如日光燈已經不能滿足于我們的需要，彩燈的運用已經遍布于人們的生活中，從歌舞廳到卡拉O

4、K包房，從節(jié)日的祝賀到日常生活中的點綴。這些不緊說明了我們對生活的要求有了質的飛躍，也說明科技在現(xiàn)實運用中有了較大的發(fā)展。在這一設計中我們將涉及有關彩燈控制器的設計，從原理上使我們對這一設計有所了解。將其確實與我們相聯(lián)系起來。 七彩燈循環(huán)控制的要求 使三基色燈順序產生其中色光，且能自動循環(huán)。要求控制器能長年通電使用，性能可靠。要求畫出完整的設計電路圖，計算電路各元器件參數(shù)。第一章 設計思路1.1 設計目的1熟悉七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路的組成、工作原理和設計方法。2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、用途及主要參數(shù)的計算方法。3熟悉集成電路CD4011、555定時器、CD4

5、518、晶閘管、整流、濾波電路的組成、工作原理、特點及用途。1.2 設計內容及要求1.2.1設計題目：設計一個七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路。各基本單元電路的設計條件和技術指標如下：a 整流濾波電路正弦信號輸入電壓：220V，50Hz；整流濾波電路輸出電壓：12V，分壓輸出（供集成電路用）：5V,要求采用集成穩(wěn)壓器。b 調色時鐘脈沖發(fā)生和燈光變色控制電路時鐘脈沖振蕩頻率：燈光每隔0.1s10s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閘管控制電平的要求。2 負載電路紅、綠、藍3基色燈：12V，8W。晶閘管：最大反向電壓 1.414U2。3 要求控

6、制器能長年通電使用，性能可靠。4 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。5 集成電路采用CMOS系列。1.3 控制器電路的工作原理 七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路的功能框圖如圖1-1所示。脈沖整形電路調色時鐘脈沖發(fā)生電路負載電路燈光變色控制電路直流電源圖1-1七彩循環(huán)裝飾燈控制器功能框圖七彩循環(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、調色時鐘脈沖發(fā)生電路、燈光變色控制電路和負載電路組成。其中H1、H2、H3是被控“3基色”燈泡。接通電源，220V交流電經變壓器降壓、VD1VD4橋式整流和濾波后，一路供彩燈回路用電；另一路經R1降壓限流，VZ穩(wěn)壓，VD5隔

7、離和C1濾波后，為控制電路提供約5V的穩(wěn)定直流電。ICI與外圍元件構成一個時鐘脈沖發(fā)生電路，其中與非門G1、G2以及RP、R3和C2組成多諧振蕩器；IC2由G3、G4構成基本SR觸發(fā)器，對振蕩產生的脈沖進行整形，然后由G4輸出送到IC3的時鐘脈沖CP端。 H2H3H1VD2VD1綠藍紅R1C2Rp+四題電路圖RLU0U1220VCU2IC28W3VS1162R2VS263VDDENG3G2G1Q4VD5R3&&Q1&U2220VU1IC1VS347RDQ2VZR4IC351SAVD4C1R5&8CPQ3G4VD3圖1-2七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路原理圖IC3是一塊

8、有雙同步加法計數(shù)器功能的CMOS集成電路，由與非門G4送來的正脈沖在其內部進行二進制編碼，并使Q1Q4輸出端的狀態(tài)發(fā)生循環(huán)組合變化。其邏輯真值表見表1-1。從真值表中可以看出，當IC3的CP端輸入一個時鐘脈沖時，其Q1 輸出高電平，VS1受觸發(fā)導通，H1通電發(fā)出紅光；當?shù)诙€時鐘脈沖到來時，當IC3的Q2端輸出高電平，VS2受觸發(fā)導通，H2通電發(fā)出綠光；當?shù)谌齻€時鐘脈沖到來時，當IC3的Q1、Q2端同時輸出高電平，VS1、VS2均觸發(fā)導通， H1、H2同時通電點亮，根據(jù)混光原理，燈箱對外變黃色；發(fā)出綠光；依次類推，IC3的Q1、Q2 、Q3端有8種邏輯狀態(tài)，可使“三基色”燈順序產生7種色光（紅

9、、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，IC3的Q1、Q2 、Q3端均輸出低電平，H1、H2、H3全部熄滅片刻；同時IC3的Q4端輸出高電平，其信號直接送入清零端R，使IC3的內部電路復位；第九個時鐘脈沖送入IC3時，循環(huán)上述過程。表1-1 CD4518真值表CP時鐘輸出12345678Q110101010Q201100110Q300011110Q400000001電路中，燈光變色由與非門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來估算。調節(jié)RP阻值，可使燈光每隔0.1s10s自動變換一種顏色。閉

10、合開關SA，與非門G1的控制輸入端由高電平變?yōu)榈碗娖?，振蕩停止工作，變色燈停留在上?個狀態(tài)中的某一個狀態(tài)?？梢杂么丝刂破髦瞥尚问蕉鄻?、功能不一樣的變色壁燈、變色吸頂燈、變色燈柱、變色廣告牌等，但必須改變電源的輸出功率，必須考慮“3基色”燈泡色彩混合問題。安裝時，彩燈H1H3固定在燈罩內，其它元件安裝在一個小塑料盒內。將RP電位器和定色開關S固定在小塑料盒的面板上，以便調控。另外在焊接CMOS集成電路Cd4518時，電烙鐵要可靠接地，以防損壞集成塊。第二章 總體方案的設計H2H3H1VD2VD1RWWWWW綠藍紅四題電路圖RLU0U1220VCU2R18W3VS1162 4 87 36 555

11、 52 1VS263VDDENQ4R37809Q1U2220VU1C27VS34RDQ2R4C1R2VD4IC35R5VD3CP8Q3C4C3 圖2-1 總體設計圖2.1 總體方案的設計利用555定時器構成多諧振蕩器代替原圖中的多諧振蕩器。如圖Rw是同軸電位器，與R1、R2一起調節(jié)多謝振蕩器的頻率并控制其脈沖占空比，用三端穩(wěn)壓器7809代替VD5，其余元件不變，修改后圖形如圖3所示。2.2 總體方案的優(yōu)勢555定時器結構簡單、使用范圍寬、總做速度快、定時精度高、驅動能力強，消除了與非門的競爭冒險，更適合用在此電路中。三端穩(wěn)壓器的電容C1用于抵消輸入線較長時的電感效應，以防止電路產生自激振蕩。電

12、容C2可以消除高頻噪聲，比普通穩(wěn)壓器更適合。 同軸電位器與R1、R2一起可以調節(jié)時間使燈光每隔0.110s自動變換顏色。2.3 參數(shù)的計算 （RW+ R1+RW+ R2）/RW+ R1+2（RW+ R2）=60%；069RW+ R1+2（RW+ R2）C3=10;069(R1+2 + R2)C3=0.1;得到：R1=5.1K R2= 2K RW=1MC1=10f C2=100f C3=330nf C4=910nfR3=R4=R5 =（VH-Ug）/It,取VH=5V，則R=402.4 仿真 圖2-2 計算機仿真第三章 單元電路的設計3.1 電源變換電路此電路由220v交流電壓經變壓器降壓，Vd

13、1Vd4橋式整流濾波后，一路供彩燈回路用電；另一路經7809穩(wěn)壓C2濾波后，為控制電路提供約5V的穩(wěn)定直流電。穩(wěn)壓電路濾波電路整流電路電源變壓器 圖3-1 直流穩(wěn)壓電源的方框圖 圖3-2 電源變換電路圖3.2 調色時鐘脈沖發(fā)生電路555定時器與外圍元件構成一個時鐘脈沖發(fā)生電路，555定時器構成多謝振蕩器完成對振蕩產生的脈沖進行整形，由引腳3輸出。燈光變色由多諧振蕩器工作頻率確定。 圖 3-3 調色時鐘脈沖發(fā)生電路3.3 燈光變色控制電路圖 3-3 燈光變色控制電路cd4518加法計數(shù)器將多謝振蕩器送來的正脈沖進行二進制編碼，并使Q1Q4輸出端的狀態(tài)發(fā)生組合循環(huán)變化。CP端輸入一個時鐘脈沖時，其

14、Q1 輸出高電平，VS1受觸發(fā)導通，H1通電發(fā)出紅光；當?shù)诙€時鐘脈沖到來時， Q2端輸出高電平，VS2受觸發(fā)導通，H2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，VS1、VS2均觸發(fā)導通， H1、H2同時通電點亮，根據(jù)混光原理，燈箱對外變黃色；發(fā)出綠光；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 、Q3端均輸出低電平，H1、H2、H3全部熄滅片刻；同時Q4端輸出高電平，其信號直接送入清零端R，使電路復位；第九個時鐘脈沖送入時，

15、循環(huán)上述過程。3.4 負載電路圖 3-4 負載電路燈泡、晶閘管、電阻構成負載電路。晶閘管在此處用于控制燈的亮滅，當高電平時，晶閘管一旦導通，門極失去控制作用，當電壓低于導通電壓時，期間恢復阻斷狀態(tài)，從而控制燈的狀態(tài)。第四章 使用元件及介紹4.1 設計所需的元件：CD4518（雙BCD同步加法計數(shù)器）1個； 555定時器1個；晶閘管（KP5）3個；同軸電位器 1個；二極管4個；紅、綠、藍燈泡（12V，8W）各一只；導線若干電容： 10f 2個；100f 1個；330nf 1個；910nf 1個；電阻 ：5.1k 1個；2k1個；4.2 元件具體介紹4.2.1 555定時器各腳主要功能：1地 GN

16、D 2觸發(fā) 3輸出 4復位 5控制電壓 6門限(閾值） 7放電 8電源電壓Vcc圖4-1 多諧振蕩器及工作波形合適尺寸 實際尺寸 圖 4-2 555定時器電路結構4.2.2 cd4518：cd4518是一個雙BCD同步加法計數(shù)器，由兩個相同的同步4級計數(shù)器組成。cd4518引腳功能(管腳功能)如下：1CP、2CP：時鐘輸入端。1CR、2CR：清除端。1EN、2EN：計數(shù)允許控制端。1Q01Q3：計數(shù)器輸出端。2Q02Q3：計數(shù)器輸出端。Vdd：正電源。Vss：地。圖4-3 cd4518引腳圖CD4518是一個同步加計數(shù)器，在一個封裝中含有兩個可互換二/十進制計數(shù)器，其功能引腳分別為17和915

17、.該CD4518計數(shù)器是單路系列脈沖輸入（1腳或2腳；9腳或10腳），4路BCD碼信號輸出（3腳6腳；11腳14腳）。 CD4518控制功能：CD4518有兩個時鐘輸入端CP和EN,若用時鐘上升沿觸發(fā),信號由CP輸入, 此時EN端為高電平（1）,若用時鐘下降沿觸發(fā),信號由EN輸入,此時CP端為低噸平（0）,同時復位端Cr也保持低電平（0）,只有滿足了這些條件時,電路才會處于計數(shù)狀態(tài).否則沒辦法工作。 將數(shù)片CD4518串行級聯(lián)時，盡管每片CD4518屬并行計數(shù)，但就整體而言已變成串行計數(shù)了。需要指出，CD4518未設置進位端，但可利用Q4做輸出端。有人誤將第一級的Q4端接到第二級的CP端，結果

18、發(fā)現(xiàn)計數(shù)變成“逢八進一”了。原因在于Q4是在CP8作用下產生正跳變的，其上升沿不能作進位脈沖，只有其下降沿才是“逢十進一”的進位信號。正確接法應是將低位的Q4端接高位的EN端，高位計數(shù)器的CP端接USS。4.2.3 晶閘管：晶閘管(thyristor)是硅晶體閘流管的簡稱，俗稱可控硅（SCR），其正式名稱應是反向阻斷三端晶閘管。除此之外，在普通晶閘管的基礎上還派生出許多新型器件，它們是工作頻率較高的快速晶閘管(fast switching thyristor，F(xiàn)ST)、反向導通的逆導晶閘管(reverse conducting thyristor，RCT)、兩個方向都具有開關特性的雙向晶閘管(

19、TRIAC)、門極可以自行關斷的門極可關斷晶閘管（gate turn off thyristor，GTO）、門極輔助關斷晶閘管(gate assisted turn off thytistor，GATO)及用光信號觸發(fā)導通的光控晶閘管(light controlled thyristor，LTT)等。 第五章 單元電路的補充5.1 直流電壓的組成 前面已詳細由電源變壓器,整流電路,濾波電路,穩(wěn)壓電路,電源變壓器將電網電壓變成符合需要的交流電壓,次交流電壓經過整流后可獲得電子設備所需要的直流電壓,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.整流電路: 把交流電能轉換為直流電能的電

20、路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調速、發(fā)電機的勵磁調節(jié)、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成e2為正半周時，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構成e2、Dl、Rfz 、D3通電回路，在Rfz ，上形成上正下負的半波整流電壓，e2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構成e2、D2Rfz 、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負的另外半波的整流電壓。如此重復下去，結果在Rfz ，上便得到全波整流電壓。其波形圖和

21、全波整流波形圖是一樣的。從圖5-6中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整流電路小一半。三相橋式全控電路TR為三相整流變壓器，其接線組別采用Y/Y-12。VT1VT6為晶閘管元件，F(xiàn)U1FU6為快速熔斷器。TS為三相同步變壓器，其接線組別采用/Y-11。P端為集成化六脈沖觸發(fā)電路+24V電源輸出端，接脈沖變壓器一次繞組連接公共端。P1P6端為集成化六脈沖觸發(fā)電路功放管V1V6集電極輸出端，分別接脈沖變壓器一次繞組的另一端。UC端為移相控制電壓輸入端。濾波電路: 濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，

22、或與負載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復式濾波電路。濾波是信號處理中的一個重要概念。濾波分經典濾波和現(xiàn)代濾波。經典濾波的概念，是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個工程概念。根據(jù)高等數(shù)學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經典濾波器或濾波電路。電容濾波,電容器是一個儲能的倉庫,在電路中當有電壓加到電容兩端的時候,便對電容器充電,把電能存儲的電能再放出來,充電的

23、時候,電容器兩端的電壓逐漸升高,直接接近充電電壓時,放電的時候,電容器兩端的電壓逐漸降低,直到完全消失,電容器的容量越大,充電放電所需的時間越長,這種電容器帶兩端電壓不能突變的特性,正好可以用來承擔濾波任務.穩(wěn)壓電路:當電網交流輸入電壓e1由變壓器Tp變成電壓e2,經整流、濾波后向調整電路（穩(wěn)壓電路）輸送一個不穩(wěn)定的脈動的直流電源, 在輸入直流電壓和負載之間串聯(lián)入一個三極管，用三極管的管壓降代替穩(wěn)壓二極管電路中的穩(wěn)壓電阻R。當或變化引起輸出電壓變化時，的變化將反映到三極管的發(fā)射結電壓上，引起的變化，從而調整，以保持輸出電壓的基本穩(wěn)定。根據(jù)三極管所起的作用，稱為調整管。由于調整管與負載是串聯(lián)關系

24、，所以圖15-2-1稱為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。它主要由基準電壓、比較放大、取樣電路和調整元件組成。比較放大可以是單管放大電路、差動放大電路、集成運算放大器。調整元件可以是單個功率管，復合管或用幾個功率管并聯(lián)，取樣電路取出輸出電壓的一部分和基準電壓VREF比較。因或穩(wěn)壓電路輸出電流的變動而引起輸出電壓變化時,調整電路使保持原值或者只有極小的變動。調整電路中的調整管工作在線性放大區(qū)的稱為線性電源，工作在非線性區(qū)的則稱為開關電源。線性電源分為簡單穩(wěn)壓電路、并聯(lián)穩(wěn)壓電路、串聯(lián)穩(wěn)壓電路和集成化穩(wěn)壓電路。第六章 結論設計此課程,有幾個要點,首先是直流穩(wěn)壓電源的獲得,再就是循環(huán)控制電路,有時鐘電路,驅動電路,根據(jù)七彩循環(huán)燈,有七種色光燈和關閉狀態(tài),八種狀態(tài),選取芯片要有的選擇,本課程我選擇的是cd4518集成塊,還有555定時器,提供窄脈沖穩(wěn)定的時鐘信號,第三點是負載電路的設計,根據(jù)”三基色原理”,設計出混搭燈光,用cd4518實現(xiàn)對7種燈光色彩的控制,實現(xiàn)了循環(huán)裝飾燈的任務,再設計過程中考慮到經濟,結構簡單的原則,做的設計仍擁有許多改進之處.第七章 心得體會完成這次課程設計，我終于如釋重負，也有了強烈的成就感。剛開始，拿著選定的題目我不知如何入手，不知所措。畢竟課程設計不同于實驗課，電路圖都要自己設計。靜下心來，仔細分析題目，心中才有了點譜。電路設