七色广告灯箱控制器设计说明.docx

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七色广告灯箱控制器设计说明

综述

这次数字电路课程设计的容是设计七色广告灯箱控制器。

随着经济的发展、社会的进步，广告的作用已经很重要。

但是传统的单一色彩的灯箱显得非常单调。

人们根据控制原理设计了可控制的七色广告灯，七种色彩循环变化是广告显得华丽多彩，更能吸引人们的目光。

该系统的功能是：

用三种不同色彩的灯，组成七色循环变化的灯箱，而且该灯箱可实现白天自动关闭，晚上又自动开启的功能。

随着科学的进步和社会的发展，广告灯的设计会进一步完善。

积极地思考，利用科学知识设计出更加先进的灯箱控制器。

1设计思路及其框图

1.1设计电路的功能

本次设计的目的是设计自动控制的七色广告灯箱，其功能是用光敏电阻控制灯在白天自动关闭，到晚上自动开启。

利用555定时器产生cp脉冲给计数器，采用74160计时器控制可控硅开关，达到灯七种彩色自动循环变化的效果。

1.2设计电路框图

图1-1基本结构框图

七色广告灯箱控制器的原理如图2-1所示。

他主要由光敏开关、脉冲发生器、循环控制器。

可控硅开关、灯箱等部分组成。

采用光敏三极管控制循环控制器的开启和关闭。

用555定时器产生cp脉冲提供给循环控制器（74160计数器），循环控制器是由10进制同步二进制计数器74160变成的七进制计数器。

控制器控制灯箱七种色彩灯循环变化。

灯箱由220v交流电源供电

2各部分电路及其原理

2.1桥式整流原理介绍：

图2-1桥式整流电路

单相桥式整流电路如图所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压vI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。

单相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v2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2-1中实线箭头表示。

在v2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2-1中虚线箭头所示。

综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图2-2。

由图可见，通过负载RL的电流iL以及电压vL的波形都是单方向的全波脉动波形。

图2-2波形分析

2.2NE555部框图，工作原理

555定时器由3个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。

虚线边沿标注的数字为管脚号。

其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V—3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V—18V围使用。

图2-3NE555部框图

555定时器工作时过程分析如下：

5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：

UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。

当VI1＞2/3VCC，VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。

当VI1＜2/3VCC，VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。

当VI1＞2/3VCC，VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。

当VI1＜2/3VCC，VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。

NE555极限参数：

表2-1NE555极限参数

NE555极限参数

电源电压

允许功耗

工作温度

储藏温度

最高温度

+18V

600mW

-10—+70℃

军用-55—+125℃

-65—+150℃

300℃

图2-4脉冲信号发生器的原理图

如图2-4所示，R1和C1组成一个串联RC充放电电路，在NE555的3引脚上输出一个方波信号。

当接通电源后，因为电容上的初始电压为零，所以输出电压为高电平，并开始经电阻R1向电容C1充电。

当充电到输入电压为vⅰ=Vt+时，输出跳变为低电平，电容C1又经过电阻R1开始放电。

当放电至vⅰ=Vt-时输出电位又跳变为高电平，电容C1重新开始充电。

如此周而复始，电路便不停地振荡。

其电压波形如图2-5所示。

图2-5多谐振荡器电路的脉冲图

由公式

T1=（R1+R2）Cln2

T2=R2Cln2

T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2

得出当占空比为50%时，T1约为223s，T2约为162s，即周期T为385s。

2.3循环控制器的设计

循环控制器是七色广告灯箱的核心，它使灯箱七种色彩循环变化。

循环控制器由74160组成7进制计数器

图2-6计数器示意图

表2-274LS160逻辑功能表

CLK

Rd’

LD’

EP

ET

工作状态

X

0

X

X

X

置零

↑

1

0

X

X

预置数

X

1

1

0

1

保持

X

1

1

X

0

保持

↑

1

1

1

1

计数

74160为中规模集成的10进制同步二进制计数器，具有加法计数功能之外，还有预置数、保持和异步置零等功能。

当RD`=LD`=EP=ET=1时，电路工作在计数状态，异步置零只要Rd`端为低电平，同步置数只要LD`端为低电平。

本文采用同步置数功能，将74160变为七进制计数器。

其状态转换图如图3-3所示。

图2-774160状态转换图

电路从001状态开始连续输入7个计数脉冲时，在111状态由三相与非门输出0返回给LD`端。

使计数器工作在同步置数状态，达到循环的效果

2.4双向可控硅开关

（1）简介

双向可控硅又称为双向晶闸管。

普通晶闸管（VS）实质上属于直流控制器件。

要控制交流负载，必须将两只晶闸管反极性并联，让每只SCR控制一个半波，为此需两套独立的触发电路，使用不够方便。

双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。

其英文名称TRIAC即三端双向交流开关之意。

（2）工作原理

TRIAC为三端元件，其三端分别为T1（第二端子或第二阳极），T2（第一端子或第一阳极）和G（控制极）亦为一闸极控制开关，与SCR最大的不同点在于TRIAC无论于正向或反向电压时皆可导通，其符号构造及外型，如图2-8所示。

因为它是双向元件，所以不管T1,T2的电压极性如何，若闸极有信号加入时，则T1,T2间呈导通状态；反之，不加闸极触发信号，则T1,T2间有极高的阻抗。

图2-8双向可控硅结构原理图

（3）本实验选取双向可控硅BT136-600作为电路连接元件，其主要参数如下：

表2-3BT136-600参数

BT136-600

断态重复峰值电压VDRM（Max）（V）

600V

反向重复峰值电压VRRM（Max）（V）

600V

额定正向平均电流IF（Max）（A）

4A

门极触发电流IGT（Max）（mA）

<10mA

3工作电路及分析

图3-1工作电路

3.1电路分析

电路采用220V交流电源，经变压器变压得到16V交流电。

后接由4个IN4007型二极管组成的桥式整流电路得到单方向脉动电压，然后接一个MC7812BT型三端稳压器得到12V稳定直流电压。

白天时，光敏三极管阻值无限大，电阻R1分得电压很小，555定时器不工作。

夜晚时，光敏三极管阻值很小，此时调节R1能得到+5V直流电压使555定时器工作。

上边的555定时器输出端接一个晶体三极管，相当于一个开关，控制后面的电路是否导通；下边的555定时器是一个脉冲发生器，能发出矩形脉冲，通过调节电阻R3可以改变矩形脉冲的周期。

得到的矩形脉冲接到后面的74160计数器上，使计数器实现计数功能。

输出端QA、QB、QC通过一个3-3输入与非门74LS10接回到指数端，使计数器实现001、、011、100、101、110、111的循环计数功能，从而实现广告灯箱的颜色循环功能。

如：

当X1、X2、X3分别为白、红、绿色灯时，输出001时为白色显示，010时为红色显示，011时为白、红显示，100时为绿色显示，101时为白、绿显示，110时为红、绿显示，111时为白、红、绿显示。

计数器的三个输出端QA、QB、QC后面分别接了三个晶体三极管，起电流放大作用，使有足够大的电流能驱动双向可控硅开关使交流电路导通，灯泡发亮。

实际应用中，光敏三极管应安装在灯箱外面，但应避开日光照射，其余元件安装在灯箱部。

R1应在傍晚的适当时间调整，R3应根据每种灯光需要保持的时间而定，按照本电路选择的电阻阻值，其调节时间围约在1～11分钟之间。

4仿真电路

图4-1555定时器仿真电路

图4-2555定时器仿真电路波形分析

5使用的元器件

表5-1器件列表

元件名称

规格及用途

数量

变压器

220/16小型变压器降压

1

桥式整流电路

VD1~VD4IN4007×4交流变直流

1

固定电阻

4K、5K、20K、100K、187K

10

可变电阻

20K、1M

2

电容

0.01μF、470μF、

3

NE555

定时器

2

74160N

计数器

1

74LS10N

3-3输入与非门

1

晶体三极管

VT1~VT42N2222×4

4

双向可控硅

BT1~BT3BT136-600×3

3

灯

L1~L3Lamp220V30W白、红、绿

3

光敏三极管

PHOTO_TRANSISTOR_RATED

1

心得体会

经过一周的努力，我终于完成了电子技术课程设计报告。

通过本次广告灯箱控制器的设计，不但使我更加熟悉了数字电子课的知识，而且让我知道了在课本上没有的东西。

通过查找资料图书，上网搜索，掌握了制作循环控制器的方法和原理，了解了可控硅的工作原理和使用方法，懂得了用可控硅开关控制强电的方法。

此次课程设计意义很大，不但让我懂得了以前没有理解的东西，而且使我明白学习知识的意义。

通过画图和仿真不但使我更深的理解了课上学的知识，还提高了独立思考和动手能力。

通过本次课程设计，使我知道我现在所学到的知识还远远不够，在实际操作中有很多问题还不能解决，所以我要在今后的学习中更加努力，学好本专业的知识。

我相信通过这次课程设计，我一定会在以后的学习中更上一层楼。

参考文献

[1]阎石.数字电子技术基础[M].第五版.北京：

高等教育，2006.168～187，487～497.

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科学，2003.126～134，167～168.

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国防工业，2003.238～264.

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人民邮电，2002.266～268.

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机械工业,2004