双向流动彩灯控制器的设计.docx
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双向流动彩灯控制器的设计
摘要
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,例如,用中规模集成电路实现的彩灯控制电路主要用计数器,译码器,分配器和移位寄存器等集成。
本次设计的双色循环彩灯控制器就是用计数器和译码器来实现,其特点用双色发光二极管,能发红色和绿色两色光。
关键词:
计数器,译码器,集成,双色二极管
Abstract
Circulatetheelectriccircuitofthecolourfullightalotof,circulatethewayismoremultifarious,andhasspecializedprogrammablecolourfullightintegratedcircuit.Thecolourfullightcontrolelectriccircuitsofthegreatmajorityallcarryoutwiththenumericalelectriccircuitof,forexample,thecolourfullightcontrolelectriccircuitthatusesamediumscaleintegratedcircuitrealizationmainlyusestocountamachine,translatingthecodemachine,assigningamachineandmovingtodepositamachineetc.integration.Thedoublecolorof[with]thisdesign'scirculatingcolourfullightcontrolleristousetocountamachineandtranslatethecodemachinetocarryout,itscharacteristicsgivesoutlightdiodewithapairofcolors,canflushthecolorandgreenanddichromaticlight.
Keywords:
countamachine,translatingthecodemachine,integration,lightdiodewithapairofcolors
目录
1、引言--------------------------------------------------------------3
2、概述--------------------------------------------------------------3
(一)彩灯控制方法和彩灯的类型-------------------------------------3
(二)彩灯控制的基本工作原理---------------------------------------3
3、设计任务----------------------------------------------------------4
(一)设计题目----------------------------------------------------4
(二)设计要求----------------------------------------------------4
(三)设计内容----------------------------------------------------4
4、电路设计与分析----------------------------------------------------4
(一)总体电路的确定----------------------------------------------4
(二)单元电路的分析与设计----------------------------------------5
1、时钟发生器-----------------------------------------------5
2、顺序脉冲发生电路-----------------------------------------5
3、可控硅输出电路-------------------------------------------6
4、双向可控硅的选取-----------------------------------------7
5、直流电源-------------------------------------------------7
6、加减计数的控制电路---------------------------------------7
7、彩灯路数及连接方式---------------------------------------9
5、电路调试与检测----------------------------------------------------9
(一)观察发光二极管是否正常发光---------------------------------9
(二)检查振荡器是否起振-----------------------------------------10
(三)检查计数和译码电路-----------------------------------------10
(四)带载试验---------------------------------------------------10
(五)灯光移动速度调试-------------------------------------------10
6、讨论--------------------------------------------------------------10
(一)音乐彩灯---------------------------------------------------11
(二)可编程彩灯-------------------------------------------------13
七、参考文献----------------------------------------------------------15
1、引言
彩灯控制电路是近几年来随着电子技术而产生的一种控制装置。
它能使彩灯按照人的要求有序的被点亮,还可以同音乐、声音、色彩等结合起来,是五彩兵分的彩灯富有音乐、艺术的魅力,给人带来生气和乐趣。
二、概述
(1)彩灯控制方法和彩灯的类型
彩灯一般是发光二极管、白炽灯或有不同色彩的灯泡。
彩灯控制可以用两种方法实现,一种是采用微机控制,优点是编程容易,控制的图案花样多,还可以随时因场地及气氛而改变,需增加的外接电路简单。
另一种是利用电子电路装置控制,其电路不很复杂,制作和调试容易,成本也较低。
本设计课题主题讨论第二种方法。
彩灯可达到的大致分成两种类型:
1、装饰彩灯;2、音乐彩灯。
两者的主要区别是音乐彩灯电量控制信号是按照音乐的电声信号而变化的。
音乐彩灯也常常被称作"彩色音乐'".
(2)彩灯控制的基本工作原理
彩灯原理框图如图所示
彩灯控制电路方框图
图中交流电压220v通过可控硅器件scr简直个彩灯zd1,zd2……;两端,当可控硅导通时彩灯被点亮,否则熄灭。
可控硅的导通与否是由其控制及是否加入触发信号来决定的。
这些触发信号是有顺序脉冲发生电路给出的。
时钟发生器产生的时钟脉冲(cp),送入顺序脉冲发生电路。
随着时钟顺序脉冲的不断输入,顺序脉冲发生电路的歌输出端一次变为高电平,形成时序控制信号。
时序控制信号经驱动电路送入可控硅的控制及,使个可控硅一次导通,于是各彩灯被依次点亮。
由上可见,彩灯的不变化完全是有顺序脉冲发生电路输出的时序控制信号决定的。
该变你时序控制信号,机脉冲的产生顺序或周期等,就可以控制各个彩灯的点亮时间和顺序。
所以说,顺序脉冲产生电路是彩灯控制的关键电路。
3、设计任务书
(1)设计题目
双向流动彩灯控制器的设计。
(2)设计要求
1、控制四路彩灯每路以20w,220v白炽灯为负载。
2、要求彩灯双向流动点亮,其闪烁频率在1~10hz内连续可调。
3、可实现良种控制方式:
1电路控制;2音乐控制。
4、逻辑电路采用集成电路。
(3)设计内容
1、说明彩灯控制器的工作原理和各单元电路的作用。
2、各单元电路的设计要点,简述选择集成组建的原则。
3、计算多谢振荡器的元件参数和确定双向可控硅的额定参数。
4、组装电路并进行调试,叙述调试的方法和调试过程。
四、电路设计与分析
(1)总体电路的确定
根据设计要求和该书中介绍的彩灯控制电路的基本组成,可以确定才登科空气应包含时钟发生器、顺序脉冲产生电路、可控硅触发电路和直流电源等组成部分。
为便于讨论,这里先给出一个双向流动彩灯可控电路的参考电路图,见下图所示。
(二)单元电路的分析与设计
1、时钟发生器
时钟信号可以有门电路或555定时器构成的多些振荡器产生。
上图所示的电路的时钟发生器,是由555定时器(ic1)及器外接元件rw、r1、c1、组成的典型自己多些振荡器。
电位器rw用来调节振荡频率,以改变彩灯流动点亮的速度。
时钟脉冲的周期为tc~0.7(r1+rw)c1彩灯控制电路时钟频率通常都比较低,最高也不超过数十赫兹,最低可达到零点几赫兹。
设计时,电容c1的容量要去的大些,以减少分布电容的影响。
如果油门电路构成的多谐振荡器来产生时钟脉冲信号,最好在振荡器的输出端接入非门以对输出的振荡信号进行整形。
2、顺序时钟发生电路
顺序时钟发生电路在时钟信号的作用下,能输出在时间上有先后顺序的脉冲。
它通常是由计数器与译码器组成。
采用的计数器应具有加法和减法计数的功能,以便为改变彩灯点亮的方向提供方便。
具有这种计数功能的计数器很多,比如,cd4510、cd4029等,前者为十进制加/减计数器,并且带有负载能力强,能输出较大的驱动电流;后者可实现四位二进制计数。
下图所示电路采用cd4510做计数器。
注意图中c2、r2组成微分电路,接至计数器清零端cr,以便在开机时,是清零端得到一个高电平脉冲,是计数器清零。
选择译码器时,要注意和所采用的计数器相配合,因为计数器的输出端适合译码器的输入端直接相连的。
这是采用cd4028,它是4线-10线译码器。
当输入端为四位bcd码时,该译码器十个输出端的对硬度岸边为高电平。
由于cd4028有十个输出端。
所以它最多可以控制十路彩灯
3、可控硅输出电路
可控硅是有控制极的可控整流器件。
它的导通要同时具备两个条件:
阳极和阴极间加正向电压,控制极输入正向触发脉冲。
要关断已经导通的可控硅,应该把可控硅的阳极电流减小到维持电流一下才行,因此,电源电压过零时可控硅被关断。
在彩灯控制电路中。
应用更广泛的是双向可控硅,他相当于把两个相同的可控硅反响并联起来。
它用于交流控制电路中时,在交流电的正负半周期可以被导通。
双向可控硅的符号如上图所示。
它仍有三个极,分别叫第阳极、第二阳极和控制极。
它和单项可控硅的主要差别是,只要控制电压加有触发信号,无论第一阳极和第二阳极间电压为正或负,它均能导通。
如上图所示电路中,译码器的输出信号作为可控硅控制极的触发脉冲。
为了增大输入到可控硅控制机的触发电流。
插入了一级三极管射极输出器。
当译码器输出端为高电平时,是对应的三级管射极输出器导通,于是其射极有电流产生,通过75欧电阻加到可控硅的控制极,则对应的双向可控硅就导通,使该路彩灯被点亮。
4、双向可控硅的选取
可控硅的导通那个,点亮对应的彩灯。
因此选取可控硅要根据负载电流的大小确定。
可控硅的两个参数------额定电压和额定电流是选取可控硅的重要依据,选取的基本原则是:
(1)可控硅额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压。
考虑到电源电压波动等因素,一般选取可控硅的额定电压要等与电路实际承受电压的2~3倍。
(2)可控硅的额定电流要大于实际流过管子电流的最大值。
可控硅的电流过载能力很差,带点阻负载时电路中还会有较大的启动电流,因此选择可控硅是要留有充分的余地。
工程上,一般选取额定电流值为电路中流过管子最大电流的1.5~2倍。
图2所示电路中,由于市电200V点亮彩灯,按以上原则,应选取额定电压为400V或500V的可控硅。
额定电流的选取应该根据电路中每路灯泡插座(Cz1.Cz2……)所接灯泡的功率瓦数(如果根据需要,有多个灯泡并联时,还要考虑并联灯泡的个数)来确定。
如果每路插座接一只100V的白炽灯泡,则所需电流约为0.5A.所以可选额定电流为1A的可控硅,如果彩灯个数比较多,功率比较大,就咬选用更大额定电流值的可控硅元件。
一般选用2A或3A也就可以了。
5.直流电源
该彩灯控制器选用两组直流电源,一组直接取自桥式整流电容滤波电路,他的输出电压为7V主要为设计输出器供电;另一组是经三端集成稳压器CW7805获得,它输出的5V直流电源电压,作为本控制电路中的数字电路部分的直流电源。
由于对这部分电路的供电并不需要很大的电流,所以也可以采用最简单的单管稳压电路取代三端稳压器CW7805
6.加减计数的控制电路
为了使彩灯点亮顺序具有双向流动的效果,必须使计数器交替进行加法和减法的计数。
因此需使计数器的U/D端交替得到高低电平控制信号
这部分控制功能是由三极管T1和集成D触发器来完成的。
图给出了有关电路和链接方式的电路图
图中三极管T1构成反相器,R4、C3组成积分电路,IC4(74IS74)是双D触发器,这里只使用其中一个。
三极管输出接D触发器清零端R,CP信号来自CD4028,上升沿触发。
开机时,R4、C3积分电路给出低电平,加在触发器的清零端R上,使D触发器复位,输出端Q为低电平,而Q为高电平为高电平因此使计数器U/D端为高电平。
则计数器进行加法计数。
也就是说开机时计数器处于加法计数状态,随着时钟的输入,经译码后其输出端Y0~Y9的顺序依次出现高电平,使彩灯的灯光正向流动。
当最后一位Y2输出高电平时,产生一个上升沿信号作用于低触发器的时钟输入端,使D触发器的状态反转,既Q为高电平,Q~为低电平。
Q~端的低电平又作用于计数器的U/D端,是计数器变为减法计数。
随着时钟的输入,译码器输去则按Y2~Y0的顺序依次输出高电平,结果使彩灯的灯光做反向流动。
而当Y0达到高电平时,使三极管反相器T1导通,其集电极变为低电平,作用于D触发器的清零端R,又使触发器复位,Q~又变为高电平。
计数器的U/D端也同时成为高电平,计数器重新进行加法计数,如此反复循环下去。
有上述可见。
由于利用了三极管反相器和D触发器所构成的电路,去控制计数器的计数方式控制端U/D,则是计数器反复进行加法---减法---加法……计数,从而达到使彩灯点亮按双向流动的顺序进行。
图所示电路中的发光二极管用来显示对应之路彩灯被点亮的情况,与其串联的电阻为限流电阻,使通过发光二极管的电流不超过最大允许值(约10MA)。
7、彩灯电路及连接方式
本电路的灯泡路数受译码器输出端数(10端)的限制,最多可为10路,徒儿的电路只用了其中的三路,如果要增加灯泡路数,只需把D触发器的CP端接于IC3相应的输出端即可。
例如需要8路输出,则可把IC4的CP端改接到IC3的Y7端,即可产生8路灯亮双向流动的效果。
每路的彩灯可以采用220V灯泡并联,也可以用彩灯串联。
他们的连接方法分别见图。
要注意串接时应使串入的彩灯个数等于220每个彩灯耐压值。
目前市场上有组装好的成品出售。
此时在选取可控硅的额定电流值时,就要考虑灯泡的并联个数。
根据要求,彩灯可以排列成各种不同的图形,比如直线、圆形、辐射状,还可以组成文字字形。
五、电路调试与检测
先设计好印刷电路板,然后按照电路图把元件仔细焊好(也可在实现相中的面包板上插接)。
注意先不接可控硅,彩灯插座也不要连线。
认真检查一下个元器件连接是否正确,要注意各集成器组件引脚、先不要搞错。
二极管和三极管管脚要接对。
个集成组件的电源端和接地端要接好。
然后分以下几步进行检查和调试。
(一)观察二极管是否正常发光
合上电源开关,接通电源,这时发光二极管应逐个闪亮,循环往复,如果它们不亮,应首先检查整流滤波电路和集成稳压器输出的直流电压(应分别10V和5V)是否正常,然后检查各元件是否焊接牢,各发光二极管的阴极是否都确切接地,并检查各射极输出器的集电极是否接入直流电压。
如果二极管正常发光,则可确定电路正常工作。
(二)检查振荡器是否起振
如果二极管只有LED1常亮而其余均不亮,则表明逻辑电路有问题,应检查555定时器是否起振,可用万用表电压档测定时期的输出端3脚是否有信号产生,先将电位器RW调到阻值为最大位置。
使震荡平率最低,万用表10V电压档,红表笔接3脚,黑表笔接地。
观察万用表指针是否有摆动,若指针摆动,说明3脚有信号输出。
(三)检查技术和译码电路
如振荡器有信号输出,但发光二极管仍不能逐个闪亮,就要检查计数器和译码器工作是否正常,同样检测译码器输出是否依次有高电平输出,查看电源端是否接上,各接地引脚是否为0V。
使用有计数允许控制端的计数器时,要检查该端是否为有效状态,如都正常,则可能是采用的计数器或译码器组件损坏,此时应更换新的组件。
(四)带载试验
上述检查正常后,可将可控硅焊入印刷电路板,插座接上相应的连线并插入彩灯,电路应能正常工作,彩灯一次闪亮。
如果某陆彩灯不亮,可能是对应的可控硅引脚未接正确,或者对应的插座接触的不好,也可能是该路的可控硅元件有问题。
一般说来,经过前面个步骤检查,发光二极管正常发光时,可控硅输出部分不会有问题。
(五)灯光移动速度调试
灯光移动速度取决于震荡气的方波频率,改变电位器RW阻值的大小及相应改变振荡频率。
可把RW调到至阻值最大,这时移动速度最慢,再把RW调到阻值最小,这时的速度应最快。
然后逐渐改变RW的滑动端,移动速度将会相应变快或变慢。
如果移动速度不可调,则很可能是电位器本身有问题,应予以调换。
如果各彩灯全亮,则说明振荡器频率设计得过高,这时就要改动振荡器的定式元件,即应加大电阻值。
六、讨论
以上我们对一般装饰彩灯的工作原理和基本调试方法进行了讨论,这种彩灯控制电路的结构简单、制作容易、调整也方便,但存在两点不足之处:
一是彩灯的点亮方式固定。
虽然可以做成双向或反复循环等形式,但缺少变化。
二是灯光流动速度也是固定的。
灯光流动速度是有振荡器的振荡频率决定的,而上述电路的振荡频率是不能随时调整的。
针对这些问题,近年来产生了音乐彩灯和可编程彩灯等控制电路。
下面分别对这种彩灯进行简要说明。
(一)音乐彩灯
音乐彩灯利用音乐电信号来控制彩灯的流动速度,是目前很流行的彩灯控制形式。
它的基本原理是使振荡器的振荡频率随着音乐信号的变化而相应变化,现举两例说明。
例一,电路图如下所示,图中只画出了音乐信号的控制部分。
其中555定时器仍结成多谢振荡器形成,器振荡频率由T、R1、RW2、C2的参数确定。
这里的T为捷星场效应管,
它的导通状况改变着555的充放电速度,即555的振荡频率。
T的导通状况是由其栅极电压大小决定的,这里由于当场效应管工作于可变电阻区时,其漏源极间电阻随栅极电压而改变的。
栅极电压的大小是由输入的音乐电信号控制的,当音乐电信号输入时,经电位器RW1分压、变压器B耦合、二极管D1~D4整流和电容C1滤波后,形成了T的栅极电压,电容C1两端电压即T得栅极电压UG的大小反映了输入音乐电信号的强弱,音乐电信号强则G1两端电压高,场效应管漏源极的等效电阻Rds值就小,是电容C2的充放电速度加快,即振荡频率提高,于是彩灯的流动速度变快。
反之,音乐电信号弱时,等效电阻RDS增大,是振荡频率下降,则彩灯流动速度减慢,从而达到了音孔彩灯的目的。
这一点由555构成的振荡器的只能当频率表达式看得更清楚,其振荡频率f0为:
f0=1/0.7(R11+2RW2)C2式中R11是电阻R1和场效应管漏源极间等效电阻RDS的并联,即R11=R1//RDS,由于RDS受音乐电信号控制,所以F0就将随着发生相应的变化。
图2中的变压器B选用音频变压器,可利用废旧晶体管收音机的输出变压器。
整流管可采用硅整流管IN4001,T为普通结型场效应管。
例二,如图所示,该图也只唤出了音乐电信号的控制电路部分。
图中555
定时器仍为多谐振荡器,但其控制电压端并不像通常那样,通过一个0.01uF的滤波器电容接地,二是受到了外加音乐电信号的控制。
其过程如下:
音乐电信号Rw、C1,通过耦耦合电压器B送至二极管D,进行整流,它输出的正向直流脉动电压经三极管T放大后加在555定时器的电压控制端5脚,而5脚典雅的变化直接改变了555定时器的上下触发电平,导致电容C3充放电时间长短改变,从而使时钟频率发生变化。
其工作过程是这样的,555方波产生电路的充电时间常数V1=(R1+R2)C3,放电时间常数V2=R2C3,没有音乐信号时,T的集电极电位不变,由于电容C2的歌之作用,T集电极电位对555的触发电平没有影响,上下触发电平分别为2/3VDD和1/3VDD,输出脉冲的频率为f0=1/0.7(R1+Rˊ2)C3,调节R2大小即可改变f0。
当接入音乐电信号后,T的集电极电位U与音乐的强弱及频率有关,设其作用在电压控制端
脚上的变化量为△U,则555定时器的上、下触发电平分别变成2/3VDD+△U和1/3VDD+1/2△U,虽然此时充放电时间不变,但由于触发电平的变化,将会导致输出脉冲的频率随△U的大小而改变,从而使灯光的闪烁随音乐信号而改变,图3.8.9表明了由于电压控制端⑤脚电压的变化△U,而引起输出时钟的频率改变的示意图。
最后说明一点,上述音乐电信号的获取可有两种方法:
1采用音响装置(收录机、扩音机等)的音频输出信号,即直接把扩音机等的输出端(扬声器)信号用导线连接到彩灯控制装置音乐电信号的输入端。
2利用话筒(一般采用灵敏度高、体积小的驻极体话筒)拾取(接收)音响装置发出的音乐声响,这种方法的优点是它免除了彩灯控制装置和音响设备间的导线连接。
但由于话筒转换的电信号较弱,一般应加接晶体管放大器,才能达到有效的控制。
㈡可编程彩灯
前面讲述的彩灯点亮方式是固定的,即只能使灯光固定左移、右移或双向移动而不能改动,可编程彩灯可以解决这一问题。
通过“编程”可使灯光流动方式有多种变化,如要再装置音乐控制,则灯光的流动速度还同时随着声音的高低起伏而时快、时慢,控制彩灯效果更加理想。
编程彩灯的电路形式很多,其基本原理是使顺序脉冲产生的顺序和状态能够人为地被改变。
图3.8.10是编程彩灯的一种形式,该图只画出了有关的电路部分。
其中集成电路IC为74LS298,它是四位二选一数据选择器,这里用作顺序脉冲产生电路。
它有两组输入,每组有四个输入端,分别为A1,B1,C1,D1和A2,B2,C2,D2,对应有四个输出端Y1,Y2,Y3,Y4,Y1Y2Y3Y4=A1,2B1,2C1,2D1,2,输出是第一组输入数据(A1B1C1D1)还是第二组数据(A2B2C2D2)取决于字
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