制作流水彩灯综述.docx
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制作流水彩灯综述
用PROG—110制作流水彩灯
摘要：
为了迎接和庆祝重大节日，许多单位都要利用彩灯或灯箱组成各种文字或图案对一些建筑进行装饰，实用证明，采用相应的自动开关电路对彩灯或灯箱加以控制，使其产生类似霓虹灯变化的“动感”效果。
本文介绍用PROG—110为主要控制元件制作的流水灯的原理、硬件组成、软件流程和设计制作的关键技术，该电路在功能上不仅能替代市面的工作流程的固定电路，而且能方便地通过改变其工作指令来改变其工作流程，实现多花样的工作方式，具有结构简单，制作容易，控制可靠。
关键词：
PROG-110；流程图；可编程控制器；节日彩灯；结构分析；主控电路；电路组成
第一章引言（绪论）
1.1PROG-110应用的现状
现时，在节日的时候，各种各样的彩灯遍布街头，五光十色，流光溢彩，非常的漂亮。
但是，市面上的彩灯的功能都有已固定，不能轻易改变（即其的控制运行方法都是固定的）的缺点。
1.2PROG-110应用的前景及本设计的特点
因此，可以自制一个可控制的流水彩灯，通过改变PROG—110的程序，不时地改变它的状态，让它以各种闪烁方式工作，这样，是不是很好看，很有趣味呢？
PROG-110是2000年新推出的新型元器件，它非常之小巧玲珑，并且和外电路的连接非常方便，因此，本例电子设计既简单又实用，又可锻炼制作思维。
第二章任务分析和方案设计
2.1任务分析
这里所设计的流水彩灯不单纯是几盏彩灯的轮流亮灭，而是采用普通发光二极管组合成“欢迎光临”四个字，所设计的流水彩灯所要实现的功能为：
首先，“欢迎光临”第一个字先亮，延时一秒，熄灭；第二个字接着亮，延时一秒，熄灭；第三个字，延时一秒，熄灭；第四个字又接着亮，延时一秒，熄灭。
然后，这四个字全部都同时亮并且延时5秒，再闪三次，最后四个字再同时亮5秒。
再循环。
2.2方案设计
彩灯控制电路准备由PROG-110可编程控制器、发光电路、电源电路和控制电路等组成。
具体方案如下：
（1）用PROG-110可编程控制器做主控元件，用其I/O接口P3、P4、P5、P6口所输出的电平，通过三极管驱动JRZ小型直流继电器控制彩灯的亮灭。
（2）发光电路则采用普通发光二极管通过串联分别组合成“欢”、“迎”、“光”、“临”四字。
（3）I/O接口的分配为：
P3（7脚）接“欢”字，P4（8脚）接“迎”字，P5（9脚）接“光”字，P6（10脚）接“临”字。
（4）电源电路则分为PROG-110可编程控制器的稳压电源和彩灯的供给电源。
PROG-110可编程控制器的稳压电源采用三端稳压集成电路LM7805等组成的直流5V稳压电源，而彩灯的电源则采用50V的直流电源。
第三章控制流程图及程序解释
3.1控制流程图
根据彩灯的控制要求和所需实现的功能，绘出如下流程图，如图1所示：
3.2程序及注释
[1]30P3口输出低电平“欢”亮
71延时1秒
00
00
31P3口输出高电平“欢”灭
40P4口输出低电平“迎”亮
71延时1秒
00
00
41P4口输出高电平“迎”灭
50P5口输出低电平“光”亮
71延时1秒
00
[14]00
51P5口输出高电平“光”灭
60P6口输出低电平“临”亮
71延时1秒
00
00
61P6口输出高电平“临”灭
71延时1秒
00
00
30P3口输出低电平“欢”亮
40P4口输出低电平“迎”亮
50P5口输出低电平“光”亮
60P6口输出低电平“临”亮
[28]75延时5秒
[29]00
00
31P3口输出高电平“欢”灭
41P4口输出高电平“迎”灭
51P5口输出高电平“光”灭
61P6口输出高电平“临”灭
71延时1秒
00
00
12若计数器当前值等于4，下跳19步
04否则顺序向下执行
19
30P3口输出低电平“欢”亮
40P4口输出低电平“迎”亮
50P5口输出低电平“光”亮
60P6口输出低电平“临”亮
71延时1秒
00
00
31P3口输出高电平“欢”灭
41P4口输出高电平“迎”灭
[50]51P5口输出高电平“光”灭
[51]61P6口输出高电平“临”灭
71延时1秒
00
00
07上跳17步
17
30P3口输出低电平“欢”亮
40P4口输出低电平“迎”亮
50P5口输出低电平“光”亮
60P6口输出低电平“临”亮
75延时5秒
00
00
31P3口输出高电平“欢”灭
41P4口输出高电平“迎”灭
51P5口输出高电平“光”灭
61P6口输出高电平“临”灭
71延时1秒
00
00
[71]00返回
第四章电路设计及电路原理分析
4.1PROG-110可编程控制器的结构及原理分析[1]
PROG—110是一种简易型可编程控制器，虽只有火柴盒大小，但它具备了计算机的全部要素。
运算器和控制器：
PROG—110的运算器和控制器在单片机芯片89C2051上；存储器：
PROG—110既有单独的可多次擦除和写入的存储器24C01，又有单片机芯片89C2051中的只读存储器ROM和随机存储器RAM；
输入设备：
改变地址的“↑”“↓”键和编写程序的“＋”“－”键；
输出设备：
两个数码管及其驱动电路，音乐输出口P7和输入输出口P1～P6。
因此，PROG—110具备了计算机必不可少的五大部分：
运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
PROG—110集编程、控制于一体，从而对PROG—110编程不需要任何其它设备，引几条外设线就能成为控制设备。
（1）PROG—110的引脚功能
PROG—110的引脚功能可参看图2，具体功能如下：
（A）输入/输出（I/O）引脚PROG—110有6个I/O口，它们分别是P1、P2、P3、P4、P5、P6，与之对应的引脚号是：
5、6、7、8、9、10。
作为输出口应用时，每个I/O口在输出高电平时可驱动四个TTL门电路，输出低电平时可吸收20mA电流，所以每一个I/O口都可以直接驱动LED发光二极管和小型继电器。
上电复位时各I/O口输出高电平。
（B）音乐输出端P7口是音乐输出口，对应引脚号是18号。
P7口可直接驱动压电晶体发声，外接三极管可驱动4欧姆或8欧姆扬声器发声，音域可从低八度的1到高八度的6。
外接三极管和扬声器的电路如图2所示。
（C）外部复位引脚
复位是指PROG—110对其内部的各硬件进行初始化，同时程序从第一条开始运行。
PROG—110本身具有上电复位功能，即只要一通电就自动复位，因此一般不必考虑复位问题，但有时在某种特殊应用场合需要人工复位，为满足这种需要，采用PROG—110的外部复位功能。
3号引脚是外部复位端，当电源正极接通时间大于2微秒，可以使PROG—110复位。
在电路中可以用外接开关SB5来实现，如图2所示。
（D）电源引脚
1号和20号引脚为电源正极，2号和19号引脚为电源负极，最低电压约3V，最高电压为5V。
（2）PROG—110的系统结构
PROG—110的系统结构可参看图3。
（A）用户程序显示器
用户程序显示器由2只LED数码管组成，用于显示用户编写的程序，它的显示范围为00—99，它只有在编程时才发光，在运行状态不发光。
（B）用户程序存储器
PROG—110的用户程序存储器由可多次擦写和写入的EEPROM存储器AT24C01组成，它可存入128步用户程序，如果EEPROM存储器采用的是AT24C02则可存入256步程序。
无论是AT24C01还是AT24C02，用户可对其进行一百万次以上的擦写。
存入的程序即使掉电也不丢失并可保存40年以上。
如果EEPROM存储器是AT24C01，用户还可自行将用户程序存储器更换为AT24C02，更换时只需将原芯片拔下，将新芯片照原样插入座内即可，其它不用改变。
需要注意的是，无论是AT24C01还是AT24C02，都没有必要单独擦除程序，只要写入新的程序，原来的程序就自动擦除了。
（C）计数器
PROG—110上有一个计数器。
计数范围为00至99，既可以进行加法计数也可以进行减法计数。
（D）定时器
PROG—110内部有一个定时器，定时范围为0.5秒至9秒，通过复用和与计数器连用可实现更长的延时。
（E）编程开关
SB1～SB4为编程开关，它们只在编程时应用。
SB1“↓”为键。
SB2为“↑”键。
SB3为“＋”键。
SB4为“－”键。
*按下“－”键（SB4）不松开，再接通电源，再松开“－”键，此时PROG—110进入编程状态，LED用户程序显示器显示第一条指令。
*点按“＋”键（SB3）可按数字增加方向改变指令内容，点按“－”键可按数字减少方向改变指令内容，指令内容从00至99单步或连续变化。
*点按“↓”键（SB1）一次，可显示下一个存储单元的程序内容。
点按“↑”键（SB2）一次，可显示上一个存储单元的程序内容。
关闭电源可退出编程状态。
4.2PROG-110可编程控制器常用指令及结构分析
PROG-110使用机器指令。
一条单步指令是一个二位的十进制数。
指令按步数分，有1步、2步、3步指令。
按功能分，指令可分八类，分别是：
返回指令、输入指令、跳转指令、计数指令、输出指令、延时指令、音乐指令、停止指令。
而按执行结构来分，指令则可分为顺序执行类指令、跳转执行类指令、分支执行类指令三类。
（1）顺序执行类指令
顺序执行指令只有一个入口，一个出口，执行完上一条指令后向下继续执行，它的流程图如图4（a）所示。
属于这一结构的指令有输出指令、延时指令、音乐指令、停止指令。
（A）输出指令
格式：
Y0
Y1
说明：
指令步数为1。
Y取值为1～6，对应控制的端口为P1～P6。
Y0的功能是使PY输出低电平，相当开关接通。
Y1的功能是使PY输出高电平，相当开关断开。
PROG-110开机后，默认输出状态为高电平，若执行输出指令状态翻转之后，在未接受新的输出指令前，将一直保持原有状态。
（B）延时指令
格式：
7T0000
说明：
指令步数为3。
T的取值为0～9。
其功能是延时T秒钟。
当T=0，延时为0.5秒；当T=1～9，延时为1～9秒。
这个指令从内部讲，是一个自循环结构，但从外部看，可作为顺序结构。
（C）音乐口输出指令
格式：
88D
说明：
指令步数为2。
D的取值为01～99。
这只是发音指令中的一条，功能是推动扬声器发Re音D/20秒。
若在该输出口接入一个RC电路，能使该端口输出信号通过三极管驱动小型继电器，使指令变成功能为：
输出+延时+输出关断这样一个顺序执行的组合指令。
（D）停止指令
格式：
09
说明：
指令步数为1。
功能是停止执行程序。
（2）跳转执行类指令
跳转执行类指令也是一个入口，一个出口，但执行跳转指令后，程序将向下或向上跳转一定的步数继续执行。
这类指令的流程图分别见图4（b）、（c）。
属于这一结构的指令有跳转指令、返回指令。
（A）跳转指令
格式：
07N
08K
说明：
指令步数为2。
N、K取值均为00～99。
07N的功能是向上跳转N步。
08K的功能是向下跳转K步。
（B）返回指令
格式：
00
说明：
指令步数为1。
返回到第一条指令继续执行。
返回同时，使计数器、计时器清零。
（3）分支执行类指令
分支执行类指令有一个入口，两个出口。
执行分支指令后，用一个条件进行判断，满足条件的，程序由分支口出来，向上或向下跳转一定的步数继续执行，否则执行下一条指令。
这类指令的流程图分别见图4（d）、（e）。
属于这一结构的指令有输入指令、计数指令、延时指令。
（A）输入指令
格式：
0XN00
0X00K
说明：
指令步数为3。
X取值为1～6，对应的端口为P1～P6。
N、K取值均为00～99。
0XN00的功能是，若端口PX=0，向上跳N步执行，否则依次向下执行。
0X00K的功能是，若端口PX=0，向下跳K步执行，否则依次向下执行。
（B）计数指令
格式：
12NK
13NK
说明：
指令步数为3。
N、K的取值均为00～99。
前一命令的功能是计数器+1，若值=N，下跳K步执行。
后一命令的功能是计数器-1，若值=N，下跳K步执行，否则均依次向下执行。
在跳转K步执行的同时，使计数器清零。
（C）延时指令
格式：
7TN00
7T00K
说明：
指令步数为3。
T的取值为0～9，当T=0，延时为0.5秒；当T=1～9，延时为1～9秒。
N、K的取值均为00～99。
前一命令的功能是，若延时到T秒，依次向下执行，否则上跳N步执行。
后一命令则是，若延时到T秒，依次向下执行，否则下跳K步执行。
（4）循环结构指令
循环结构指令并非一个单独的指令，而是由分支、顺序、跳转等指令组合而成的“集合体”。
它一般是一个入口，一个出口，当然也可以有多个出口。
循环有进就要能出，退出方式决定于循环采用了哪一种分支指令，由于分支有输入、计数、延时三种方式，故退出循环的方式也有三种：
用输入信号改变退出，用计数累加到定值退出，用延时时间到定值退出。
这三种循环结构示意图见图5（a）、（b）、（c）。
循环的内部结构也有两种，一种是“先判断、后执行”，如图5（a）、（b），另一种是“先执行、后判断”，图5（c）。
后一种结构更加简单，但至少会被执行一次，因而，一些场合无法使用。
除此之外，还有一种“死循环”结构，它一般由返回指令和其它程序指令组成，它的结构见图5（d）。
这类结构的程序，是无法退出的，要退出只有关闭控制器的电源才行。
（A）用改变输入信号退出循环
见图5（a）。
它由输入分支指令、顺序指令、向上跳转指令组成。
这种结构常用于电动机的“起动”、“停止”等控制。
（B）用计数累加到定值退出循环
见图5（b）。
它由计数分支指令、顺序指令、向上跳转指令组成。
这种结构常用于限定某一动作的重复次数，如交通指挥灯绿灯闪动5次。
（C）用延时时间到定值退出循环
见图5（c）。
它由延时分支指令、顺序指令组成。
这是“先执行、后判断”的结构。
这种结构常用于限定某一动作的延续时间，如交通指挥灯黄灯亮5秒。
由于输出电路在没有接受新的指令前，将保持原有状态，故不需要跳回到前面，把输出指令再重复执行一遍，因而，采用自循环结构的延时指令要更好一点。
4.3PROG-110可编程控制器主控电路图及电路分析
据电路要实现的功能，所选主要控制器件为PROG—110可编程控制器，因其具有灵活的可编程控制功能，能方便地实现所需要的功能。
本例制作要实现的是流水彩灯，接的灯较多，功耗较大，因此选择用继电器来控制彩灯的亮灭，以避免由于功耗过大所引起的PROG—110运行不稳定。
因此，采用三极管来驱动继电器，并在三极管基极与PROG—110之间串联一个1kΩ的限流电阻R；同时，在继电器两端并联一个反向的二极管。
和三极管相连接的继电器，二极管，电阻为PROG—110的外围驱动电路。
其中，电阻为限流用，继电器用于驱动外部连接的彩灯，而并联的二极管则是具有续流作用，可以防止继电器在关断的瞬间所产生的反向高压击坏元器件。
4.4PROG-110可编程控制器5V电源电路图及分析
由于PROG-110的运行需要稳定的电压。
所以，选用集成稳压块LM7805为其提供电源。
如图所示，图中LM7805为集成稳压块，其输入电压由市售的9V的变压器提供，经LM7805稳压后，在输出端便可以得到+5V的稳定电压，电路中的滤波电容为了防止电路在通断时产生的干扰而设的。
4.5彩灯电路图分析。
本例制作采用的彩灯是发光二极管，把二极管组合成为“欢迎光临”四个字。
发光二极管是一种将电能转换成光能的特殊二极管。
发光二极管具有体积小、工作电压低（1.5～3V）、工作电流小（10～30mA）、发光均匀稳定、响应速度快以及寿命长等优点。
图8为LED的几种典型的驱动电路，图中R为限流电阻，使流过LED的电流不致过大。
由图8（b）可知道，限流电阻R的估算公式为[3]：
式中，UF为LED的正向电压，约为1～2V；IF为正向工作电压电流；此公式也适用于交流驱动电路，其中VC是交流电压的有效值；对于脉冲驱动电路，当忽略三极管T的饱和压降时，仍可用该公式估算限流电阻R。
由此可见，发光二极管的亮度取决于流过它的电流。
使用LED时，必须正向偏置，还需串联限流电阻。
在交流驱动电路中，为避免承受反向高压，在其两端并联一个反接的二极管。
本设计为了最大地利用能源，采取发光二极管串联的办法。
由于本设计采用的直流电源是50V。
如图经测试，每盏发光二极管的最佳工作状态为10mA的电流，电压为2.1V。
所以一条支路最多只能串22盏发光二极管左右。
彩灯限流电阻的计算公式：
其中Uo是输入电压，n是LED的个数，UF是LED的正向电压。
但由于“欢迎光临”的每个字都不止用22盏发光二极管才能组成，所以只能把每个字都分割成两或三部分，并且每个支路都要串联一个限流电阻，然后再把这几部分并联起来合成一个字。
例如本设计把“欢”字分成了21和21只发光二极管两部分，各分支串联之后，再并联成为一个“欢”字。
为了使每个字都一样亮，须分别调整各限流电阻的阻值，之后我们采用标称电阻，把每个支路的电流都限制在10mA左右。
以下是限流电阻与LED个数的对照表：
电阻
2kΩ
1.8kΩ
1.6kΩ
1.2kΩ
800Ω
560Ω
LED
14个
15个
16个
18个
20个
21个
4.6彩灯电源电路原理分析
为了使彩灯工作在稳定的工作状态，彩灯电源采用了单相桥式整流电容滤波电路。
如图11所示：
桥式整流电路的工作原理如下:
e2为正半周时，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、D2、RL、D4通电回路，在RL上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D1、D3加正向电压，D1、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。
电路中构成e2、D1、RL 、D3通电回路，同样在RL上形成上正下负的另外半波的整流电压。
负载的直流电压为：
故负载的直流电流：
二极管的参数：
ID是每个二极管的平均电流，UDRM是二极管在截止时所承受的最高反向电压。
电容C1电路中是滤波作用，此电路主要利用电容两端电压不能突变的特性，使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联。
图11所示为单相桥式整流电容滤波电路，负载Rf两端并联了一个大容量的电容C。
电路的参数计算：
（1）输出直流电压Uo和直流电流Io
是该滤波电容的放电常数，式中T为交流输入电压的周期。
其输出直流电压常按如下公式估算：
UO=（1.1～1.2）U2
故负载上的直流电流为：
二极管的平均电流为：
变压器副边绕组的电流有效值为[2]:
I2=（1.5～2）Io
对于本彩灯电路的电源的参数设计定：
由于本彩灯电路要求直流电压Uo=50V，最大输出直流电流Io=100mA，交流电源电压U1=220V,频率f=50Hz。
如图11，所以：
变压器副边电压有效值为：
变压器的变比为：
取I2=2Io,得到变压器副边电流有效值为:
I2=2Io=2ⅹ100=200mA
因此，可选用220V/40V、20VA的交流变压器。
整流二极管的的平均电流:
二极管承受的反向最大电压为:
因此，可选IN4001硅整流二极管，其允许的最大整流电流为1A，最大反向工作电压为100V。
滤波电容的容量：
电容的耐压为：
可选择电容为100uF，耐压为100V的电解电容。
第五章装置与调试
首先看清电路原理图，然后把PROG-110的5V稳压电源，彩灯电源和PROG-110主控电路装在一块板上；而发光二极管组成的彩灯字部分则装在另外一块板上。
焊接LM7805集成块时要快，否则导致温度过高而损坏。
由于我用的是PNP管，C极是接地的；并且所有C极都需连到稳压电源的负极上。
整流桥一定要按图11所示的电桥形式连接，避免与电源变压器造成短路。
电解电容的焊接一定要分清正负极，否则可能造成电解电容爆炸。
焊接发光二极管时，其引脚先不要剪短，也不要搪锡，焊接时注意烙铁的温度和时间，烙铁温度过高或焊接时间过长，都有可能烫伤二极管的管芯，轻则降低发光效率；重则造成二极管开路，使其报废。
并且在焊接用二极管组成的字时应注意其极性，确保所有正极和所有负极都分别接正确。
焊接继电器时，先找到其常开和常闭触点，以免焊错。
各部分接好后（各部分电路之间暂不连接），就应对其进行调试，确保电路正常后才连接。
首先，用万用表测量集成电路LM7805的输出电压是否为+5V，若是，就正常；否则，说明LM7805有问题，更换后重试。
因为PROG-110只能在稳定的５Ｖ电压下工作。
然后在50伏的电源正极上串联一个可调电阻（阻值调到最大），然后分别接到各支路的正极上，看其是否亮；因各支路中的二极管是串联的，若不亮，检查其中二极管是否有虚焊、极性是否正确或者已损坏。
若为虚焊，重新焊好，再试；若还不行，则可以利用一个3V电池的正负极分别碰各个二极管的管脚，看是否亮，若还不亮，表明这个二极管已损坏，更换。
分别对各支路进行测试。
都正常后，然后在各支路中串联一个电流表，测其电流，用可调电阻把各支路电流均控制在10mA左右（即各字一样亮），测得此时各支路中可调电阻的确切阻值，并换上与之接近的标称电阻。
对三极管和继电器组成的主控驱动电路部分，把5伏电源的正负极接在继电器与三极管相接的一端和三极管的Ｃ极上，另外从电源负极处引一条线碰三极管的Ｂ极，若听到继电器发出轻微的“啪”一声，说明其正常；若无任何反应，此时，应分别测试各个元件的好坏，用万用表的１Ｋ档测量三极管的好坏；用X10档测量继电器的好坏。
因这部分元件较简单，坏了也就只有更换了。
接下来就是编程（软件的问题了），编程时应注意程序的易出错性，所以编程时，按每一步手要快且要轻；而且最好每隔10步左右就回头去检查一次，核对无误后再继续下一步程序。
这样便可以节省时间，减轻返工的麻烦。
在各部分电路都正常后，就可以把所有部分按电路图正确连接起来，最后上电测试，
都正常之后，这个电路就算完成了。
第六章元件清单
名称
代号
型号规格
数量
控制器
K
PROG—110可编程控制器
1
稳压块
W
LM7805
1
变压器
T
220V/40V20VA
1
三极管
BG
A1154
4
二极管
D
IN4001
8
继电器
J
DC5V-DC220V
4
电解电容
C
1000uF/25V、100uF/25V、100uF/100V
各1
电阻
R1～R4
1kΩ
4
电阻
R5～R7
800Ω
3
电阻
R8
560Ω
1
电阻
R9
1.2kΩ
1
电阻
R10～R12
1.6kΩ
3
电阻
R13
1.8kΩ
1
电阻
R14
2kΩ
1
开关
K
SW-B
1
发光二极管
LED
LED
162
电线
4米
电路板
万用电路板
5
第七章结论
本例电子制作极为简单，而且分立元件不多也不易损坏，且性能也非常可靠，调试也很简单。
又因为该PROG-110可编程控制器小巧玲珑、价格便宜
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