七色广告灯箱控制器设计说明

1、.综述这次数字电路课程设计的内容是设计七色广告灯箱控制器。 随着经济的发展、 社会的进步，广告的作用已经很重要。 但是传统的单一色彩的灯箱显得非常单调。 人们根据控制原理设计了可控制的七色广告灯， 七种色彩循环变化是广告显得华丽多彩， 更能吸引人们的目光。该系统的功能是： 用三种不同色彩的灯，组成七色循环变化的灯箱，而且该灯箱可实现白天自动关闭，晚上又自动开启的功能。随着科学的进步和社会的发展， 广告灯的设计会进一步完善。 积极地思考，利用科学知识设计出更加先进的灯箱控制器。.下载可编辑 .张清波：七色广告灯箱控制器设计1 设计思路及其框图1.1 设计电路的功能本次设计的目的是设计自动控制的七

2、色广告灯箱，其功能是用光敏电阻控制灯在白天自动关闭，到晚上自动开启。利用555 定时器产生 cp 脉冲给计数器，采用74160 计时器控制可控硅开关，达到灯七种彩色自动循环变化的效果。1.2 设计电路框图变压器光控开关脉冲发生器电流交V022灯双向可控硅开关计数器图 1-1 基本结构框图七色广告灯箱控制器的原理如图 2-1 所示。他主要由光敏开关、 脉冲发生器、 循环控制器。可控硅开关、 灯箱等部分组成。 采用光敏三极管控制循环控制器的开启和关闭。 用 555 定时器产生 cp 脉冲提供给循环控制器 （74160 计数器），循环控制器是由 10 进制同步二进制计数器 74160 变成的七进制计

3、数器。 控制器控制灯箱七种色彩灯循环变化。 灯箱由220v 交流电源供电2.2 各部分电路及其原理2.1 桥式整流原理介绍：图 2-1 桥式整流电路单相桥式整流电路如图所示，图中Tr 为电源变压器，它的作用是将交流电网电压vI变成整流电路要求的交流电压，RL 是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。在 v2 的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1 流向 RL ，再由二极管 D3 流回变压器，所以D1 、D3 正向导通

4、， D2、D4 反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图2-1 中实线箭头表示。在 v2 的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管 D2 流向 RL，再由二极管 D4 流回变压器，所以 D1 、D3 反偏截止， D2、D4 正向导通。电流流过 RL 时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图2-1 中虚线箭头所示。综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连， 使负载上始终可

5、以得到一个单方向的脉动电压。根据上述分析， 可得桥式整流电路的工作波形如图2-2 。由图可见，通过负载RL 的电流 i L 以及电压 vL 的波形都是单方向的全波脉动波形。.下载可编辑 .张清波：七色广告灯箱控制器设计图 2-2 波形分析2.2 NE555 内部框图，工作原理555 定时器由 3 个阻值为 5k 的电阻组成的分压器、 两个电压比较器C1和 C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器 G4组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。其中，1 脚为接地端； 2 脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6 脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4 脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压

6、低于0.7V ）可使 555定时器直接复位； 5 脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经 0.01uF 的电容接地，以防止引入干扰；7 脚为放电端， 555 定时器输出低电平时，放电晶体管 TD导通，外接电容元件通过TD放电； 3 脚为输出端，输出高电压约低于电源电压 1V 3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V 18V 范围内使用。4.图 2-3 NE555 内部框图555 定时器工作时过程分析如下：5 脚经 0.01uF 电容接地，比较器 C1和 C2的比较电压为： UR1=2/3VCC、 UR2=1/3

7、VCC。当 VI1 2/3VCC，VI2 1/3VCC时，比较器 C1输出低电平，比较器 C2输出高电平，基本RS触发器置 0，G3输出高电平，放电三极管 TD导通，定时器输出低电平。当 VI1 2/3VCC，VI2 1/3VCC时，比较器 C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555 定时器输出状态保持不来。当 VI1 2/3VCC，VI2 1/3VCC时，比较器 C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1， G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。当 VI1 2/3VCC，VI2 1/3VCC时，比较器 C1输出高电平，比较

8、器C2输出低电平，基本RS触发器置 1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。NE555极限参数：表 2-1 NE555 极限参数NE555极限参数电源电压允许功耗工作温度储藏温度最高温度+18V600mW-10 +70-65 +150300军用 -55 +125.下载可编辑 .张清波：七色广告灯箱控制器设计VCC5VR1187k R28U1VCC1MKey=A50%4RSTOUT37 DIS6 THR2TRI5CONC1C2GND1LM555CN470F0.01 F图 2-4脉冲信号发生器的原理图如图 2-4 所示， R1 和 C1 组成一个串联 RC充放电电路，在 NE55

9、5的 3 引脚上输出一个方波信号。当接通电源后， 因为电容上的初始电压为零， 所以输出电压为高电平， 并开始经电阻R1向电容 C1充电。当充电到输入电压为 v =Vt+时，输出跳变为低电平， 电容 C1又经过电阻 R1 开始放电。当放电至 v=Vt- 时输出电位又跳变为高电平，电容C1 重新开始充电。如此周而复始，电路便不停地振荡。其电压波形如图2-5 所示。6.图 2-5 多谐振荡器电路的脉冲图由公式T1=（ R1+R2）Cln2T2=R2Cln2T=T1+T2=(R1+2R)Cln2得出当占空比为50%时， T1 约为 223s， T2 约为 162s，即周期 T 为 385s 。.下载可

10、编辑 .张清波：七色广告灯箱控制器设计2.3 循环控制器的设计循环控制器是七色广告灯箱的核心，它使灯箱七种色彩循环变化。循环控制器由 74160 组成 7 进制计数器VCC5VU13AQA14413BQB512CQC611DQD7ENPRCO1510ENT9LOAD1 CLR2 CLK74LS160N图 2-6 计数器示意图U2A74LS10N8.表 2-2 74LS160逻辑功能表CLKRdLDEPET工作状态X0XXX置零10XX预置数X1101保持X11X0保持1111计数74160 为中规模集成的10 进制同步二进制计数器，具有加法计数功能之外，还有预置数、保持和异步置零等功能。当RD

11、=LD=EP=ET=1时，电路工作在计数状态，异步置零只要 Rd端为低电平，同步置数只要LD 端为低电平。本文采用同步置数功能，将74160变为七进制计数器。其状态转换图如图3-3 所示。001/0010/1/0111011/0/0110100/0101/0图 2-7 74160 状态转换图电路从 001 状态开始连续输入7 个计数脉冲时，在 111 状态由三相与非门输出0 返回给 LD端。使计数器工作在同步置数状态，达到循环的效果.下载可编辑 .张清波：七色广告灯箱控制器设计2.4 双向可控硅开关（1）简介双向可控硅又称为双向晶闸管。 普通晶闸管 (VS) 实质上属于直流控制器件。 要控制交

12、流负载，必须将两只晶闸管反极性并联， 让每只 SCR控制一个半波， 为此需两套独立的触发电路，使用不够方便。 双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的， 它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管， 而且仅需一个触发电路， 是目前比较理想的交流开关器件。 其英文名称 TRIAC即三端双向交流开关之意。（2）工作原理TRIAC为三端元件，其三端分别为 T1 ( 第二端子或第二阳极 ) ，T2 ( 第一端子或第一阳极 ) 和 G(控制极 ) 亦为一闸极控制开关，与 SCR最大的不同点在于 TRIAC无论于正向或反向电压时皆可导通， 其符号构造及外型， 如图 2-8 所示。因为它是双向元件，所以不管T1

13、,T2 的电压极性如何，若闸极有信号加入时，则T1 ,T2 间呈导通状态；反之，不加闸极触发信号，则T1 ,T2 间有极高的阻抗。图 2-8 双向可控硅结构原理图（ 3）本实验选取双向可控硅 BT136-600 作为电路连接元件，其主要参数如下：表 2-3 BT136-600 参数BT136-600断态重复峰值电压VDRM(Max)(V)600V反向重复峰值电压VRRM(Max)(V)600V额定正向平均电流IF(Max)(A)4A门极触发电流IGT(Max)(mA)<10mA10.3 工作电路及分析(1)U4MC7812BTLINEVREGR1VOLTAGECOMMON50%VD1VD

14、4IN4007 x4T2D220V16V413Q120k 2N2222Key=AR5R28U120k 4kVCC4RSTOUT37DIS6THR2 TRI5 CONGND1 LM555CNR48U2187k VCC(2)U3PHOTO_TRANSISTOR_RATED(1)(2)U1R63AQA14100k 4BQB135CQC126DQD117ENPRCO1510ENT9LOAD1CLR(3)2CLK74160NC30.01 F(4)(5)4RSTOUT7DIS6THR2TRI5CONGND1C10.01 FQ2R720k2N2222R820U2A74LS10NR920R105k3R31M5

15、0%Key=ALM555CNC2470FX1X2X3220 V220 V220 VD1BT136Q32N2222D2BT136Q42N2222D3BT136R11R125k5k(3)(4)(5)图 3-1 工作电路.下载可编辑 .张清波：七色广告灯箱控制器设计3.1 电路分析电路采用 220V 交流电源，经变压器变压得到 16V 交流电。后接由 4 个 IN4007 型二极管组成的桥式整流电路得到单方向脉动电压， 然后接一个 MC7812BT型三端稳压器得到 12V 稳定直流电压。白天时，光敏三极管阻值无限大，电阻 R1 分得电压很小， 555 定时器不工作。夜晚时，光敏三极管阻值很小，此时调

16、节 R1 能得到 +5V 直流电压使 555 定时器工作。上边的555 定时器输出端接一个晶体三极管，相当于一个开关，控制后面的电路是否导通；下边的 555 定时器是一个脉冲发生器，能发出矩形脉冲，通过调节电阻 R3可以改变矩形脉冲的周期。得到的矩形脉冲接到后面的74160 计数器上，使计数器实现计数功能。输出端QA、QB、QC通过一个 3-3 输入与非门 74LS10接回到指数端，使计数器实现001、010、011、100、101、 110、111 的循环计数功能，从而实现广告灯箱的颜色循环功能。如：当X1、X2、X3 分别为白、红、绿色灯时，输出001 时为白色显示， 010 时为红色显示

17、， 011 时为白、红显示， 100 时为绿色显示， 101 时为白、绿显示， 110 时为红、绿显示， 111 时为白、红、绿显示。计数器的三个输出端QA、 QB、QC后面分别接了三个晶体三极管，起电流放大作用，使有足够大的电流能驱动双向可控硅开关使交流电路导通，灯泡发亮。实际应用中，光敏三极管应安装在灯箱外面，但应避开日光照射， 其余元件安装在灯箱内部。 R1应在傍晚的适当时间调整，R3应根据每种灯光需要保持的时间而定，按照本电路选择的电阻阻值，其调节时间范围约在111 分钟之间。12.4 仿真电路图 4-1 555定时器仿真电路图 4-2 555定时器仿真电路波形分析.下载可编辑 .张清

18、波：七色广告灯箱控制器设计5 使用的元器件表 5-1 器件列表元件名称规格及用途数量变压器220/16 小型变压器 降压1桥式整流电路VD1VD4IN4007×4 交流变直流1固定电阻4K、5K、 20K、100K、 187K10可变电阻20K、1M2电容0.01 F、 470 F、3NE555定时器274160N计数器174LS10N3-3 输入与非门1晶体三极管VT1VT4 2N2222× 44双向可控硅BT1BT3 BT136-600 ×33灯L1L3 Lamp220V 30W 白、红、绿3光敏三极管PHOTO_TRANSISTOR_RATED114.心得体会经过一周的努力， 我终于完成了电子技术课程设计报告。