简易灯光控制

1、l 广西科技大学简易灯光控制器杨宁 一、设计任务1. 课程性质电子设计与实践。2. 课程目的训练学生综合所学的模电、数电的基本知识，包括熟悉集成电路的引脚安排，各芯片的逻辑功能及使用方法，了解PCB电路板的画法，通过使用Multisim软件的仿真技术，独立完整地设计一定功能的电子电路，以及仿真和调试的综合能力。3. 设计要求要求依次点亮4个LED灯，每个LED灯亮1秒，灭3秒，同一时刻只有一个灯亮。4. 简易灯光控制器概述通过设计升压、稳压电路，由18650锂电池供电，产生稳定的5V电压供电路电源需要。控制系统的信号脉冲由两个555定时器产生，用555-A构成多谐振荡器兼斯密特电路，产生稳定的

2、高频方波；用555-B构成单稳态触发器电路，通过改变RC的值，产生稳定的1S暂态方波。然后通过555-A产生的高频方波信号对555-B产生的1S暂态方波进行高密度的实时采样，这样555-B就可以固定的产生稳定的1S高电平方波，再通过74LS04的一个反相器，即可构成1S固定定时的上升沿脉冲波形。最后以固定1S的上升沿脉冲输入，用74LS194移位寄存器实现4个LED灯达到设计要求的亮灭。二、设计思路1. 电源设计 要产生一个稳定可靠的脉冲信号，电源的稳定供给很重要。由于条件的限制，手上有的是一个3.7V的锂电池，不满足芯片5V供电的需要。因此设计了一个升压电路，采用XL6009直流型电压变换器

3、芯片，XL6009是常用的电压变换器芯片，其典型电路简单，容易控制输出电压等优点而受人欢迎。升压电路原理图如图1：图1图1中，DC为电池输入，S2为按键开关，最右侧即为升压电路。图中1、4引脚接电源，2是使能端（高电平有效），3端输出的是方波信号，做为开关，当3输出低电平时D1截止，电感L1作为储能元件储存电压，电容C3，R2与R3组成一个回路放电，使输出电压下降。当3输出高电平时，D1导通，电感L1向电容C3两端充电，输出电压升高。R2、R1是XL6009内部组成的电压放大器，作为负反馈稳定输出电压，由电阻R2、R1控制输出电压值，公式：Uout=1.25*(1+R2/R1)。我们需要10V

4、的电压，因此设置R2=7.5K，R1=1K。为了输出5V电压的稳定，还设计5V的稳压电路，用到7805芯片，同样的，7805芯片典型电路设计简单，价格便宜，是人们常用的稳压芯片。电路图如图2： 图2 电池实物图：2. 单稳态触发器设计部分 用到555定时器来产生，555定时器是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。555电路的工作原理555电路的内部电路方框图如图8-1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压器提供。

5、它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为VCC和VCC。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输出并超过参考电平VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于VCC时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。555定时器原理图如图3：图3 设计成的单稳态电路如图4：图4 图4为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。触发电路由C3、R4、D1构成，其中D1为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输

6、出端F输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经C3加到2端。并使2端电位瞬时低于VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C3开始充电，VC按指数规律增长。当VC充电到VCC时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出VO从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C3上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到做好准备。波形图如图5所示： 图5 暂稳态的持续时间tw（即为延时时间）决定于外接元件R3、C3的大小。tw=1.1R3C3 通过改变R3、C3的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电

7、器，并可以使用复位端（4脚）接地的方法来中止暂态，重新计时。此外尚须用一个续流二极管与继电器线圈反电势损坏内部功率管。 我们需要定时1S，因此计算的R3=91K，C=1UF。 仿真出来的示波器图如下： 由于1S定时时间很长，示波器很难看到一个周期的波形，如上图波形，为第二个上升沿的产生，看不到第一个，该波形是单稳态输出的波形通过74LS04反响后，才形成的1S输出上升沿，用来出发移位寄存器74LS194。 实物图如下图，波形为黄色部分：3. 多谐振荡器电路设计部分通过对555定时器的认识，为了方便，我们采用了555定时器设计电路构成多谐振荡器来产生稳定的方波，由此方波对单稳态1S定时实时采样，

8、电路设计如图6：图6如图6所示由555定时器和外接元件R1、R2、C1构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2、向C1冲电，以及C1通过R2向放电端Ct放电,使电路产生振荡。电容C1在VCC和VCC之间充电和放电，其波形如图7所示。输出信号的时间参数是T=tw1+tw2, t w1=0.7(R1+R2)C1, tw2=0.7R1C2 555电路要求R1与R2均应大于或等于1K,但R1+R2应小于或等于3.3M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率

9、输出能力。因此这种形式的多谐振荡器应用很广。图7如下： 因为产生方波只是用来采样，频率高一些即可，不需要特殊固定的频率，因此，出于器件方便原因，我们设计的方波波形图如图下图，周期约2ms：实物图如图：4. 移位寄存器实现LED亮灭部分用555定时器单稳态电路产生1S延时波，通过反相器74LS04即可构成1S延时的上升沿波形信号，可通过该1S上升沿触发移位寄存器74LS194实现4个LED一次亮灭，亮1S的功能。 74LS194的4位双向通用移位寄存器,其中D3、D2、D1、DO为并行输入端；Q3、Q2、Q1、Q0为并行输入端；SR为右移串入输入端，SL为左移串入输入端；S1、S0为操作模式控制

10、端；为直接无条件清零端；CP为时钟脉冲输入端。74LS194有5种不同操作模式：即并行送数寄存，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,寄存器正常工作时，=1。111送数CP上升沿作用后，并行输入数据送入寄存器。Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0此时串行数据（SR、SL）被禁止101右移串行数据送至右移输入端SR、CP上升沿进行右移。Q3Q2Q1Q0= Q2Q1Q0DSR110左移串行数据送至左移输入端SL、CP上升沿进行左移。Q3Q2Q1Q0= DSl

11、Q3Q2Q1100保持CP作用后寄存器内容保持不变。Q3Q2Q1Q0=QQQQ1保持Q3Q2Q1Q0=QQQQ把移位寄存器的输出反馈到它的串行输入端，就可以进行循环移位，如下图，把输出端Q3和右移串行输入端SR相连接，设初始状态Q3Q2Q1Q0=0001，则在时钟脉冲作用下Q3Q2Q1Q0将依次变为0010010010000001,可见它是一个具有四个有效状态的计数器，这种类型的计数器通常称为环行计数器。图9-1电路可以由各个输出端输出在时间上有先后顺序的脉冲，因此也作为顺序脉冲发生器。如果将输出Q0与SL相连接，即可达到左移循环移位。我们只需设计其循环右移即可，相应移动方向也很容易做到。电路

12、设计原理图如下图：如上图所示，A、B、C、D为初始值设定，相应输出为QA、QB、QC、QD，输出端为高电平则LED亮，因此设定A=1,B=0,C=0,D=0。循环右移，固把QD端接到SR端即可，由74LS194真值表可知，该电路不会自动发生移位，需要首先容初值，因此设计了一个自锁按钮开关J1，S0固定接到高电平，通过改变S1的高低电平，从而实现寄存器的送初值，和进行以为操作。为了防止电压太高，烧坏LED，在LED线路上加了电阻来分压。上升沿出发仿真图如下：由图知，当上升沿到达时，出发74LS194LED2亮，原来的LED1灭，亮的时间为1S，仿真时间过长，看不到，所以只能有这样的图像了。三、

13、整体电路图 Multisim仿真图：PCB原理图：四、 总体PCB电路图3D效果图：五、 整体实物图底部线路图： 六、元件清单七、分析与总结这几天实习，锻炼了我的电路设计能力和动手的能力，也使我通过亲身实践掌握了一些中规模集成器件的使用技巧与方法，而不仅限于书本上的理论知识，让我受益非浅。实习就是将理论付之于实践的过程，如何能更好地用自己的知识来实现实验的要求的功能，这不仅要看我们所学的知识是否扎实，更重要的是要有能把书本知识运用在实际电路中的能力。即便一个人理论知识非常充分，然而却缺乏动手能力，那也不过是纸上谈兵，没有多大的意义。本次数字电路课程设计就是很好的例子。同时，做实验时一定要细心、耐心，要有坚持的毅力。对于现在缺乏实践经验的我们来说，这是一个艰苦的过程。因为刚开始接触，可能对某些芯片及其用法不甚了解，于是，要在电路设计的环节，花费时间很多时间。但是如果自己通过翻阅资料，或者请教老师同学，努力了也坚持了下来，那么所掌握的，就不仅仅是课本上的简单理论，而是丰富的实践经验，这些经验对于以后的工作或学习将有很大的帮助。这次实验让我们又一次巩固并复习我们所学的数字电路逻辑设计这一门课程的知识，也为以后更深入的学习做了一个好的开端，是一次提升自我的实验。因为它不仅是一次锻炼动