个一组共组循环彩灯设计方案.docx
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个一组共组循环彩灯设计方案
河南城建学院
电子技术基础课程设计报告
循环彩灯控制器
姓名:
学号:
专业班级:
指导老师:
所在院系:
电气与信息工程学院
2014年6月19日
摘要
19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。
随着人们生活环境的不断改善和美化,在许多场合可以看到彩色流水灯。
LED彩灯由于其丰富的灯光色彩,低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用,用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。
但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现,电路结构复杂、功能单一,这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮,不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间。
因此,在原有的基础上改进,设计这款彩灯循环彩灯控制器,通过对NE555集成时基电路和计数器/译码分配器CD4017等集成块的合理组建,实现了对彩灯的循环控制功能。
动态霓虹灯应该聚而不散、不能为了追求“跳跃”而给人凌乱的感觉,不管采用何种色彩,何种图案,都应该有顺序地渐变和跳跃,给受众一种秩序感,主次感、并便于受众顺着有规律的节奏接着看第二次、第三次。
在设计制作时,既要给人以变幻的吸引力,又要主次分明,没有色彩和图案紊乱的感觉。
变换、闪烁、跳跃式的霓虹灯为促进销售,为营造欢乐、多姿多彩的生活正越来越受到人们的重视与欢迎。
本文主要介绍了由CD4017与555多谐振荡电路组成的循环彩灯控制器,提出要求后,然后设计方案,根据方案设计电路,中间有详细分部分介绍电路,电路的原理,制作方法以及由此产生的一些问题,和调试过程,并记录下仿真与实际的循环过程,最终得出自己的结论与心得。
关键词:
CD4017计数脉冲分配器555定时器
目录
1.概述.................................................................3
1.1市场调查分析.....................................................3
1.2意义.............................................................3
2.系统总体方案及硬件设计...............................................4
2.1设计要求........................................................4
2.2设计思路........................................................4
2.3元器件介绍......................................................5
3.各模块设计...........................................................8
3.1单元电路设计....................................................8
3.2电路分析........................................................9
4.软件仿真............................................................11
4.1分别对各部分电路仿真...........................................11
4.2电路的调试.....................................................15
4.3结果分析.......................................................15
5.课程设计体会........................................................16
参考文献..............................................................17
附录一................................................................18
附录二................................................................19
1概述
循环彩灯控制器的需求分析是产品设计及生产的首要前提,通过分析来了解该产品的市场需求。
根据市场的需求来完善其功能,以满足市场需要。
1.1市场调查分析
根据市场需求的调查显示,许多商业广告、公益广告、娱乐场所等,大多采用循环彩灯控制器的形式。
它们通过巧妙构思与创作,做到广告、彩灯等作品色彩鲜艳,富有创意,变化形式丰富,起着宣传和美化环境的作用,营造文明亮丽氛围,总体来说彩灯控制电路运用极其广泛。
1.2意义
在当今,科技迅速发展,人们的生活水平提高了,在这基础上,消费普遍增长,为满足消费者的需求,供人们消费的地方迅速扩长。
彩灯的应用也成为其中不可或缺的一部分。
依据需求,应用彩灯控制原理来实现不同场所的氛围环境,充分突出其作用。
循环彩灯在很多方面起着装饰、美化等多种效果。
随着时代的发展和社会的进步,电子技术已经普及到我们的生活、工作和科研等各个领域。
而在当今的各种文艺演出场所,如舞厅、剧院等,灯光控制是一项重要的工作。
那些五彩斑斓、变化不定的灯光能有效地烘托演出气氛,突出主题。
循环彩灯的电路很多,循环方式更是五花八门,而且有专门的可编程彩灯集成电路。
绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的。
也随着技术的不断更新以及人们对其的追求,在彩灯控制这一领域得到很大的发展,不同种类的、不同形状的、最新的等应运而生。
促使彩灯控制领域迅速发展,使其得到更广泛的应用。
2系统方案及硬件设施
2.1设计要求
(1)共有红、绿、黄3色彩灯各9个,要求安一定顺序和时间关系运行
(2)动作要求:
先红灯,后绿灯,再黄灯,分别按0.5S的速度跑动一次,然后,全部红灯亮5S,再黄灯,后绿灯,各一次。
以此循环。
2.2设计思路
方案一:
提供的元件主要有CD4017——十进制计数脉冲分配器,NE555定时器
实现方案框架图如下所示:
图2.2方案框架图
该任务要求:
先红灯,后绿灯,再黄灯,分别按0.5S的速度跑动一次,然后,全部红灯亮5S,再黄灯,后绿灯,各一次。
以此循环。
根据此要求电路总体上可以分为三部分:
一部分电路为控制0.5s的跑动,一部分电路为控制5s的跑动,一部分电路为实现这两种跑动的循环。
因此可以选用一个555多谐振荡器(周期为0.5秒,然后使用4017实现分频,使周期为5秒)用来控制跑动的速度,再选两个4017芯片,因为4017芯片在正常工作下,连续送入时钟脉冲时,其十个输出端会依次输出高电平,这样可以用一个4017芯片点亮0.5s的跑动,用一个4017芯片来点亮5s的跑动。
因为这两个周期恰好为10倍关系,故5s周期的4017的Q0端口可以实现控制0.5s周期的4017的开通与关闭,选用一个9014NPN改装成非门从而来实现循环功能,即用9014来控制4017芯片的开通和关闭,最后加上复位电路即可实现实验目的。
方案二:
①27个彩灯分组,红灯每三个分为一组,绿灯每三个为一组,黄灯每三个为一组,共九组。
②需要一个555多谐振荡器,实现0.5s的跑动频率。
③需要两个加法计数器和一个译码器,两个74161计算器组成一个三十九进制的计算器,输入0.5s的脉冲源,计数器输出端接一个7442译码器,译码器输出端接彩灯。
④计数器从00000000开始计算,00000000到00001000分别控制三种颜色的灯亮0.5s,00001001到00010000控制红灯亮5s,绿灯、黄灯同理,一直计数计算到00100101,清零循环。
由于这个方案设计起来需要大量的门电路,而且连线非常多,所以最终选择方案一。
2.3元器件介绍
a.CD4017真值表
表一CD4017真值表
b.CD4017应用
1.用一个CD4017制作的彩灯电路如图1所示。
图2.3.1CD4017彩灯电路图
c.555定时器的内部逻辑电路如下图所示:
图2.3.2555内部原理图
上图中TR为低触发端,TH为高触发端,Rd为清零端,CO为控制电压端,D是放电端,OUT是输出端,Vcc是电源端。
d.555定时器的逻辑功能表:
表2555逻辑功能表
输入
输出
0
X
X
0
导通
1
0
导通
1
不变
不变
1
1
截止
1
1
截止
e.555构成的多谐振荡器
图2.3.3(a)555构成的多谐振荡器电路图(b)电压波形图
555多谐振荡器的周期公式为
T=(R1+2R2)Cln2
555多谐振荡器的输出接口接到4017的CLK端口,将脉冲输送给4017。
3各模块设计
3.1单元电路设计
在整个电路中,其主要的组成部分有:
555定时器和4017芯片组成的3个一组0.5s依次跑动:
图3.1.1构成0.5s跑动电路图
(由于仿真时,设置的时间跟实际理论计算的不符合,故仿真时时间可能不是0.5s)
NE555定时器和CD4017芯片组成的9个一组持续亮5s:
图3.1.2构成5s跑动电路图
(由于仿真时,设置的时间跟实际理论计算的不符合,故仿真时时间可能不是5s)
NPN组成的一个循环电路:
(本来是要用hc4060+CD4013(D触发器,用它做2分频电路)+32768Hz的晶振组成秒定时,产生秒脉冲来做循环电路的,不过由于其中的芯片没接触过也比较复杂,所以就没用此方案,改为用NPN组成的循环电路。
)
3.2设计过程中各个单元的详细原理、电路图
第一部分电路:
实现3个一组红灯,后黄灯,再绿灯,分别依次跑动一次的电路,电路如下图:
图3.2.1三个一组红灯跑动电路图
此电路主要用到一个555多谐振荡器和一个4017芯片,4017芯片有十个输出端口,而每3个一组的灯都接一个4017的输出端口,这样可控制任务中的9组灯。
电路中的555多谐振荡器的输出端接4017的脉冲输入控制,555多谐振荡器不断的产生脉冲送入4017芯片的脉冲输入端,从而使4017芯片的输出端(01,02,03,04,05,06,07,08,09)依次为高电平,这样就控制彩灯不断的跑动!
第二部分电路:
用来实现全部9个一组红灯,再黄灯,后绿灯,各亮一次。
电路如下图:
图3.2.2九个一组红灯亮5s电路图
此电路主要用到一个555多谐振荡器和一个4017芯片,4017芯片有十个输出端,而每9个一组的灯都接一个4017的输出端(共接三个),这样可控制任务中的3组灯。
电路中的555多谐振荡器的输出端接4017的脉冲输入控制,555多谐振荡器不断的产生脉冲送入4017芯片的脉冲输入端,从而使4017芯片的输出端(01,02,03)依次为高电平,这样就控制3组指灯持续亮5s依次跑动循环!
第三部分电路:
用来实现两种的跑动不断循环。
此部分电路主要是用一个NPN改装成的非门来实现交替循环工作!
4软件仿真
4.1分别对各部分电路仿真
第一部分电路:
此电路用到一个555多谐振荡器和一个4017芯片,4017芯片有十个端口,而每三个一组的灯都接到一个4017的输出端口,这样可以控制9组灯,实现三个一组红灯,后绿灯,再黄灯分别跑动一次的电路,电路仿真图如下图:
图4.1.1三个一组红灯亮的电路仿真图
图4.1.2三个一组绿灯亮的电路仿真图
图4.1.3三个一组黄灯亮的电路仿真图
第二部分电路:
此部分电路主要用到一个555多谐振荡器和一个4017芯片,401有十个输出端口,而每九个一组的灯都接到一个4017的输出端(共接三个),这样可以控制三组灯用来实现全部9个一组红灯,再绿灯,后黄灯,各亮一次,电路仿真图如下图:
图4.1.4九个一组红灯亮的电路仿真图
图4.1.5九个一组绿灯亮的电路仿真图
图4.1.6九个一组的黄灯亮的电路仿真图
第三部分电路:
用来实现两种的跑动不断循环:
图4.1.7循环跑动电路九个红灯亮5s时仿真电路图
4.2电路的调试
焊接完成后,电路并没有按照预期的设计进行工作,然后进行调试,在调试过程中,找出了一下几个问题
1:
NPN与PNP的分别
最初发现第一部分电路并不工作,起15脚始终为高电平,大致判断出是非门出现问题,然后更换电阻并无问题,认为三极管出问题,然后进行资料查询,发现失误之处,应该使用9014,却用了9013,更换后发现非门仍然没有正常工作。
2:
基极在电路板上短路
然后检测电路方面的问题,发现基极通过电阻后电压接近于0,猜测出问题,然后验证出由于制作的失误导致电路板中NPN的基极和地线短路
3:
芯片管脚短路与断路
由于做完电路板后,并没有及时涂抹松香水,倒是氧化,从而倒是部分断路,在解决断路过程中,不小心导致部分短路,使用万用表测出,逐一解决。
4:
发光二极管烧坏
当解决以上问题后,观察灯并没有按照设计的亮,总有几个不发光,然后取下测量,发现可能在调试过程中导致烧坏。
4.3结果分析
当制作完成后,发现发光二极管按照预期的方式发亮(虽然由于仪器误差导致时间周期并没有按照预期的理想),先是按照顺序发光,然后同色的发光。
其中发光顺序如表格3
表格3循环彩灯亮时的真值表
单个灯亮时
3个灯亮时
100000000
100100100
010000000
010010010
001000000
001001001
000100000
000010000
000001000
000000100
000000010
000000001
5课程设计体会
这次电子课程设计是我们第一次做课程设计,所以对我们而言不仅十分有意义,而且也是个挑战。
它不仅仅让我们综合那些理论只是来运用到设计和创新,还让我们知道了一个团队凝聚在一起时所能发挥出的巨大潜能!
在这次课程设计中,我感触最深的就是需要查阅大量资料。
不仅有之前自己所学的课内知识,还要查阅大量还未学或者课外的知识。
另外,我发现,在学习过程中带着问题去学效率会高得多。
发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我以后的学习。
在设计过程中,我发现了自己的不足,我对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
可以总结为以下的几点:
1,对数字电路知识的巩固与提高,这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识,在整个实习过程中,都离不开对数字电路课程知识的再学习。
2,学会了理论联系实际。
3,学会了如何运用电路板、芯片、导线等组装各种功能的电路。
4,和同学的互相协作共同进步,在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题,请教同学或老师是很好的做法,节省时间也会从别人上上学到更多。
通过这次设计,我懂得了学习的重要性,了解到理论知识与实践相结合的重要。
参考文献
1.,康华光.《电子技术基础(数字部分)》.高等教育出版社.2008.01;
2.,邓勇、周铎、邓斌.《数字电路设计完全手册》.国防工业出版社.2004.06;
3.,阮祁忠、蔡声镇.《数字电路指南》.福建科学技术出版社.2004.01。
4.电子发烧友网站:
5.电子爱好者:
http:
//www.dia
附录一元件清单
型号
主要参数
数量
备注
CD4017
5V
3
555定时器
5V
1
二极管
DIODE
19
发光二极管
2.V
10
红,绿,蓝
磁片电容
103,104
4,1
电解电容
10u
2
电阻
68k,1k,10k
5
三极管
9014
1
附录二原理设计图
成绩评定·
一、评语(根据学生答辩情况及其论文质量综合评定)。
二、成绩
指导教师签字:
年月日
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