七彩循环装饰灯控制器课程设计教材.docx

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设计课题:七彩循环装饰灯控制器课程设计专业班级:姓名:学号:设计时间:2014年月号-2015年月号目录绪论2第一章设计思路41.1设计目的41.2设计内容及要求41.3控制器电路的工作原理4第二章总体方案的设计72.1总体方案的设计72.2总体方案的优势72.3参数的计算72.4仿真8第三章单元电路的设计93.1电源变换电路93.2调色时钟脉冲发生电路93.3灯光变色控制电路103.4负载电路11第四章使用元件及介绍124.1设计所需的元件：124.2元件具体介绍124.2.1555定时器124.2.2cd4518：134.2.3晶闸管：14第五章单元电路的补充15第六章结论17第七章心得体会18参考文献20绪论七彩灯的实际应用该灯电路设计新颖，结构简单，成本低廉，趣味性强，可用在宾馆、酒楼作广告灯，也适用作节日彩灯。系19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。数字电路与模拟电路相比有显而易见的稳定性。近年来，数字电路又有了巨大的发展。可编程逻辑器件（PAL、GAL等）的发展和普及最终使IC的设计面向了用户（这是模拟电路无法做到的），而这毫无疑问会给用户带来巨大的便捷，从而奠定它在电子电路中的对位。随着集成技术的进一步提高，各种新技术的出现和应用，人类历史横跨数码时代向更进一步发展已出现在各大型相关企业的宏伟蓝图中。新世纪里谁掌握了新技术谁就得到了获胜的资本，也仅仅是资本而矣。新世纪里电子行业的发展速度令人窒息，闻名的摩尔定律更把许多人威吓在门外。可以展望，一个由数字构成的新世界即将出现。利用控制电路可使彩灯（例如霓虹灯）按一定的规律不断的改变状态，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电（与全部彩灯始终全亮相比）。近年来，随着人们生活水平的较大提高，人们对于物质生活的要求也在逐渐提高，不光是对各种各样的生活电器的需要，也开始在环境的幽雅方面有了更高的要求。比如日光灯已经不能满足于我们的需要，彩灯的运用已经遍布于人们的生活中，从歌舞厅到卡拉OK包房，从节日的祝贺到日常生活中的点缀。这些不紧说明了我们对生活的要求有了质的飞跃，也说明科技在现实运用中有了较大的发展。在这一设计中我们将涉及有关彩灯控制器的设计，从原理上使我们对这一设计有所了解。将其确实与我们相联系起来。七彩灯循环控制的要求使三基色灯顺序产生其中色光，且能自动循环。要求控制器能长年通电使用，性能可靠。要求画出完整的设计电路图，计算电路各元器件参数。第一章设计思路1.1设计目的1熟悉七彩循环装饰灯控制器电路的组成、工作原理和设计方法。2掌握多谐振荡器、触发器、计数器的工作原理、使用方法、特点、用途及主要参数的计算方法。3熟悉集成电路CD4011、555定时器、CD4518、晶闸管、整流、滤波电路的组成、工作原理、特点及用途。1.2设计内容及要求1.2.1设计题目：设计一个七彩循环装饰灯控制器电路。各基本单元电路的设计条件和技术指标如下：a整流滤波电路正弦信号输入电压：220V，50Hz；整流滤波电路输出电压：12V，分压输出（供集成电路用）：5V,要求采用集成稳压器。b调色时钟脉冲发生和灯光变色控制电路时钟脉冲振荡频率：灯光每隔0.1s～10s自动变换一种颜色，脉冲占空比：60%。灯光变色控制电路：采用同步加法计数器。输出的高电平应满足晶闸管控制电平的要求。2负载电路红、绿、蓝3基色灯：12V，8W。晶闸管：最大反向电压≥1.414U2。3要求控制器能长年通电使用，性能可靠。4要求画出完整的设计电路图，计算电路各元器件参数，写出设计总结报告。5集成电路采用CMOS系列。1.3控制器电路的工作原理七彩循环装饰灯控制器电路的功能框图如图1-1所示。脉冲整形电路脉冲整形电路调色时钟脉冲发生电路负载电路灯光变色控制电路调色时钟脉冲发生电路负载电路灯光变色控制电路直流电源直流电源图图1-1七彩循环装饰灯控制器功能框图七彩循环装饰灯控制器电路的参考原理图如图2所示，它由电源变换电路、调色时钟脉冲发生电路、灯光变色控制电路和负载电路组成。其中H1、H2、H3是被控“3基色”灯泡。接通电源，220V交流电经变压器降压、VD1～VD4桥式整流和滤波后，一路供彩灯回路用电；另一路经R1降压限流，VZ稳压，VD5隔离和C1滤波后，为控制电路提供约5V的稳定直流电。ICI与外围元件构成一个时钟脉冲发生电路，其中与非门G1、G2以及RP、R3和C2组成多谐振荡器；IC2由G3、G4构成基本SR触发器，对振荡产生的脉冲进行整形，然后由G4输出送到IC3的时钟脉冲CP端。H2H3H1VD2VD1H2H3H1VD2VD1绿蓝红R1C2Rp+四题电路图RLU0U1~220VCU2绿蓝红R1C2Rp+四题电路图RLU0U1~220VCU2IC28W╳3VS1162R2IC28W╳3VS1162R2VS263VDDENG3G2G1Q4VD5R3&&VS263VDDENG3G2G1Q4VD5R3&&Q1&U2~220VU1Q1&U2~220VU1IC1VS347RDQ2VZR4IC1VS347RDQ2VZR4IC351SAVD4C1R5&IC351SAVD4C1R5&8CPQ3G4VD38CPQ3G4VD3图图1-2七彩循环装饰灯控制器电路原理图IC3是一块有双同步加法计数器功能的CMOS集成电路，由与非门G4送来的正脉冲在其内部进行二进制编码，并使Q1～Q4输出端的状态发生循环组合变化。其逻辑真值表见表1-1。从真值表中可以看出，当IC3的CP端输入一个时钟脉冲时，其Q1输出高电平，VS1受触发导通，H1通电发出红光；当第二个时钟脉冲到来时，当IC3的Q2端输出高电平，VS2受触发导通，H2通电发出绿光；当第三个时钟脉冲到来时，当IC3的Q1、Q2端同时输出高电平，VS1、VS2均触发导通，H1、H2同时通电点亮，根据混光原理，灯箱对外变黄色；发出绿光；依次类推，IC3的Q1、Q2、Q3端有8种逻辑状态，可使“三基色”灯顺序产生7种色光（红、绿、红+绿=黄、蓝、红+绿=紫、绿+蓝=青、红+绿+蓝=白）来。当第八个时钟脉冲到来时，IC3的Q1、Q2、Q3端均输出低电平，H1、H2、H3全部熄灭片刻；同时IC3的Q4端输出高电平，其信号直接送入清零端R，使IC3的内部电路复位；第九个时钟脉冲送入IC3时，循环上述过程。表1-1CD4518真值表CP时钟输出CP时钟输出12345678Q110101010Q201100110Q300011110Q400000001电路中，灯光变色由与非门G1、G2组成的多谐振荡器工作频率确定，其工作频率由公式f=1/0.69(RP+R2)C2来估算。调节RP阻值，可使灯光每隔0.1s~10s自动变换一种颜色。闭合开关SA，与非门G1的控制输入端由高电平变为低电平，振荡停止工作，变色灯停留在上述8个状态中的某一个状态。可以用此控制器制成形式多样、功能不一样的变色壁灯、变色吸顶灯、变色灯柱、变色广告牌等，但必须改变电源的输出功率，必须考虑“3基色”灯泡色彩混合问题。安装时，彩灯H1～H3固定在灯罩内，其它元件安装在一个小塑料盒内。将RP电位器和定色开关S固定在小塑料盒的面板上，以便调控。另外在焊接CMOS集成电路Cd4518时，电烙铁要可靠接地，以防损坏集成块。第二章总体方案的设计H2H3H1VD2VD1H2H3H1VD2VD1RWWWWW绿蓝红四题电路图RLU0U1RWWWWW绿蓝红四题电路图RLU0U1~220VCU2R18W╳3VS1162R18W╳3VS116248736555521VS263VDDENQ4R348736555521VS263VDDENQ4R37809Q1U2~220VU17809Q1U2~220VU1C27VS34RDQ2R4C27VS34RDQ2R4C1R2VD4IC35R5C1R2VD4IC35R5VD3CP8Q3VD3CP8Q3C4C3C4C3图2-1总体设计图2.1总体方案的设计利用555定时器构成多谐振荡器代替原图中的多谐振荡器。如图Rw是同轴电位器，与R1、R2一起调节多谢振荡器的频率并控制其脉冲占空比，用三端稳压器7809代替VD5，其余元件不变，修改后图形如图3所示。2.2总体方案的优势555定时器结构简单、使用范围宽、总做速度快、定时精度高、驱动能力强，消除了与非门的竞争冒险，更适合用在此电路中。三端稳压器的电容C1用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡。电容C2可以消除高频噪声，比普通稳压器更适合。同轴电位器与R1、R2一起可以调节时间使灯光每隔0.1～10s自动变换颜色。2.3参数的计算（RW+R1+RW+R2）/[RW+R1+2（RW+R2）]=60%；0．69[RW+R1+2（RW+R2）]C3=10;0．69(R1+2+R2)C3=0.1;得到：R1=5.1KΩR2=2KΩRW=1MΩC1=10μfC2=100μfC3=330nfC4=910nfR3=R4=R5=（VH-Ug）/It,取VH=5V，则R=40Ω仿真图2-2计算机仿真第三章单元电路的设计3.1电源变换电路此电路由220v交流电压经变压器降压，Vd1～Vd4桥式整流滤波后，一路供彩灯回路用电；另一路经7809稳压C2滤波后，为控制电路提供约5V的稳定直流电。稳压电路滤波电路……整流电路电源变压器稳压电路滤波电路……整流电路电源变压器图3-1直流稳压电源的方框图图3-2电源变换电路图3.2调色时钟脉冲发生电路555定时器与外围元件构成一个时钟脉冲发生电路，555定时器构成多谢振荡器完成对振荡产生的脉冲进行整形，由引脚3输出。灯光变色由多谐振荡器工作频率确定。图3-3调色时钟脉冲发生电路3.3灯光变色控制电路图3-3灯光变色控制电路cd4518加法计数器将多谢振荡器送来的正脉冲进行二进制编码，并使Q1～Q4输出端的状态发生组合循环变化。CP端输入一个时钟脉冲时，其Q1输出高电平，VS1受触发导通，H1通电发出红光；当第二个时钟脉冲到来时，Q2端输出高电平，VS2受触发导通，H2通电发出绿光；当第三个时钟脉冲到来时，Q1、Q2端同时输出高电平，VS1、VS2均触发导通，H1、H2同时通电点亮，根据混光原理，灯箱对外变黄色；发出绿光；依次类推，Q1、Q2、Q3端有8种逻辑状态，可使“三基色”灯顺序产生7种色光（红、绿、红+绿=黄、蓝、红+绿=紫、绿+蓝=青、红+绿+蓝=白）来。当第八个时钟脉冲到来时，Q1、Q2、Q3端均输出低电平，H1、H2、H3全部熄灭片刻；同时Q4端输出高电平，其信号直接送入清零端R，使电路复位；第九个时钟脉冲送入时，循环上述过程。3.4负载电路图3-4负载电路灯泡、晶闸管、电阻构成负载电路。晶闸管在此处用于控制灯的亮灭，当高电平时，晶闸管一旦导通，门极失去控制作用，当电压低于导通电压时，期间恢复阻断状态，从而控制灯的状态。第四章使用元件及介绍4.1设计所需的元件：CD4518（双BCD同步加法计数器）1个；555定时器1个；晶闸管（KP5）3个；同轴电位器1个；二极管4个；红、绿、蓝灯泡（12V，8W）各一只；导线若干电容：10μf2个；100μf1个；330nf1个；910nf1个；电阻：5.1kΩ1个；2kΩ1个；4.2元件具体介绍4.2.1555定时器各脚主要功能：

1地GND2触发3输出4复位5控制电压6门限(阈值）7放电8电源电压Vcc图4-1多谐振荡器及工作波形图4-2555定时器电路结构4.2.2cd4518：cd4518是一个双BCD同步加法计数器，由两个相同的同步4级计数器组成。cd4518引脚功能(管脚功能)如下：

1CP、2CP：时钟输入端。

1CR、2CR：清除端。

1EN、2EN：计数允许控制端。

1Q0～1Q3：计数器输出端。

2Q0～2Q3：计数器输出端。

Vdd：正电源。

Vss：地。图4-3cd4518引脚图CD4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～{15}.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；{11}脚～{14}脚）。

CD4518控制功能：CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发,信号由CP输入,此时EN端为高电平（1）,若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低吨平（0）,同时复位端Cr也保持低电平（0）,只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态.否则没办法工作。

将数片CD4518串行级联时，尽管每片CD4518属并行计数，但就整体而言已变成串行计数了。需要指出，CD4518未设置进位端，但可利用Q4做输出端。有人误将第一级的Q4端接到第二级的CP端，结果发现计数变成“逢八进一”了。原因在于Q4是在CP8作用下产生正跳变的，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。正确接法应是将低位的Q4端接高位的EN端，高位计数器的CP端接USS。4.2.3晶闸管：晶闸管(thyristor)是硅晶体闸流管的简称，俗称可控硅（SCR），其正式名称应是反向阻断三端晶闸管。除此之外，在普通晶闸管的基础上还派生出许多新型器件，它们是工作频率较高的快速晶闸管(fastswitchingthyristor，FST)、反向导通的逆导晶闸管(reverseconductingthyristor，RCT)、两个方向都具有开关特性的双向晶闸管(TRIAC)、门极可以自行关断的门极可关断晶闸管（gateturnoffthyristor，GTO）、门极辅助关断晶闸管(gateassistedturnoffthytistor，GATO)及用光信号触发导通的光控晶闸管(lightcontrolledthyristor，LTT)等。第五章单元电路的补充5.1直流电压的组成前面已详细由电源变压器,整流电路,滤波电路,稳压电路,电源变压器将电网电压变成符合需要的交流电压,,次交流电压经过整流后可获得电子设备所需要的直流电压,因为大多数电子电路使用的电压都不高,这个变压器是降压变压器.整流电路:把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，结果在Rfz，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。三相桥式全控电路TR为三相整流变压器，其接线组别采用Y/Y-12。VT1~VT6为晶闸管元件，FU1~FU6为快速熔断器。TS为三相同步变压器，其接线组别采用△/Y-11。P端为集成化六脉冲触发电路+24V电源输出端，接脉冲变压器一次绕组连接公共端。P1~P6端为集成化六脉冲触发电路功放管V1~V6集电极输出端，分别接脉冲变压器一次绕组的另一端。UC端为移相控制电压输入端。滤波电路:滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经典滤波和现代滤波。经典滤波的概念，是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。电容滤波,电容器是一个储能的仓库,在电路中当有电压加到电容两端的时候,便对电容器充电,把电能存储的电能再放出来,充电的时候,电容器两端的电压逐渐升高,直接接近充电电压时,放电的时候,电容器两端的电压逐渐降低,直到完全消失,电容器的容量越大,充电放电所需的时间越长,这种电容器带两端电压不能突变的特性,正好可以用来承担滤波任务.稳压电路:当电网交流输入电压e1由变压器Tp变成电压e2,经整流、滤波后向调整电路（稳压电路）输送一个不稳定的脉动的直流电源,在输入直流电压和负载之间串联入一个三极管，用三极管的管压降代替稳压二极管电路中的稳压电阻R。当或变化引起输出电压变化时，的变化将反映到三极管的发射结电压上，引起的变化，从而调整，以保持输出电压的基本稳定。根据三极管所起的作用，称为调整管。由于调整管与负载是串联关系，所以图15-2-1称为串联型稳压电路。它主要由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件组成。比较放大可以是单管放大电路、差动放大电路、集成运算放大器。调整元件可以是单个功率管，复合管或用几个功率管并联，取样电路取出输出电压的一部分和基准电压VREF比较。因或稳压电路输出电流的变动而引起输出电压变化时,调整电路使保持原值或者只有极小的变动。调整电路中的调整管工作在线性放大区的称为线性电源，工作在非线性区的则称为开关电源。线性电源分为简单稳压电路、并联稳压电路、串联稳压电路和集成化稳压电路。第六章结论设计此课程,有几个要点,首先是直流稳压电源的获得,再就是循环控制电路,有时钟电路,驱动电路,根据七彩循环灯,有七种色光灯和关闭状态,八种状态,选取芯片要有的选择,本课程我选择的是cd4518集成块,还有555定时器,提供窄脉冲稳定的时钟信号,第三点是负载电路的设计,根据”三基色原理”,设计出混搭灯光,用cd4518实现对7种灯光色彩的控制,实现了循环装饰灯的任务,再设计过程中考虑到经济,结构简单的原则,做的设计仍拥有许多改进之处.第七章心得体会完成这次课程设

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