七色广告灯箱控制器设计.docx
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七色广告灯箱控制器设计
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。
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
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D1~D4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,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iL以及电压vL的波形都是单方向的全波脉动波形。
图2-2波形分析
2.2NE555内部框图,工作原理
555定时器由3个阻值为5kΩ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。
图2-3NE555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=1/3VCC。
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2-1NE555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
+18V
600mW
-10—+70℃
军用-55—+125℃
-65—+150℃
300℃
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NE555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vⅰ=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vⅰ=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。
图2-5多谐振荡器电路的脉冲图
由公式
T1=(R1+R2)Cln2
T2=R2Cln2
T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2
得出当占空比为50%时,T1约为223s,T2约为162s,即周期T为385s。
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
图2-6计数器示意图
表2-274LS160逻辑功能表
CLK
Rd’
LD’
EP
ET
工作状态
X
0
X
X
X
置零
↑
1
0
X
X
预置数
X
1
1
0
1
保持
X
1
1
X
0
保持
↑
1
1
1
1
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`=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。
图2-774160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
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,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2-3BT136-600参数
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)
<10mA
3工作电路及分析
图3-1工作电路
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,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1~11分钟之间。
4仿真电路
图4-1555定时器仿真电路
图4-2555定时器仿真电路波形分析
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
VD1~VD4IN4007×4交流变直流
1
固定电阻
4K、5K、20K、100K、187K
10
可变电阻
20K、1M
2
电容
0.01μF、470μF、
3
NE555
定时器
2
74160N
计数器
1
74LS10N
3-3输入与非门
1
晶体三极管
VT1~VT42N2222×4
4
双向可控硅
BT1~BT3BT136-600×3
3
灯
L1~L3Lamp220V30W白、红、绿
3
光敏三极管
PHOTO_TRANSISTOR_RATED
1
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。
通过本次广告灯箱控制器的设计,不但使我更加熟悉了数字电子课的知识,而且让我知道了在课本上没有的东西。
通过查找资料图书,上网搜索,掌握了制作循环控制器的方法和原理,了解了可控硅的工作原理和使用方法,懂得了用可控硅开关控制强电的方法。
此次课程设计意义很大,不但让我懂得了以前没有理解的东西,而且使我明白学习知识的意义。
通过画图和仿真不但使我更深的理解了课上学的知识,还提高了独立思考和动手能力。
通过本次课程设计,使我知道我现在所学到的知识还远远不够,在实际操作中有很多问题还不能解决,所以我要在今后的学习中更加努力,学好本专业的