刘清宾10彩灯控制器.docx

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刘清宾10彩灯控制器

数字电子技术课程设计

彩

灯

控

制

器

专业班级：

电信06-2班

姓　　名：

刘清宾　

学号：

320608030210

时间：

2007.1.10～2007.1.21

指导教师：

2007年1月21日

彩灯控制器课程设计任务书

1.设计目的与要求

设计一个彩灯控制器，要认真并准确地理解有关要求，独立完成系统设计，在双干线的路口上，交通信号灯的变化按照下面假定进行计时：

（1）多路彩灯（至少四路）;

（2）任何时刻彩灯闪烁，彩灯交替时间为1秒;

（3）能完成3种以上闪烁功能的切换。

2.设计内容

（1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；

（2）元器件及参数选择;

（3）电路仿真;

（4）SCH文件生成与打印输出;

3.编写设计报告

写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

4.答辩

在规定时间内，完成叙述并回答问题。

彩灯控制器

摘要：

本彩灯控制器可控制五路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭；然后再从另一头逐行递增点亮，递减熄灭；上述功能完成后，所有彩灯同时点亮，同时熄灭，呈闪烁状态，此后，循环这几种功能。

若将一定数量的彩色灯组合联接，就能营造出平面上色彩变化的场景，这比通常控制一条线上的色彩流动更加丰富绚丽。

本控制器采用数字集成块，外围元器件少、电路结构简单，只要元器件完好、装接无误，装后无须调试即可一举成功。

关键词：

控制器、彩灯、彩灯控制器、花样彩灯、设计、移位寄存器

1、引言

改革开放二十多年来,人们的物质和精神生活水平得到了极大的提高,生活变得日益幸富美满,多姿多彩,特别是经济发达的大都市,.不仅白天一派繁荣景象,其夜景更是五彩缤纷,到处霓虹闪烁,灯光沐浴下的都市亮如白昼,而更能引起人们注意的是来回闪烁的彩灯,这些彩灯五颜六色,亮暗有序、图案花样繁多。

往往引起人们驻足观看,使人留恋忘返,人置身其中,有种陶醉的感觉,每当夜幕降临时,按千百年来人们的生活习惯,应该万物俱寂了,然而此时眼中所看到的情景却是另一番天地,而这种美景的形成正是归功于各种各样的彩灯。

人们在欣赏赞叹之余，心中或许会冒出许许多多的问号,这么漂亮引人的灯饰是怎样做出来的?

也许你学了电子技术以后就不会感到那么奇怪了。

其实也没有那么神秘。

下面我们就来讲解一下它的工作原理和它是怎样制作出来的。

2、总体设计方案

2.1总体设计思路

根据设计要求：

“设计一个彩灯控制器，要认真并准确地理解有关要求，独立完成系统设计，在双干线的路口上，交通信号灯的变化按照下面假定进行计时：

（1）多路彩灯（至少四路）；

（2）任何时刻彩灯闪烁，彩灯交替时间为1秒；

（3）能完成3种以上闪烁功能的切换。

”所得这设计思路如下：

首先将普通市电经整流滤波，一路给整个控制电路供电，一路直接给晶闸管给彩灯供电，晶闸管组的各路控制信号由一电子开关控制电路提供。

用一个非门集成电路与一些外部元件组成振荡器，产生约3Hz的脉冲方波。

供给计数/时序分配电路作计数脉冲和数字电子开关控制电路的作移位脉冲。

同时用一个D触发器集成电路作电子开关控制电路的控制信号，使其能按设计要求的那样作一定的脉冲移位或保持。

至此，功能得以实现。

2.2部分电路功能实现

振荡器可由CD4069用一部分外接元件组成；计数/时序控制电路由CD4017为主要元件及外围电路与其它电路联合构成；触发器控制电路主要由D触发器集成电路CD40174构成；电子开关控制电路由CD4066组成。

2.3设计方框图

根据总体设计方案，画出总体方框图如图1所示：

图1总体方框图

3、总体原理图

图2总体原理图

4、部分电路原理分析

4.1.1　电源电路的实现

电源电路如下图3所示：

电路中的电阻器R1、电容器C1、C2、二极管VD1、VD2组成电源电路。

AC220V市电通过电源电路的降压、整流、滤波及稳压处理，变换成比较稳定的DC12V低压，为各晶体管和集成电路提供工作电压。

图3

4.1.2　振荡电路组成

振荡电路组成如下图4所示：

CD4069逻辑功能及引脚如图5所示，其中非门F1、F2和外接电阻R2、R3、电容C4构成多谐振荡器，产生约3Hz的脉冲方波，供给CD4017作计数脉冲和CD40174作移位脉冲。

R3、C4为振荡定时元件，调节这两个元件可改变振荡信号频率，从而控制彩灯色彩的流动速度，以呈现各种不同的视觉效果。

另外，CD4069的非门3还用作CD40174复位信号的倒相器。

CD4069为CMOS数字集成电路，是一种高输入阻抗器件，容易受外界干扰造成逻辑混乱或出现感应静电而击穿场效应管的栅极。

虽然器件内部输入端设置了保护电路，但它们吸收瞬变能量有限，过大的瞬变信号和过高的静电电压将使保护电路失去作用，因此，CD4069中未使用的非门F4、F5、F6的输入端{9}、{11}、{13}脚均接到Vss接地端，以作保护。

图4

4.2　总体电路原理分析

CD4069多谐振荡器输出端{4}脚送出的脉冲串，一路直接送入CD4017的计数脉冲输入端{14}脚。

CD4017为十进制计数/时序分配器，用于产生CD4066模拟开关切换的控制信号。

其引脚功能如图3所示。

Cr为复位端，当Cr端输入高电平时、计数器置零态。

CD4017具有自动启动功能，即在电路进入无效状态时，在计数脉冲作用下，最多经过两个时钟周期就能回到正常循环圈中，因此本控制器的CD4017未设置加电复位电路。

Co为进位输出端，当计数满10个时钟脉冲时输出一个正脉冲。

CD4017有CL和EN两个计数输入端，CL端为脉冲上升沿触发端，若计数脉冲从CL端输入，则EN端应接低电平；EN端为脉冲下降沿触发端，若计数脉冲从EN端输入，则CL端应接高电平，否则禁止输入计数脉冲。

取自CD4069的计数脉冲从其CL端{14}脚输入，故EN端{13}脚接地。

Y0～Y9为计数器的十个输出端，输出端送出的脉冲方波通过隔离二极管VD3～VD12连接成两路控制信号，加到模拟开关CD4066。

当第一个计数脉冲到来时，CD4017内电路翻转，{3}脚Y0呈高电平，经二极管VD5加到CD4066{12}脚。

CD4066为双向模拟开关，其引脚功能如图2c所示，内部含有A、B、C、D四个独立的模拟开关，本控制器使用了其中B、D两个开关。

每个开关有一个输入端和一个输出端，这两端可以互换使用。

B开关的输入端{11}脚与电源相连、接入高电平；D开关的输出端{8}脚接地；由于两个开关接成串联形式，B开关的输出端{10}脚与D开关的输入端{9}脚相连，作为高、低电平的切换点。

另外，CD4066的{12}脚和{6}脚分别为开关B、D的选通端，输入高电平时、开关闭合；输入低电平时开关断开。

开关B在其选通端{12}脚输入的高电平作用下，接通{11}脚和{10}脚，{10}脚变为高电平。

与此同时，CD4017其余各输出端Y1～Y9均为低电平，于是CD4066开关D的选通端也为低电平，开关D关断，这样不影响{10}脚的电平状态。

CD4066{10}脚输出的高电平信号直接送入D触发器CD40174的串行输入端{3}脚。

CD40174内部含有6个D型触发器，如图3所示。

本控制器将其中的5个连接成串行输入、并行输出的五位移位寄存器。

其中D6为最高位触发器，D2为最低位触发器（D1未用），依次排列。

每个触发器都有各自的输入端和输出端，高一位触发器的输出端Q与低一位触发器的输入端D相接，只有最高位触发器D6的输入端CD40174{3}脚接收脉冲信号。

CD40174{2}{4}脚、{5}{6}脚、{7}{11}脚、{10}{13}脚、{12}{14}脚分别为各相邻触发器输入端和输出端的连接点，作为五位寄存器的并行输出端。

各触发器的复位端连在一起，作为寄存器的总清零端。

寄存器工作前低电平复位有效，工作开始复位信号应跳变为高电平，并在工作期间一直保持。

复位信号是由电容器C3、电阻器R4及CD4069非门3构成的复位电路提供的。

在接通电源瞬间，电源电压经C3、R4微分成一个正脉冲，此脉冲通过非门F3倒相，从CD4069{6}脚输出，送入CD40174复位端{1}脚，用以完成寄存器工作前的置零任务。

随着时间的延续，C3充电结束，在其负极端形成一个稳定的低电平，经F3倒相后来满足寄存器工作期间的需要。

各触发器的时钟脉冲输入端也连接在一起，作为寄存器的移位脉冲输入端。

移位脉冲取自CD4069{4}脚的脉冲串，从CD40174{9}脚输入。

在第一个移位脉冲的上升沿，CD40174{3}脚输入的高电平信号移入触发器D6，寄存器的输出端状态由初始的“00000”变为“10000”，CD40174{2}{4}脚呈高电平。

此高电平经隔离电阻R11加到三极管VT1放大、再从其发射极输出，送入双向晶闸管VS1的控制极，驱动VS1导通，第Ⅰ路彩灯因其电流回路形成而被点亮。

与此同时，寄存器其余的四个输出端均为低电平，双向晶闸管VS2～VS5无驱动信号而阻断，所控制的四路彩灯Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ不亮。

当第二个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y1呈高电平。

此高电平从其{2}脚输出，经二极管VD4加到CD4066{12}脚。

保持开关B的接通，从而维持CD40174{3}脚串行输入端的高电平状态。

在第二个移位脉冲作用下，寄存器的输出状态由“10000”变为“11000”，CD40174{2}{4}脚、{5}{6}脚呈高电平，经三极管VT1、VT2放大，驱动晶闸管VS1、VS2导通。

这样在保持第Ⅰ路彩灯点亮的同时，第Ⅱ路彩灯相继被点亮，而其余三路彩灯则仍为熄灭状态。

当第三个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y2呈高电平。

此高电平从其{4}脚输出，经二极管VD6加到CD4066{12}脚。

开关B继续接通，继续维持CD40174{3}脚的高电平。

第三个移位脉冲使寄存器的输出状态由“11000”变为“11100”，CD40174{2}{4}脚、{5}{6}脚、{7}{11}脚同时呈高电平，经三极管VT1、VT2、VT3驱动晶闸管VS1、VS2、VS3导通。

第Ⅰ、Ⅱ路彩灯继续点亮，第Ⅲ路彩灯又被点亮。

同理，当第四、五个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y3、Y4依次呈高电平。

CD4066保持开关B的接通，CD40174{3}脚维持高电平状态。

第四、五个移位脉冲使寄存器的输出状态依次为“11110”和“11111”，晶闸管在控制点亮前三路彩灯的基础上，又依次点亮了第Ⅳ、Ⅴ路彩灯。

 由此可见，五路彩灯是按逐行递增的方式点亮的。

当第六个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y5呈高电平。

此高电平从其{1}脚输出，经二极管VD3加到CD4066开关D的选通端{6}脚，接通{8}脚和{9}脚，从而使{9}脚接地。

同时，CD4017其余的计数输出端均为低电平，CD4066开关B因此而关断，以防止电源被接通的开关D短路。

由于CD40174{3}脚与CD4066{9}脚直接相连，于是CD40174寄存器的串行输入端变为低电平。

在第六个移位脉冲作用下，寄存器的输出状态由“11111”变为“01111”，CD40174{2}{4}脚输出低电平，三极管VT1截止。

晶闸管VS1失去触发信号，在交流电源过零瞬间自行阻断，第Ⅰ路灯熄灭。

而寄存器其余四路输出端的高电平，通过VT2、VT3、VT4、VT5和VS2、VS3、VS4、VS5继续控制第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四路彩灯点亮。

当第七个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y6呈高电平。

此高电平从其{5}脚输出，经二极管VD7加到CD4066{6}脚，保持{9}脚接地。

以维持CD40174寄存器串行输入端的低电平。

第七个移位脉冲使寄存器的输出状态由“01111”变为“00111”，CD40174{2}{4}脚、{5}{6}脚同时输出低电平，三极管VT1、VT2截止。

晶闸管VS1因无触发信号而维持其阻断状态；VS2因失去触发信号，在交流电源过零瞬间而阻断。

第Ⅰ、Ⅱ路彩灯熄灭。

而寄存器其余三路输出的高电平，依然控制第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三路彩灯点亮。

同理，当第八、九、十个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y7、Y8、Y9依次输出的高电平控制CD4066开关D的接通，维持CD40174寄存器串行输入端的低电平。

当寄存器的移位脉冲输入端依次接收到第八、九、十个脉冲时，寄存器的输出状态则依次为“00011”、“00001”、“00000”，第3、4、5位的低电平控制晶闸管VS3、VS4、VS5依次阻断，在第Ⅰ、Ⅱ路彩灯熄灭的情况下，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三路彩灯依次熄灭。

上述说明，五路彩灯是按逐行递减的方式熄灭的。

 当计数器CD4017计数满10个脉冲时，其进位端{12}脚输出一个正脉冲，直接反馈到其复位端{15}脚，使计数器复位，然后开始下一轮的计数过程，这样彩灯就周而复始地循环工作。

4.3　IC管脚功能

CD4066

CD4069

CD40174

CD4017

图5　IC管脚功能示意图

5、结束语

本电路可完成三种彩灯循环功能的转换，并能实现三种循环的正逆转换。

由于采用双向晶闸管来控制彩灯组，而双向晶闸管的控制是有其它电路来控制的，所以它可以使用较大功率的彩灯，实现比较强的彩色照明效果。

更能用于一些商业用途，实现比较大的利润。

并且绝大部分由集成电路来实现其功能，故功能比较稳定。

彩色灯选用电压为220V、功率为5W～25W的小型灯泡，由于受双向晶闸管的功率限制，每路灯总功率不要超过300w。

如果组合较复杂的图形，需要更多的灯泡，可选用额定正向平均电流较大的晶闸管。

彩色灯泡也可用相应功率的彩色灯串代替。

但是，也有一些不足之处，由于电源电路采用是简易电源形式，故电路板有带电的可能，非专业人士请不要轻易自行打开或修改电路。

至于此电路的其它不足之处，还有望有发现者能给予指出。

6、心得体会

通过将近两周的课程设计，我感觉有很大的收获：

首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时实习也段练了我个人的动手能力：

能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。

能对protel99仿真软件操作，能达到学以致用。

通过此次课程设计让我能够亲身参予电子产品的设计师使我更加深深地体会到：

现代的社会是信息的社会，很多与人们生活紧密相关的产品都是电子产品比如决定现代社会发展方向的电脑以及几乎每个同学都拥有的收音机等等无不说明电子产品的重要性。

作为一名电信专业已经大三的大学生，我认识到我不仅要学好课本上的知识，还要学会将所学到的知识联系并应用到现实生活中，做到理论联系实际。

今天终于到了尾声了。

在这一个多星期中，我查了很多资料，尤其是对PROTEL的学习，它让我又一次锻炼了自己。

通过对课程设计的制作让我熟悉了数电的相关知识和PROTEL的了解。

在设计和学习中，我遇到了很多问题，但是经过与同学的交流和自己的思考，克服了种种困难。

虽然自己所设计的很简单，但是所学到的却很多。

虽然这一次时间比较紧张。

但经过认真学习，真的积累了经验和知识。

通过这次的课程设计，我更加深刻的理解了书本上的内容，也更深刻的体会到了理论要联系实际。

为在以后的学习中我要学会正确的处理好理论与实践的关系，把自己学到的知识用到实践中去，用来解决生活中的问题，真正做到学以治用。

我现在掌握的知识还不是太多，我要在今后的学习中更加努力的学习更多的科学文化知识，然后用到以后的实践中去。

我深刻地体会到理论联系实际的重要性。

把所学的知识运用到时际中，解决实际问题，需要有综合与创新能力。

因此，在这次课程设计中，我的这两个能力得到充分的培养。

不但巩固了以前学到的知识，而且学到了许多课外知识，掌握了protel软件的应用，学会了相关材料的检索以及加强了计算机应用能力等。

6、参考文献

[1]康华光.电子技术基础（数字部分）第四版.北京：

高等教育出版社，2000年。

[2]黄继昌.数字集成电路应用300例.人民邮电出版社

[3]《中国集成电路大全》编写委员会.中国集成电路大全CMOS集成电路.北京：

国防工业出版社，1985年。

[4]　阎石.数字电子技术基础（第四版）.北京：

高等教育出版社，1989年