電氣課程設(shè)計(jì)--簡易彩燈控制電路

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　變換的彩燈已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚狞c(diǎn)綴。那么這些變化的燈光是如何控制的呢? 這就是我們下面要討論的課題——彩燈循環(huán)控制電路。</p><p>　　彩燈循環(huán)控制電路是用來使彩燈按照一定的形式和規(guī)律閃亮，起到烘托氛圍、吸引公眾注意力的作用，應(yīng)用較為廣泛。彩燈控制器的實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，本次設(shè)計(jì)的電路主要功

2、能有：（一）可以控制8路以上的彩燈；（二）可以組成四種以上的花形，每種花形連續(xù)循環(huán)兩次，各種花形輪流顯示。</p><p>　　本電路系統(tǒng)有四部分組成，分別是：</p><p>　　一、時(shí)鐘振蕩電路，有施密特非門、電阻及電容構(gòu)成（或555時(shí)基電路）；</p><p>　　二、分頻電路，由四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161組成，為D觸發(fā)器提供時(shí)鐘；</p>

3、<p>　　三、狀態(tài)機(jī)電路，有雙D觸發(fā)器組成；</p><p>　　四、移位顯示電路，由雙向移位寄存器74194和發(fā)光二極管組成，實(shí)現(xiàn)花形顯示。</p><p>　　本電路是在參考網(wǎng)上資料、數(shù)電書本外加本人思考、修改后完成的，是基于74系列簡單邏輯門電路的組合，實(shí)現(xiàn)簡易電子彩燈控制電路，具有電路設(shè)計(jì)簡單，成本低廉的特點(diǎn)。</p><p>　　第一章 設(shè)

4、計(jì)要求和主要內(nèi)容</p><p>　　閱讀相關(guān)科技文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)protel軟件的使用，學(xué)會(huì)整理和總結(jié)設(shè)計(jì)文檔報(bào)告，學(xué)會(huì)如何查找器件手冊(cè)及相關(guān)參數(shù)。技術(shù)上設(shè)計(jì)的電路可以控制8路以上的彩燈；可以組成四種以上的花形，每種花形連續(xù)循環(huán)兩次，各種花形輪流顯示。</p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)電路及工作原理</p><p><b>　　第一節(jié) 設(shè)計(jì)方案</b

5、></p><p>　　本電路系統(tǒng)分為四部分。第一部分，采用74HC06與電容電阻組成時(shí)鐘振蕩電路，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘。第二部分，采用四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161組成分頻電路，為D觸發(fā)器提供時(shí)鐘，為狀態(tài)機(jī)提供時(shí)鐘。第三部分，采用雙D觸發(fā)器74LS74組成狀態(tài)機(jī)電路，實(shí)現(xiàn)四種花樣的輪流顯示。第四部分，采用雙向移位寄存器74LS794組成一位輸出電路。</p><p><b>　

6、　第二節(jié) 基本原理</b></p><p><b>　　一、系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　二、系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　圖2-2 系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　三、系統(tǒng)

7、工作狀態(tài)圖</b></p><p>　　圖2-3 系統(tǒng)狀態(tài)圖</p><p>　　第三節(jié) 系統(tǒng)各部分工作原理</p><p>　　一、時(shí)鐘電路的工作原理</p><p><b>　　（一）時(shí)鐘方案一</b></p><p>　　圖2-4 時(shí)鐘電路</p><p&

8、gt;　　1、第一暫穩(wěn)態(tài)及電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的過程</p><p>　　假定在t=0時(shí)接通電源，電容C尚未充電，電路初始狀態(tài)為Vo1=Voh，Vi=Vo2=Vo1狀態(tài)，即第一暫穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，電源VDD經(jīng)G1給電容C充電，隨著充電時(shí)間的增加，V1的值不斷上升，當(dāng)V1達(dá)到Vth時(shí)，V01變低，V02變高，這一正反饋過程瞬間完成，使G1道童，G2截至，電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)，即V01=V01，V02=Voh。</p>

9、<p>　　2、第二暫穩(wěn)態(tài)及電路自動(dòng)翻轉(zhuǎn)過程</p><p>　　電路進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)瞬間，V02由OV上跳至Vdd。由于電容兩端電壓不能突變，則V1也將上跳至Vdd ,本應(yīng)該升到Vdd+Vth，但由于保護(hù)二極管的鉗位作用，V1僅上跳至Vdd。隨后電容C通過G2放電，使V1下降，當(dāng)V1降至Vth后，Vo1上升，V02下降，從而使G1迅速截至，G2迅速導(dǎo)通，電路又回到第一暫穩(wěn)態(tài)，V01=Voh。此后，電路

10、重復(fù)上述過程，周而復(fù)始的從一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在G2的輸出端得到方波。</p><p><b>　　（二）、時(shí)鐘方案二</b></p><p>　　圖2-5 555時(shí)基電路</p><p>　　555時(shí)基電路的電路結(jié)構(gòu)和8腳雙列直插式的引腳圖，由圖可知555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個(gè)部分組成

11、。它的各個(gè)引腳功能如下：</p><p>　　1腳：GND(或Vss)外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。</p><p>　　8腳：VCC(或VDD)外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5～16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3～18V。一般用5V。</p><p>　　3腳：OUT（或Vo）輸出端。</p><p>

12、　　2腳：TR低觸發(fā)端。</p><p>　　6腳：TH高觸發(fā)端。</p><p>　　4腳：R是直接清零端。當(dāng)R端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。</p><p>　　5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電

13、容接地，以防引入干擾。</p><p>　　7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。電阻分壓器由三個(gè)5kΩ的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端，比較器C2的參考電壓為1/3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放C1、C2組成。高電平觸發(fā)信號(hào)加在C1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作

14、為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號(hào)；低電平觸發(fā)信號(hào)加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號(hào)?；綬S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。</p><p>　　在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器C1、C2基準(zhǔn)電壓分別為2/3Vcc，1/3Vcc的情況下，555時(shí)基電路的功能表和相關(guān)參數(shù)如表下表所示：</p><p>　　圖2-6

15、 555時(shí)基電路</p><p>　　表2-1 555時(shí)基電路的功能表</p><p>　　二、分頻電路工作原理</p><p><b>　　圖</b></p><p>　　2-5 分頻電路</p><p>　　74161是四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器。其中1腳是一部清零端，9腳是與指數(shù)控制端，

16、P1,P2,P3,P4是預(yù)置數(shù)輸入端，CO是進(jìn)位輸出端，7腳和10腳是計(jì)數(shù)控制端。</p><p>　　表2-2 74161功能表</p><p><b>　　由其功能表可知：</b></p><p><b>　　1、異步清零</b></p><p>　　當(dāng)1腳接低電平時(shí)，不管其他輸入的轉(zhuǎn)臺(tái)如何，

17、計(jì)數(shù)器將被直接置零。</p><p><b>　　2、同步并行預(yù)置數(shù)</b></p><p>　　在1腳接高電平的條件下，當(dāng)9腳接低電平且有時(shí)鐘脈沖CLK上升沿作用時(shí)，P1,P2,P3,P4輸入端的數(shù)據(jù)將分別被Q1,Q2,Q3,Q4所接收。</p><p><b>　　3、保持</b></p><p&g

18、t;　　在1腳和9腳同時(shí)接高電平時(shí)，當(dāng)兩個(gè)計(jì)數(shù)使能端中有一個(gè)接低電平時(shí)，不管有無脈沖CLK的作用，計(jì)數(shù)器都將保持原來的狀態(tài)不變。</p><p><b>　　4、計(jì)數(shù)</b></p><p>　　當(dāng)9腳，1腳，7腳，10腳均接高電平時(shí)，74161處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。</p><p>　　當(dāng)時(shí)鐘電路給計(jì)數(shù)器十六個(gè)脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)位端進(jìn)1，促使D觸發(fā)器反

19、轉(zhuǎn)或截至。</p><p><b>　　三、狀態(tài)機(jī)電路</b></p><p>　　圖2-6 狀態(tài)機(jī)電路</p><p>　　狀態(tài)機(jī)電路有雙D觸發(fā)器組成。觸發(fā)器U1A的5腳與觸發(fā)器的U1B的11腳連接，從而實(shí)現(xiàn)U1A的16分頻和U1B的32分頻。</p><p>　　由D觸發(fā)器的功能表可知：當(dāng)CLK由低電平變?yōu)楦唠娖?/p>

20、（上升沿）時(shí)，觸發(fā)器發(fā)生反轉(zhuǎn)，Q=D。</p><p>　　表2-3 D觸發(fā)器的功能表</p><p>　　本電路中，假設(shè)開始U1A的5腳為高電平，則有U1B的11腳也為高電平：分頻電路十六拍進(jìn)位一次，促使觸發(fā)器U1A反轉(zhuǎn)，此時(shí)U1A的5角變?yōu)榈碗娖?，則U1B的11腳同時(shí)也變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)分頻電路經(jīng)過第二個(gè)十六拍時(shí)，再次進(jìn)位，U1A的5腳為高電平，而此時(shí)U1B的11腳也再次變?yōu)楦唠娖剑?/p>

21、過程中U1B的CLK引腳經(jīng)歷了一個(gè)上升沿，U1B出發(fā)。從而實(shí)現(xiàn)了四種花型的輪流變換。</p><p><b>　　四、移位輸出電路</b></p><p>　　圖2-7 移位輸出電路</p><p>　　集成移位寄存器74194由4個(gè)RS觸發(fā)器及它們的出入控制電路組成。其中S1和S0是兩個(gè)控制輸入端，A,B,C,D是并行輸入端。如表2-4所

22、示，它們的狀態(tài)組合可以完成四種控制功能，其中左移和右移兩項(xiàng)是串行輸入，數(shù)據(jù)是分別從左移輸入7引腳和右移輸入端2引腳送入寄存器的。1引腳是異步清零輸入端。本電路中要求在移位過程中數(shù)據(jù)不能丟失，仍然保持在計(jì)數(shù)器中，所以在電路中采用將移位寄存器的最高為輸出端15引腳和最低為輸入端2引腳連接以及讓移位寄存器的最低位端輸出端12引腳和最高為輸入端7引腳連接，形成環(huán)形計(jì)數(shù)器。從而實(shí)現(xiàn)了四種花型的循環(huán)輸出。</p><p>　

23、　表2-4 74194雙向移位寄存器控制端的邏輯功表</p><p>　　第四節(jié) 花樣循環(huán)明細(xì)表</p><p>　　表2-5 花型循環(huán)表</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　本課程設(shè)計(jì)運(yùn)用了74系列中規(guī)模邏輯芯片74F194，74HC06，74F161,74LS74及發(fā)光二極管，

24、電阻，電容等器件，是我進(jìn)一步加深了對(duì)這些元件的理解和認(rèn)識(shí)，以及它們的應(yīng)用方法和注意事項(xiàng)，為以后分析這些元件的工作特性打好了基礎(chǔ)，同時(shí)也鞏固和加深了對(duì)數(shù)電知識(shí)的理解。</p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)我學(xué)會(huì)了不同的元件來組成電路實(shí)現(xiàn)相同的功能，從中比較分析而確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)組合。在課程設(shè)計(jì)過程中我練習(xí)了protel軟件繪制電路圖，更加熟悉了該軟件。</p><p>　　通過課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了充

25、分利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)研究，對(duì)常見的集成電路器件的功能和引腳的接法有了進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)。這讓我明白了閱讀查找文獻(xiàn)的重要行，平時(shí)對(duì)積累知識(shí)，真正到了用的時(shí)候，做題才會(huì)得心應(yīng)手。</p><p>　　當(dāng)然在這一星期里，學(xué)會(huì)的最重要的是和同學(xué)互相協(xié)助共同進(jìn)步。在實(shí)習(xí)過程中常遇到一些自己不明白的問題，通過和同學(xué)的交流和向其他人請(qǐng)教來解決。另外，再和別人交流的同時(shí)我們也可以獲得不同的想法，不斷的完善自己的設(shè)計(jì)。<