循环彩灯控制器的电路设计

数字电子技术课程设计

题 目 循环彩灯控制器的电路设计

院 系 专 业 学生姓名 学 号 指导教师

二Ｏ一Ｏ 年 十二 月 二十一 日

循环彩灯控制器的电路设计

摘要：本课题主要研究循环彩灯控制器的电路设计，它由直流电源、555振荡器、4510计数器、4028译码器、双D触发器及彩灯等几大部分组成，其中直流电源共有5V和7V两种，均由桥式整流滤波电路产生，其中5V电源主要供给循环彩灯控制电路的主电路（彩灯部分）而7V电源主要共给其控制电路；555振荡器主要为电路产生时钟脉冲提供给计数器；而4510计数器在双D触发器的控制下实现加减计数的功能；4028译码器在4510计数器的基础上产生顺序脉冲信号提供给彩灯，3路彩灯在顺序脉冲的作用下依次正循环和反循环的闪亮。 关键字：循环；计数器；译码器；振荡器

Circulation lights controller circuit design

Abstract: the article mainly studied circulation lights controller circuit design, it consists of dc power supply, 555 oscillator,

4510 counters, 4028 decoder, double D flip-flop and lights and several other major components, including dc power were 5V and 7V two kinds, all by bridge rectifier filter circuits produce, including 5V power supply main supply circulation lights control circuit of main circuit (colored lantern part of 7V power mainly to the control circuit, 555 oscillator mainly for circuit produce clock pulse provide counter, And 4510 counter on double D flip-flop is under the control of the realization of the function; add and subtract counting 4028 decoder in 4510 counter on the basis of sequence pulse signal generated provide lights, 3 road lights in order pulse in turn is under the action of circulation and reverse circulation ablaze. Key word: cycle, Counter, Decoder, oscillator

一、 概述

彩灯控制电路在人们的日常生活中随处可见，无论是在繁华的闹市区或是在大中型游乐场、圣诞树等等都有它们的身影，循环彩灯控制电路是今年来渐渐兴起的一种较为简单的电子设备装置，它可以按照人们的要求控制彩灯以不同的方式被点亮，还可以伴随音乐、各种奇奇怪怪的声音，色彩，变化无穷，为人们的生活增光添彩。

1、 彩灯的控制方法和类型

彩灯一般可以用白炽灯、发光二极管以及拥有不同彩色的灯泡等。常见的彩灯控制方法有两种，一是通过微机编程实现，这种方法的优点是编程简单，变换的种类多，需要的外接电路也有限，它还方便因场地的转移或天气的变化而改变，但它适合于需要控制的彩灯数目较多且经常变换的场合。另一种是通过电子设备来实现，这种的方法的优点是制作和调试比较容易，成本相对而言也较低，电路的结构不是很复杂，

但它能够控制的彩灯数目有限且不易经常更换场地。

彩灯一般有灯饰彩灯和音乐彩灯两种。音乐彩灯一般是通过编程实现，彩灯的点亮方式是按照音乐的电声信号（频率或幅度）的变化而变化，如：西湖的音乐喷泉。而灯饰彩灯就是生活中最长见的那种。

本课题主要研究通过电子设备实现的灯饰彩灯。 2、 彩灯控制的基本工作原理

彩灯控制的基本工作原理框图如图1.1所示

图1.1

时钟脉冲发生器将产生时钟脉冲信号CP送给顺序脉冲发生器，随着时钟脉冲信号CP的不断送入，顺序脉冲发生电路的输出端将依次由低电平变为高电平，并依次送给三极管，通过电阻流过发光二极管，发光二极管被依次点亮。由此可见，彩灯依次被点亮的顺序由顺序脉冲发生电路输出的时序信号决定。改变它的输出时序信号就可以改变彩灯的点亮顺序和时间。

顺序脉冲发生器是彩灯控制电路的关键电路。

二、 电路的设计与分析

1、 主电路的设计

根据概述中介绍的循环彩灯的基本组成部分，可以确定循环彩灯控制电路主要由直流电流、时钟脉冲发生器、顺序脉冲发生器等几大部分组成，则所设计的主电路如图2.1所示

图2.1

2、 单元电路的分析与设计 2.1桥式整流电容滤波电路

桥式整流电容滤波电路由四个二极管和一个电解电容、集成稳压器CW7805组成，如图2.2所示

图2.2

Ui的电压为标准的正弦波，如图2.3所示；当ui处于正半周时,D1、D3导通，D2、D4截止，当ui处于负半周时，D2、D4导通， D1、D3截止，无论ui处于正半周或负半周，电流始终由上而下的流过负载，波形如图2.4所示；当D1、D3导通，D2、D4截止时，由于电容的两端电压不能突变，所以输出电压u1近似等于uc，电容开始放电直到u1大于电容两端uc的电压，此时电容又开始充电；当D2、D4导通， D1、D3截止即u1达到 且下降时，电容C又开始对负载放电，其两端的电压开始下降，直到u1的电压大于其两端的电压，它才开始充电，如此反复进行，波形如图2.5所示。

集成稳压器CW7805,属于集成稳压器的CW7800系列，后两位数字05表示其输出电压为+5V。

图2.3

图2.4

图2.5

2.2时钟发生器

2.2.1时钟发生器的原理

时钟发生器可由555定时器构成的多谐振荡器产生，本次课程设计中的时钟发生器是由555定时器（IC1）及外接元件Rw、R1、C1组成的典型自激多谐振荡器,如图2.6所示。电位器Rw用来调节震荡频率，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

彩灯控制电路的时钟频率通常都较低，最高也不超过数十赫兹，最低可达零点几赫兹。设计时，电容C1的容量应取大些，以减小分布电容的影响。

图2.6 用555定时器构成的多谐振荡器

2.2.2 555定时器的资料

图2.6为555定时器的封装图

图2.7

图2.7为555定时器的管脚图

图2.7

2.3顺序脉冲发生器

2.3.1顺序脉冲发生器的原理

顺序脉冲发生电路在时钟脉冲的作用下，能输出在时间上有先后顺序的脉冲。它一般由计数器和译码器组成，采用的计数器应该具有加法计数和减法计数两种功能，以便为改变彩灯点亮的方向提供方便。

本课程设计中采用的是CD4510十进制加/减法计数器（四位BCD输出），此计数器具有较强的带负载能力，并且能够输出较大的驱动电流，注意图2.1中C2、R2组成是微分电路，接至计数器的清零端CR，以便在开机时，使清零端得到一个高电平脉冲，使计数器清零。

在选择译码器时，要注意和计数器相配合，因为计数器的输出端直接与译码器相连，本次课程设计采用的是CD4028型的译码器，它是4线-10线译码器，当输入为四位BCD码时，该译码器的十个输出端将依次输出高电平。

由于译码器CD4028只有10个输出端，所以它最多能控制十路彩灯循环。 2.3.2 CD4510的资料 图2.8为CD4510的管脚图

图2.8

Q0～Q3是计数器的输出端，CR为计数器的清零端，CP为时钟触发端，U/D＇端是用来决定计数器是进行加法计数还是减法计数，当在U/D＇端加高电位时CD4510实现的是加法计数功能，而当U/D＇端加的是低电位时CD4510实现的是减法计数功能。

2.3.3 CD4028的资料 图2.9为CD4028的管脚图

图2.9

A0、A1、A2、A3为输入端，Y0～Y9为输出端，其逻辑功能见表1

表1 CD4028的功能表

输入 A 0 0 0 0 0 0 0 0 1 B 0 0 0 0 1 1 1 1 0 C 0 0 1 1 0 0 1 1 0 D 0 1 0 1 0 1 0 1 0 Y0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 Y1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 Y2 0 0 1 0 0 0 0 0 0 Y3 0 0 0 1 0 0 0 0 0 输出 Y4 0 0 0 0 1 0 0 0 0 Y5 0 0 0 0 0 1 0 0 0 Y6 0 0 0 0 0 0 1 0 0 Y7 0 0 0 0 0 0 0 1 0 Y8 0 0 0 0 0 0 0 0 1 Y9 0 0 0 0 0 0 0 0 0

续表1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2.4 加减计数的控制电路

2.4.1加减计数的控制电路原理

为了使彩灯点亮的顺序具有双向流动的效果，必须使计数器交替进行加法计数和减法计数。因此，需要计数器的U/D＇端交替得到高、低电平的控制信号。

这部分的控制部分由三极管T1和双D触发器74LS74来完成，接线图如图2.9

图2.10

图中三极管T1构成的是反相器，当CP无触发脉冲，即灯处于原始状态为工作时，清零端R为低电平，则触发器复位，输出端Q为低电平，Q＇则输出高电平，D端也为高电平，并送到CD4510的U/D＇端，那么计数器CD4510开始做加法计数，译码器CD4028的输入端依次获得高电平，并且其输出端也依次输出高电平至三极管T2、T3 、T4，彩灯依次被点亮形成正向流动；而当Y2由高电平变为低电平，即CP获得下降沿脉冲，D触发器开始工作，由于D端与Q＇端相连，所以D端为高电平，则输出端Q为高电平，Q＇端变为低电平且送到CD4510的U/D＇端，则计数器CD4510由加法计数变为减法计数，译码器CD4028的输入端依次获得低电平，并且其输出端也依次输出低电平至三极管T2、T3 、T4，彩灯由刚刚的正向流动接着反向流动，如此反复，形成循环。

由此可见，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＇，使计数器反复进行加法→减法→加法→减法……计数，从而达到使彩灯按双向流动的顺序被点亮。

图2.1中的发光二极管用来显示对应支路彩灯被点亮的情况，与其串联的180Ω电阻为限流电阻，防止发光二极管因电流过大而被烧坏。

2.4.2 74LS74的资料 图2.11为74LS74的管脚图

图2.11

74LS74为双D触发器，R＇为直接清零端，D为输入端，CP为下降沿触发端，Q为输出端逻辑功

能见表2

表2 74LS74的功能表

输入 CP X X R＇ 0 X 1 1 S＇ X 1 0 0 D X X 0 1 Q 0 1 0 1 输出 Q＇ 1 0 1 0 2.5彩灯的路数及连接方式 2.5.1 彩灯的路数

循环彩灯的路数由于受到了译码器CD4028输出端（10端）的控制，最多能够实现10路彩灯的循环，本次课程设计只选择了三路彩灯，如果要增加彩灯的路数，只需将双D触发器的CP端接到译码器CD4028相应的输出端即可，如需要5路输出，则可将双D触发器的CP端接到译码器CD4028的Y4端,便可以产生8路彩灯循环流动的效果。 2.5.2 彩灯的连接方式

彩灯可以并联到220V的电源两端，也可以串联之220V电源的两端，如图2.11，要注意串联时应使串入得彩灯的个数等于220V/每个彩灯的耐压值。根据要求，彩灯可以排列成各种不同的图形，如直线、圆形、星形，还可以组成文字字形等等。

图2.12

三、 电路的调试与检测

在设计好电路原理图之后，先仔细的对照原理图在面包板上将电路依次插好，电路插好后不要急着接通电源，先认真的检查一下各个元器件的连接是否正确，特别要注意的是各个集成块的引脚接线、三极管的三个引脚接线、二极管的正负极接线、电解电容的正负极接线以及各个部分的电源接线和接地接线。用万用表检查各个连接线是否存在接触不良等现象。然后分以下几个步骤进行检查和调试：

1、 观察发光二极管是否发光

接通电源后，发光二极管应逐个闪亮，循环反复，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（应分别为7V和5V）是否正常，然后再检查各元器件的管脚接线是否插好，各发光二极管的阴极是否都正确的接地，并检查各射集输出器的集电极是否接入直流电源，再次用万用表确定各元器件的管脚接线接触良好。

若发光二极管正常发亮，则可确定电路已正常工作。 2、 检查震荡器是否起振

若发光二极管只有LED1常亮而其余均不亮，则表明逻辑电路有问题，应先检查555定时器是否起振，可用万用表电压档测定时器的输出端3脚是否有信号产生，先将电位器Rw调到电阻值为最大位置，使振荡频率最低，万用表用10V电压档，红表笔接3脚，黑表笔接地，观察万用表的指针是否有摆动，若指针摆动，说明震荡器输出了时钟脉冲信号。

若发光二极管正常发亮，则可确定电路已正常工作。若发光二极管仍不能逐个闪亮，则就要检查计数器和译码器是否正常工作了。

3、 检查计数和译码器

若振荡器有信号输出，但发光二极管仍不能逐个闪亮，此时就要检查计数器和译码器的工作是否正常，同样检测译码器的输出端是否依次输出高电平，查看电源端和接地端是否接触良好，使用有计数允许控制端的计数时，要检查该端是否为有效状态，若都正常，则可能是采用的计数器或译码器组件损害，此时应更换新的组件，再进行检查。

4、 带载试验

上述检查正常后，可将三极管及发光二极管接入相应的电路中。此时，发光二极管应逐个被点亮，若没有则可能是三极管的三个管脚接触有错，或发光二极管的正负极接触有误，检查后电路一般可以正常工作，出现循环闪亮的现象。

5、 灯光移动速度的调试

灯光移动速度取决于震荡器的矩形波的频率，改变电位器Rw阻值的大小即相应改变振荡频率。可把Rw调至阻值最大，这时的移动速度应该最慢。再将Rw调至阻值最小（振荡频率最高），这时的移动速度最快。然后逐渐改变电位器Rw的滑动端，移动的速度将会相应的变快或变慢。若移动速度不可调，则很可能是电位器本身有问题，应给予调换。如果彩灯全都被点亮，则说明有可能是频率设计的过高了，这时就要改动振荡器的定时元器件了，即加大电阻值。

四、 效果图

图4.1中的a）、b）、c)、d）、e）图分别是发光二极管的点亮顺序，第一次红灯被点亮，如图a）所示，然后是黄灯被点亮，如图b），第三次是绿灯被点亮，如图c),然后开始循环，所以第四次又是黄灯被点亮，如图d),第五次是红灯又被点亮，如图e）所示，如此，反反复复交替的进行。

图a）

图b）

图c）

图d)

图e) 图4.1

五、 总结

在老师和同学的共同讨论下，终于完成了此次的循环彩灯控制器的课程设计，在课程设计过程中不仅

使我对老师上课时所涉及到的内容有了更加深刻的理解与掌握，并且也学会了再遇到问题时该怎么借助于已有的参考资料以及网络，如何识别集成块的管脚，怎么去找各个元器件的基本资料，如何识别电阻的阻值，如何分辨发光二极管的正负极，如何分析电路中每部分电路的作用和理论知识以及它们的接线方式，在面包板上如何设计才能使插好的电路美观又不会浪费有限的材料，如导线，电路接好后，若出现问题该

怎么去分析故障的所在，又该怎么去排除故障。如我在接好电路板后就出现红灯一直亮而黄灯和绿灯却不亮的现象，我在万用表的帮助下先是检查了各个部分的电源接线和接地接线，在确定这两部分煤问题后我又用万用表的电压档检查了三极管的三个基极是否依次的被输入高电平，结果只有T2的基极被送入了高电平，而T3和T4的基极没有，接着将万用表调至电阻档，调零之后检查了译码器的各个输出端是否接触良好，结果Y1的输出端由于导线插入到面包板内部的部分被剪断了，以至于Y1的信号根本没被送入到T3，所以才会出现上诉现象，在做课程设计时，由于频繁的用到原理图，所以也让自己对Protel 99 SE 的使用有了进一步的了解与掌握，在整个电路的制作过程中也体会到了和同学之间团结合作的乐趣，也增进了彼此的了解。 参考文献

[1] 邱关源．《电路（第五版）》．高等教育出版社． [2] 阎石．《数字电子技术基本教程》．侵华大学出版社． [3] 侵华大学电子学教研组．《模拟电子技术基础（第三版）》． [4]《数字电路课程设计及实验》

附录：

表1 电阻色环表 黑 综 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 金 银 有效 数字 数量级 允许偏差

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - - 10^0 10^1 10^2 10^3 10^4 10^5 10^6 10^7 10^8 10^9 10^-1 10^-2 - ±1 ±2 - - ±0.5 ±0.25 ±0.1 - +50 -20 ±5 ±10 表2 元器件清单

名称 降压变压器 整流桥 电解电容 电解电容C1 滤波电容C2 集成稳压器 NPN三级管 发光二极管 发光二极管 发光二极管 电阻 电阻R1 电阻R2 电阻R3 电阻R4 电位器Rw 集成电路IC1 集成电路IC2 集成电路IC3 集成电路IC4 面包板 型号 输入220V，输出7V，20W 型号2W08 4700 uF 3.3 uF 0.1 uF CW7805 9013 红 黄 绿 180Ω 51KΩ 15KΩ 50KΩ 4.7KΩ 2MΩ 555定时器 十进制加/减法计数器CD4510 4线-10线译码器CD4028 双D触发器74LS74 SYB-120 1 1 2 1 1 1 4 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 数量

续表2 导线

若干 2米