七彩灯课程设计报告.docx
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七彩灯课程设计报告
电子技术基础
课程设计
题目名称：
七彩循环装饰灯控制的设计
指导教师：
申利平
学生班级：
级班
学号：
学生姓名：
评语：
成绩：
重庆大学电气工程学院
2015年7月3日
摘要
七彩循环装饰灯的应用非常广泛，很多商业广告（如灯箱，节日彩灯，霓虹灯等）等采用循环装饰控制的形式。
七彩循环装饰灯能按设计者的要求或快或慢地循环发出红、绿、黄、蓝、紫、青、白七色光，从而起到商业宣传和美化环境的作用，给城市增添了热闹气氛。
是歌舞厅、酒吧、ktv、宾馆等场所的必备物品。
本文主该要介绍如何利用数电模电的知识实现这个控制。
七彩灯主要是依靠光的叠加原理，利用光的三基色组合成其他颜色,实现七彩循环：
红、绿、红+绿=黄、蓝、红+绿=紫、绿+蓝=青、红+绿+蓝=白。
首先，我们利用555定时器构成多谢震荡电路，输出占空比为60%的矩形脉冲；然后，利用该矩形脉冲作为74ls160的时钟信号，使74ls160实现001~111的计数，并利用该输出控制三极管的通断：
输出低电平时，三极管输入电压小，处于断开状态，彩灯电路不导通，灯不亮；输出高电平时，三极管输入高电平，处于导通状态，led灯电路导通，灯亮；另外，利用变压器降压，桥式整流电路整流，电容滤波，最后用三端集成稳压器稳压，输出稳定的电压，并利用该电压给彩灯控制电路供电。
通过仿真分析，验证了我们的电路能实现七彩控制。
最后，利用面包板和电路元件焊制电路。
最后电路成功实现了七彩循环。
事实证明，该设计电路简单、可操作，具有很大的实际意义。
一、设计目的
（一）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。
（二）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。
（三）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。
二、设计内容及要求
（一）整流滤波电路
1、正弦信号输入电压：
220V，50Hz；
2、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。
（二）调色时钟脉冲发生和灯光变色控制电路
1、时钟脉冲振荡频率：
灯光每隔0.1s~10s自动变换一种颜色。
2、脉冲占空比：
60%。
（三）灯光变色控制电路
1、采用同步加法计数器。
2、输出的高电平应满足晶闸管控制电平的要求。
（四）负载电路
1、红、绿、蓝3基色灯：
12V，8W。
2、晶闸管：
最大反向电压≥1.414U2。
（五）要求控制器能长年通电使用，性能可靠。
（六）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。
（七）集成电路采用CMOS系列。
三、设计原理
（一）七彩循环装饰灯控制器电路的功能框图：
（二）直流稳压电源设计原理
1、变压器降压
变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器。
当变压器的原线圈接在交流电源上时，铁心中便产生交变磁通，交变磁通用φ表示。
原、副线圈中的φ是相同的，φ也是简谐函数，表为φ=φmsinωt。
由法拉第电磁感应定律可知，原、副线圈中的感应电动势为e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。
式中N1、N2为原、副线圈的匝数。
U1=-e1，U2=e2（原线圈物理量用下角标1表示，副线圈物理量用下角标2表示），其复有效值为U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ，令k=N1/N2，称变压器的变比。
由上式可得U1/U2=-N1/N2=-k，即变压器原、副线圈电压有效值之比，等于其匝数比而且原、副线圈电压的位相差为π。
进而得出：
U1/U2=N1/N2。
因此，理论上可利用变压器得到任意输出电压。
2、桥式整流
桥式整流器利用四个二极管，两两对接。
输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。
因此，利用桥式整流器可将交流电压整为直流。
3、电容滤波
当整流输出的脉动的直流电压加在电容上,电压高时,对电容充电,电压低时,电容放电,使输出电压平稳。
此时得到的输出电压近似直流。
4、稳压
利用三端集成稳压器稳压。
（三）时钟脉冲发生器原理
多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，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。
多谐振荡器由555定时器和电阻、电容元件构成。
555定时器功能表如图4所示。
图4555定时器功能表
先将555定时器构成施密特触发器，再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。
其电路构成及工作波形如图5所示。
接通电源时，电容电压Vc=0,由功能表知，输出高电平，NMOS管截止。
VDD通过电阻R2、R3给电容C2充电，充电时间常数为（R2+R3）C，电容上的电压Vc按指数规律上升；当Vc>2VDD/3时，有功能表知，电路输出低电平，NMOS管导通，电容C开始通过R3放电，放电时间常数约为R3C，Vc随之下降。
当下降到Vc如此周而复始，形成自激振荡，输出矩形脉冲。
图5多谐振荡器电路图及工作波形图
多谐振荡器产生的矩形脉冲作为后续的计数器电路的时钟信号，可以控制彩灯循环变化的速度，使彩灯发光时间各不相同，从而起到变速循环的效果。
设计彩灯循环变化的周期为T=1.05S，脉冲占空比为ρ=60%。
（四）74ls160计数器（控制电路）
该部分电路以三基色原理为基础，利用计数器74LS161的置数端LD实现计数功能，计数器从0001开始计数，到0111时，通过与非门对LD端输入一个低电平，从而使计数器重新从0001开始计数。
74LS160是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具有异步清零、同步并行置数、保持等功能。
74LS160的引脚排列图和功能表如图6所示，CR是异步清零端，LD是预置数控制端，D0，D1，D2，D3是预置数据输人端，P和T是计数使能端，C是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。
74LS160具有以下功能：
（1）异步清零功能：
当CR＝0时，不管其他输人端的状态如何（包括时钟信号CP），4个触发器的输出全为零。
（2）同步并行预置数功能：
在CR＝1的条件下，当LD＝0且有时钟脉冲CP的上升沿作用时，D3，D2，D1，D0输入端的数据将分别被Q3～Q0所接收。
由于置数操作必须有CP脉冲上升沿相配合，故称为同步置数。
（3）保持功能：
在CR=LD＝1的条件下，当T＝P＝0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变（停止计数）。
（4）同步二进制计数功能：
当CR＝LD＝P＝T＝1时，74LS160处于计数状态，电路从0000状态开始，连续输入10个计数脉冲后，电路将从1001状态返回到0000状态，状态表见下表。
（5）进位输出C：
当计数控制端T＝1，且触发器全为1时，进位输出为1，否则为零。
图674LS160的功能表和引脚排列图
（5）三极管工作原理（以NPN型为例）
三极管的结构如下
三极管是电子电路中最重要的器件，它最主要的功能是电流放大和开关作用。
在我们的电路中，主要利用三极管开关作用。
开关作用原理：
三极管在饱和导通（发射结和集电结都是正偏置）时，其CE极间电压很小，比PN结的导通电压还要低（硅管在0.5V以下），CE极间相当“短路”，即呈“开”的状态。
三极管在截止状态（发射结、集电结都是反偏置）时，其CE极间的电流极小（硅管基本上量不到），相当于“断开（即‘关’）”的状态。
（六）负载电路
负载电路主要由彩灯组成。
当74LS160的输入端输入由555振荡器产生的脉冲时，输出端依次输出高电平时,根据输出高电平，二极管V1、V2、V3依次导通，驱动彩灯也依次点亮，产生一种循环变化的效果。
但是由于发光二级管所要求的额定电流较小，所以需要在发光二极管两端串联上一个较大电阻，用来保护发光二级管不被击穿。
四、设计步骤与参数计算
（一）直流稳压电源的参数设计
1、三端集成稳压器的选择
因为led灯的额定电压是12V,，芯片的工作电源是5V,故，选取lm7812和lm7805。
2、电容参数的计算
由电容计算公式：
可取：
3、整流二极管参数选择
流过整流二极管的平均整流电流等于负载直流电流的一半，即
二极管承受的最大反向电压为
根据上述的参数选择整流二极管，即
式中，
和
。
是二极管的最大平均整流电流和最高反向工作电压参数。
4、变压器变比的计算
由于三端集成稳压器的输入端比输出端高3V左右能正常运行，故电容滤波后电压应为
。
根据经验公式，全波整流加滤波的输出电压应该是变压器输出电压的1.2倍，故变压器的输出电压为：
留一定的余量，取15V。
所以：
（二）555多谐振荡器参数计算
电容C取常用的10uF电解电容;
（三）控制电路的设计
1、根据设计要求写出真值表：
（假设灯亮为1，灯灭为0）
B
G
R
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
根据真值表可知，
与红灯取值一致，
与绿灯取值一致，
与蓝灯取值一致，所以可直接利用74ls160的输出端控制彩灯。
Q1输出高电平，V1受触发导通，红灯通电发出红光；当第二个时钟脉冲到来时，当IC3的Q2端输出高电平，V2受触发导通，绿灯通电发出绿光；当第三个时钟脉冲到来时，当IC3的Q1、Q2端同时输出高电平，V1、V2均触发导通，红灯、绿灯同时通电点亮，根据混光原理，灯箱对外变黄色；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端均输出高电平，红灯、绿灯、蓝灯全部点亮；同时IC3的Q1、Q2、Q3端输出高电平，其信号直接送入置位端LD，使IC3的内部电路置位；第八个时钟脉冲送入IC3时，循环上述过程。
2、由测试可知74ls160输出的高电平为5V，而彩灯的额定电压为12V，不能直接控制彩灯，所以我们利用三极管来实现控制：
将三极管的b接74ls160的输出端，c接led，e接地。
即可利用三极管的通断来控制七彩灯。
（四）负载电路电阻的计算
用于显示用途的led灯，电流一般5-10mA。
而电压为12V,红绿黄灯电压一般都在1.8V到2V，所以R=（12-2）/10=1K。
5、仿真分析
（一）整体仿真电路
（二）直流稳压电源的输出
（三）555多谐振荡器的输出
（四）74ls160的输出
ABCD通道分别对应时钟脉冲、
、
、
（五）灯的闪亮
六、实物图
七、原件清单
电气学院电子技术课程设计原件表
题目：
七彩循环装饰灯电气02班：
尹佳\谭棋
序号
元器件名称
基本参数
数量
替代元器件
参数
备注
1
变压器
15W，变压比44:
3
1
2
二极管
1N4007
4
1N4001
3
电容
10uF
1
10nF
1
400uF
1
560uF
1
4
三端集成稳压器
LM7812CT
1
LM7805CT
1
5
电阻
1k
6
30k
1
60k
1
6
555定时器
LM555CM
1
7
同步加法计数器
74LS160
1
74LS161
8
三输入与非门
74LS10
1
74LS20
9
三极管
2N2102
3
10
彩色LED灯
8W,12V,红色
1
8W,12V,绿色
1
8W,12V,蓝色
1
11
导线
若干
八、心得体会
这一份设计主要可分为两个部分：
直流稳压电源和七彩灯。
直流稳压电源属于模拟电子技术的内容。
对于一学期没有都接触模电的我们，其实模电知识都忘的差不多了，而这一次设计却给了我我们这样契机，“强行”让我们复习了一下模电知识，而且，不仅仅是复习了一下，对于模电的理解更是有了进一步加深，对于我们而言，它不再只是书本上的知识，也是具有现实意义的一门技术。
七彩灯属于数字电子技术的内容，虽然简单，却涵盖了本学期数电的主要内容，对于我们掌握数电和理解数电具有极大的推动作用。
Multisim是我们这次用的仿真工具，在这次课程设计中，我对它的使用更为熟练了：
第一次用了三极管，也知道了变压器在哪里，还会用三端集成稳压器了~
另外，本次课程设计还要求实焊，在动手操作中，我们体会到了细心的重要性：
好几次我都是把电解电容焊上去了，把引脚剪了，才想起自己没有注意长短脚，无奈只能拆下来重焊；还发现了一些小问题：
我们都以为粗铜线是导电的，所以同一电位可以直接接到铜线上，按道理，或者理想情况下确实是这样的，然而事实上，这样做却不能实现功能，还是要老老实实的都焊到一起；提高了动手能力，收获了成就感：
上学期的电子实习让我第一次接触到焊接，那个时候我表现的不是很好，收音机竟然收不到台，而这一次，刚刚焊好的时候只有红色的灯闪，但我不放弃，一点一点检查，修改，最后，两天晚上加一个下午的努力终于得到了回报，七彩灯能正常工作了！
那一刻真的是很开心！
总的来说，感谢这次课程设计！
这是一次很不错的体验，是一场难忘的记忆，我将一直把他珍藏在心里。
在这里也谢谢申利平老师，谢谢你细心、耐心的为我们检查电路！
感谢你仔细的为我们解答疑问！
我很庆幸你是我的指导老师！
参考文献：
《数字电子技术基础》唐治德科学出版社2009年1月第一版
《模拟电子技术基础》唐治德科学出版社2009年8月第一版
《数字电子技术实验》夏鸣风重庆大学出版社2014年2月
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