七彩灯——课程设计报告

1、七彩循环装饰灯控制的设计 20133949 尹佳 13级电气2班电子技术基础课 程 设 计题目名称： 七彩循环装饰灯控制的设计 指导教师： 申利平 学生班级： 级 班 学 号： 学生姓名： 评语： 成绩： 重庆大学电气工程学院 2015年7月3日摘 要七彩循环装饰灯的应用非常广泛，很多商业广告（如灯箱，节日彩灯，霓虹灯等）等采用循环装饰控制的形式。七彩循环装饰灯能按设计者的要求或快或慢地循环发出红、绿、黄、蓝、紫、青、白七色光，从而起到商业宣传和美化环境的作用，给城市增添了热闹气氛。是歌舞厅、酒吧、ktv、宾馆等场所的必备物品。本文主该要介绍如何利用数电模电的知识实现这个控制。七彩灯主要是依靠

2、光的叠加原理，利用光的三基色组合成其他颜色,实现七彩循环：红、绿、红+绿=黄、蓝、红+绿=紫、绿+蓝=青、红+绿+蓝=白。首先，我们利用555定时器构成多谢震荡电路，输出占空比为60%的矩形脉冲；然后，利用该矩形脉冲作为74ls160的时钟信号，使74ls160实现001111的计数，并利用该输出控制三极管的通断：输出低电平时，三极管输入电压小，处于断开状态，彩灯电路不导通，灯不亮；输出高电平时，三极管输入高电平，处于导通状态，led灯电路导通，灯亮；另外，利用变压器降压，桥式整流电路整流，电容滤波，最后用三端集成稳压器稳压，输出稳定的电压，并利用该电压给彩灯控制电路供电。通过仿真分析，验证了

3、我们的电路能实现七彩控制。最后，利用面包板和电路元件焊制电路。最后电路成功实现了七彩循环。事实证明，该设计电路简单、可操作，具有很大的实际意义。目 录一、设计目的- 2 -二、设计内容及要求- 3 -三、设计原理- 3 -（一）七彩循环装饰灯控制器电路的功能框图：- 3 -（二）直流稳压电源设计原理- 4 -1、 变压器降压- 4 -2、 桥式整流- 4 -3、 电容滤波- 4 -4、 稳压- 5 -（三）时钟脉冲发生器原理- 5 -（四）74ls160计数器（控制电路）- 6 -（五） 三极管工作原理（以NPN型为例）- 7 -（六）负载电路- 8 -四、设计步骤与参数计算- 8 -(一)直

4、流稳压电源的参数设计- 8 -1、 三端集成稳压器的选择- 8 -2、电容参数的计算- 8 -3、 整流二极管参数选择- 9 -4、变压器变比的计算- 9 -（二）555多谐振荡器参数计算- 9 -（三）控制电路的设计- 10 -（四）负载电路电阻的计算- 11 -五、 仿真分析- 11 -（一）整体仿真电路- 11 -（二）直流稳压电源的输出- 11 -（三）555多谐振荡器的输出- 12 -（四）74ls160的输出- 12 -（五）灯的闪亮- 12 -六、实物图- 13 -七、原件清单- 13 -八、心得体会- 14 -参考文献：- 15 -一、设计目的（一）熟悉七彩循环装饰灯控制器电路

5、的组成、工作原理和设计方法。（二）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。（三）熟悉集成电路CD4001、555定时器、CD40518、晶闸管、整流、滤波电路的的组成、工作原理、特点及用途。二、设计内容及要求（一）整流滤波电路1、正弦信号输入电压：220V，50Hz；2、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。（二）调色时钟脉冲发生和灯光变色控制电路1、时钟脉冲振荡频率：灯光每隔0.1s10s自动变换一种颜色。2、脉冲占空比：60%。（三）灯光变色控制电路1、采用同步加法计数器。2、输出的高电平应满足晶闸管控

6、制电平的要求。（四）负载电路1、红、绿、蓝3基色灯：12V，8W。2、晶闸管：最大反向电压 1.414U2。（五）要求控制器能长年通电使用，性能可靠。（六）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。（七）集成电路采用CMOS系列。 三、设计原理（一）七彩循环装饰灯控制器电路的功能框图：灯光变色控制电路负载电路脉冲整形电路调色时钟脉冲发生器直流电源（二）直流稳压电源设计原理1、 变压器降压 变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器。当变压器的原线圈接在交流电源上时，铁心中便产生交变磁通，交变磁通用表示。原、副线圈中的是相同的，也是简谐函数，表为=msint。由法拉第电磁感

7、应定律可知，原、副线圈中的感应电动势为e1=-N1d/dt、e2=-N2d/dt。式中N1、N2为原、副线圈的匝数。U1=-e1，U2=e2（原线圈物理量用下角标1表示，副线圈物理量用下角标2表示），其复有效值为U1=-E1=jN1、U2=E2=-jN2，令k=N1/N2，称变压器的变比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k，即变压器原、副线圈电压有效值之比，等于其匝数比而且原、副线圈电压的位相差为。进而得出：U1/U2=N1/N2。因此，理论上可利用变压器得到任意输出电压。2、 桥式整流 桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负

8、半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。因此，利用桥式整流器可将交流电压整为直流。3、 电容滤波 当整流输出的脉动的直流电压加在电容上,电压高时,对电容充电,电压低时,电容放电,使输出电压平稳。此时得到的输出电压近似直流。4、 稳压 利用三端集成稳压器稳压。（三）时钟脉冲发生器原理多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号（即没有输入信号）便能自动产生矩形脉冲。由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，所以称为多谐振荡器。多谐振荡器由555定时器和电阻、电容元件构成。555定时器功能表如图4所示。图4 555定时器功能表先将555定时器构成

9、施密特触发器，再将施密特触发器的输出端经RC积分电路接回到它的输入端，即可构成多谐振荡器。其电路构成及工作波形如图5所示。接通电源时，电容电压Vc=0,由功能表知，输出高电平，NMOS管截止。VDD通过电阻R2、R3给电容C2充电，充电时间常数为(R2+R3)C，电容上的电压Vc按指数规律上升；当Vc>2VDD/3时，有功能表知，电路输出低电平，NMOS管导通，电容C开始通过R3放电，放电时间常数约为R3C，Vc随之下降。当下降到Vc<VDD/3时，电路输出高电平，NMOS管截止，之后，电容开始充电。如此周而复始，形成自激振荡，输出矩形脉冲。图5 多谐振荡器电路图及工作波形图 多谐

10、振荡器产生的矩形脉冲作为后续的计数器电路的时钟信号，可以控制彩灯循环变化的速度，使彩灯发光时间各不相同，从而起到变速循环的效果。设计彩灯循环变化的周期为T=1.05S，脉冲占空比为=60%。（四）74ls160计数器（控制电路）该部分电路以三基色原理为基础，利用计数器74LS161的置数端LD实现计数功能，计数器从0001开始计数，到0111时，通过与非门对LD端输入一个低电平，从而使计数器重新从0001开始计数。74LS160是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具有异步清零、同步并行置数 、保持等功能。74LS160的引脚排列图和功能表如图6所示，CR是异步清零端，LD

11、是预置数控制端，D0，D1，D2，D3是预置数据输人端，P和T是计数使能端，C是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。74LS160具有以下功能：（1） 异步清零功能：当CR0时，不管其他输人端的状态如何（包括时钟信号CP），4个触发器的输出全为零。（2） 同步并行预置数功能：在CR1的条件下，当LD0且有时钟脉冲CP的上升沿作用时，D3，D2，D1，D0输入端的数据将分别被Q3Q0所接收。由于置数操作必须有CP脉冲上升沿相配合，故称为同步置数。（3）保持功能：在CR=LD1的条件下，当TP0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变（停止计数） 。（4）同步二进制计

12、数功能：当CRLDPT1时，74LS160处于计数状态，电路从0000状态开始，连续输入10个计数脉冲后，电路 将从1001状态返回到0000状态，状态表见下表。（5）进位输出C：当计数控制端T1，且触发器全为1时，进位输出为1，否则为零。 图6 74LS160的功能表和引脚排列图（5） 三极管工作原理（以NPN型为例） 三极管的结构如下 三极管是电子电路中最重要的器件，它最主要的功能是电流放大和开关作用。 在我们的电路中，主要利用三极管开关作用。 开关作用原理：三极管在饱和导通(发射结和集电结都是正偏置)时，其CE极间电压很小，比PN结的导通电压还要低(硅管在0.5V以下)，CE极间相当“短

13、路”，即呈“开”的状态。三极管在截止状态(发射结、集电结都是反偏置)时，其CE极间的电流极小(硅管基本上量不到)，相当于“断开(即关)”的状态。（六）负载电路负载电路主要由彩灯组成。当74LS160的输入端输入由555振荡器产生的脉冲时，输出端依次输出高电平时,根据输出高电平，二极管V1、V2、V3 依次导通，驱动彩灯也依次点亮，产生一种循环变化的效果。但是由于发光二级管所要求的额定电流较小，所以需要在发光二极管两端串联上一个较大电阻，用来保护发光二级管不被击穿。四、设计步骤与参数计算(一)直流稳压电源的参数设计1、 三端集成稳压器的选择因为led灯的额定电压是12V,，芯片的工作电源是5V,

14、故，选取lm7812和lm7805。2、电容参数的计算由电容计算公式： 可取：3、 整流二极管参数选择 流过整流二极管的平均整流电流等于负载直流电流的一半，即二极管承受的最大反向电压为根据上述的参数选择整流二极管 ，即 式中，和。是二极管的最大平均整流电流和最高反向工作电压参数。4、变压器变比的计算由于三端集成稳压器的输入端比输出端高3V左右能正常运行，故电容滤波后电压应为。根据经验公式，全波整流加滤波的输出电压应该是变压器输出电压的1.2倍，故变压器的输出电压为： ,留一定的余量，取15V。所以：（二）555多谐振荡器参数计算电容C取常用的10uF电解电容; （三）控制电路的设计1、 根据设

15、计要求写出真值表：（假设灯亮为1，灯灭为0）BGR0001001001001000110110100100010110101101100111111根据真值表可知，与红灯取值一致，与绿灯取值一致，与蓝灯取值一致，所以可直接利用74ls160的输出端控制彩灯。 Q1 输出高电平，V1受触发导通，红灯通电发出红光；当第二个时钟脉冲到来时，当IC3的Q2端输出高电平，V2受触发导通，绿灯通电发出绿光；当第三个时钟脉冲到来时，当IC3的Q1、Q2端同时输出高电平，V1、V2均触发导通， 红灯、绿灯同时通电点亮，根据混光原理，灯箱对外变黄色；依次类推，IC3的Q1、Q2 、Q3端有8种逻辑状态，可使“三

16、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端均输出高电平，红灯、绿灯、蓝灯全部点亮；同时IC3的Q1、Q2 、Q3端输出高电平，其信号直接送入置位端LD，使IC3的内部电路置位；第八个时钟脉冲送入IC3时，循环上述过程。2、 由测试可知74ls160输出的高电平为5V，而彩灯的额定电压为12V，不能直接控制彩灯，所以我们利用三极管来实现控制：将三极管的b接74ls160的输出端，c接led，e接地。即可利用三极管的通断来控制七彩灯。（四）负载电路电阻的计算用于显示用途的led灯，电流一般5-1

17、0mA。而电压为12V,红绿黄灯电压一般都在1.8V到2V，所以R=(12-2)/10=1K。5、 仿真分析（一）整体仿真电路（二）直流稳压电源的输出（三）555多谐振荡器的输出（四）74ls160的输出ABCD通道分别对应时钟脉冲、 （五）灯的闪亮六、实物图七、原件清单电气学院电子技术课程设计原件表题目： 七彩循环装饰灯 电气 02 班： 尹佳 谭棋 序号元器件名称基本参数数量替代元器件参数备注1变压器15W，变压比44:312二极管1N400741N40013电容10uF110nF1400uF1560uF14三端集成稳压器LM7812CT1LM7805CT15电阻1k630k160k165

18、55定时器LM555CM17同步加法计数器74LS160174LS1618三输入与非门74LS10174LS209三极管2N2102310彩色LED灯8W,12V,红色18W,12V,绿色18W,12V,蓝色111导线若干八、心得体会这一份设计主要可分为两个部分：直流稳压电源和七彩灯。直流稳压电源属于模拟电子技术的内容。对于一学期没有都接触模电的我们，其实模电知识都忘的差不多了，而这一次设计却给了我我们这样契机，“强行”让我们复习了一下模电知识，而且，不仅仅是复习了一下，对于模电的理解更是有了进一步加深，对于我们而言，它不再只是书本上的知识，也是具有现实意义的一门技术。七彩灯属于数字电子技术的内容，虽然简单，却涵盖了本学期数电的主