七彩灯的设计.doc

七彩循环装饰灯控制器的设计
１．设计目的
1.1熟悉七彩循环装饰灯控制器电路的组成、工作原理和设计方法。
1.2掌握多谐振荡器、触发器、计数器的工作原理、使用方法、特点、用途及主要参数的计算方法。
1.3熟悉集成电路CD4001、555定时器、CD40518、晶闸管、整流、滤波电路的的组成、工作原理、特点及用途。
２．设计内容及要求
2.1设计题目：设计一个七彩循环装饰灯控制器电路。各基本单元电路的设计条件和技术指标如下：
2.1.1整流滤波电路
正弦信号输入电压：220V，50Hz；
整流滤波电路输出电压：12V，分压输出（供集成电路用）：5V,要求采用集成稳压器。
2.1.2调色时钟脉冲发生和灯光变色控制电路
时钟脉冲振荡频率：灯光每隔0.1s~10s自动变换一种颜色，脉冲占空比：60%。
灯光变色控制电路：采用同步加法计数器。输出的高电平应满足晶闸管控制电平的要求。
2.2负载电路
红、绿、蓝3基色灯：12V，8W。
晶闸管：最大反向电压 ≥1.414U2。
2.3 要求控制器能长年通电使用，性能可靠。
2.4 要求画出完整的设计电路图，计算电路各元器件参数，写出设计总结报告。
2.5 集成电路采用CMOS或TTL系列。
3. 控制器电路的工作原理
七彩循环装饰灯控制器电路的功能框图如下图1所示脉冲
整形
电路

调色时钟脉冲发生电路

负载
电路

灯光变色控制电路

直流电源

图1七彩循环装饰灯控制器功能框图

七彩循环装饰灯控制器电路的参考原理图如图2所示，它由电源变换电路、调色时钟脉冲发生电路、灯光变色控制电路和负载电路组成。其中H1、H2、H3是被控“3基色”灯泡。
接通电源，220V交流电经变压器降压、VD1~ VD4桥式整流和滤波后，一路供彩灯回路用电；另一路经R1降压限流，VZ稳压，VD5隔离和C1滤波后，为控制电路提供约5V的稳定直流电。
ICI与外围元件构成一个时钟脉冲发生电路，其中与非门G1、G2以及RP、R3和C2组成多谐振荡器；IC2由G3、G4构成基本RS触发器，对振荡产生的脉冲进行整形，然后由G4输出送到IC3的时钟脉冲CP端。

H2
H3
H1
VD2
VD1

绿
蓝
红
R1
C2
Rp
+
四题电路图
RL
U0
U1
~220V
C
U2

IC2
8W╳3
VS1
16
2
R2

VS2
6
3
VDD
EN
G3
G2
G1
Q4
VD5
R3
&
&

Q1
&
U2
~220V
U1

IC1
VS3
4
7
RD
Q2
VZ
R4

IC3
5
1
SA
VD4
C1
R5
&

8
CP
Q3
G4
VD3

图2 七彩循环装饰灯控制器电路原理图

4.具体设计
4.1整流滤波电路
4.1.1工作原理
桥式整流电路如图3所示，图中B为电源变压器，它的作用是将交流电网电压e1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。

图3单相整流滤波电路

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e2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3（a）中虚线箭头表示。
在e2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3（b）中虚线箭头所示。根据上述分析，可得桥式整流电路的波形如图4所示。

图4桥式整流电路的波形
4.1.2元器件的选择
由于输入的电压为交流220V，经过桥式整流电路输出的电压为12V，所以变压器的初级和次级匝数比可选22:1，即次级线圈得到的电压的有效值为10V。

桥式整流电路输出电压、电流与输入电压的关系：
Ud =2×0.45Ve1=0.9 Ve1
Io=0.9×(Ud /RL）
单向桥式整流电路二极管选择条件：
I≥IO/2=0.45×(Ud/RL）
VD≥1.414 Ud
按照计算结果，选择相应参数的二极管即可。

4.2多谐振荡器的设计
4.2.1多谐振荡器的基本原理
多谐振荡器是一种自激振荡器，在接同电源后，不需要电源后，不需要外加触发信号（即没有输入信号）。便能自动产生矩形脉冲，由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，所以称为多谐振荡器。
先将555定时器构成施密特触发器，在将施密特触发器的输出端经RC积分电路接回到它的输入端，即可构成多谐振荡器，且其电容C的电压Vc将在VT+和VT-之间反复振荡。
充电时间：
放电时间：
振荡周期：T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2，振荡频率：f=1/T
占空系数：
电容电压Vc与输出电压Vo的波形如图5所示。

图5 555定时器构成多谐振荡器及电压波形图

由设计要求，占空比为60%，即，
解得，
又要求灯光每隔0.1s~10s自动变换一种颜色，即

结合，=0.69，得
R1C
假设R1=10K,则R2=20K,C=2.86 uf
由于设计要求，可以通过调节滑动变阻器来改变阻值，即实现颜色的变换。
4.３基本ＳＲ触发器电路
4.３.1电路结构:由两个与非门的输入输出端交叉耦合。它与组合电路的根本区别在于，电路中有反馈线。

图1 与非门组成的基本RS触发器 （a）逻辑图 （b）逻辑符号
它有二个输入端R、S，有两个互补的输出端Q、Ｑ＇。设Q＝1，＝0时，称为触发器的1状态；当Q＝0，＝1时，称为触发器的0状态。

4.３.2逻辑功能表:
R S
Qn
Qn+1
功能说明
0 0
0 0
0
1
×
×
不稳定状态
0 1
0 1
0
1
0
0
置0（复位）

1 0
1 0
0
1
1
1
置1（置位）
1 1
1 1
0
1
0
1
保持原状态

表１　逻辑真值表

?
?
Q

S
R
Q

.

图６ RS触发器的波形图
通过ＲＳ触发器电路对振荡产生的脉冲进行整形，输出的高低电平。

4.4计数器电路
4.4.1计数器电路图

图７　同步二进制加法计数器的逻辑图
4.4.2计数器原理：
图１中的IC3是一块有双同步加法计数器功能的CMOS集成电路，由与非门G4送来的正脉冲在其内部进行二进制编码，并使Q1~ Q4输出端的状态发生循环组合变化。其逻辑真值表见表２。
时钟\输出
Q4
Q3
Q2
Q1
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
7
0
1
1
1
8
1
0
0
0

表２ 计数器真值表

从真值表中可以看出，当IC3的CP端输入一个时钟脉冲时，其Q1 输出高电平，VS1受触发导通，H1通电发出红光；当第二个时钟脉冲到来时，当IC3的Q2端输出高电平，ＶＳ２受触发导通，H2通电发出绿光；当第三个时钟脉冲到来时，当IC3的Q1、Q2端同时输出高电平，ＶＳ1、ＶＳ２均触发导通， H1、H2同时通电点亮，根据混光原理，灯箱对外变黄色；发出绿光；依次类推，IC3的Q1、Q2 、Q3端有8种逻辑状态，可使“三基色”灯顺序产生7种色光（红、绿、红+绿=黄、蓝、红+绿=紫、绿+蓝=青、红+绿+蓝=白）来。当第八个时钟脉冲到来时，IC3的Q1、Q2 、Q3端均输出低电平，H1、H2、H3全部熄灭片刻；同时IC3的Q4端输出高电平，其信号直接送入清零端R，使IC3的内部电路复位；第九个时钟脉冲送入IC3时，循环上述过程。
电路中，灯光变色由与非门G1、G2组成的多谐振荡器工作频率确定，其工作频率由公式f=1/0.69(RP+R2)C2来估算。调节RP阻值，可使灯光每隔0.1s~10s自动变换一种颜色。
闭合开关SA，与非门G1的控制输入端由高电平变为低电平，振荡停止工作，变色灯停留在上述8个状态中的某一个状态。

4.5晶闸管的工作原理
晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。
4.5.1晶闸管的工作条件：
　　1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。
　　2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。
　　3. 晶管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。
4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。
4.４.2结构与工作原理
　晶闸管是三端四层半导体开关器件，共有3个PN结，J1、J2、J3，如图8(a)所示。其电路符号为图8(b)，A(anode)为阳极，K(cathode)为阴极，G(gate)为门极或控制极。若把晶闸管看成由两个三极管T1(P1N1P2)和T2(N1P2N2)构成，如图8(c)所示，则其等值电路可表示成图8(d)中虚线框内的两个三极管T1和T2。对三极管T1来说，P1N1为发射结J1，N1P2为集电结J2；对于三极管T2，P2N2为发射结J3，N1P2仍为集电结J2；因此J2（N1P2）为公共的集电结。当A、K两端加正电压时，J1、J3结为正偏置，中间结J2为反偏置。当A、K两端加反电压时，J1、J3结为反偏置，中间结J2为正偏置。晶闸管未导通时，加正压时的外加电压由反偏值的J2结承担，而加反压时的外加电压则由J1、J3结承担。

图8 晶闸管的结构、符号、结构模型

５. 参考文献
《电工、电子技术实习与课程设计》 中国电力出版社 杨 铮 徐 磊主编 2005.02
《数字电子技术基础简明教程》第二版 高等教育出版社 清华大学 阎 石主编 1998.10
《电工电子实验与实训》 中国电力出版社 李雅轩主编 2007.03

６. 课程设计刚开始，拿着选定的题目不知如何入手。毕竟课程设计不同于实验课，电路图都要自己设计。静下心来，仔细分析题目，再加上指导老师的说明与提示，心中才有了谱。将整个系统根据不同的功能化分成模块，再分别进行设计，逐个攻破，最后再将其整合即可。
在设计过程中，既有用过的芯片，又有没用过的，只能自己查表，分析功能。即学即用。最后调试阶段，哪怕一个小小的错误也会使结果出不来。只好一条线一条线地查，一个孔一个孔地测。结果终于出来了，又发现有的地方还应改进。如快慢节拍不是很明显，花型比较简单，且555产生的时钟信号频率太小等等。
通过这次课程设计，使我受益颇多。既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片的使用。在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。同时，也培养了我认真严谨的工作作风。

四题电路图
RL
U0
U1
~220V
C
U2

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