1、 模拟电子技术课程设计题 目：彩灯控制器设计 院 系：工学院电气与电子工程系 专 业：自动化 班 级：自动化 1502 姓 名：姜宇鹏 学 号：201502022010 指导教师：曲春风 完成日期：2016 年 12 月 成绩：摘要随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED 彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。在这样的大环境下，我们需要开发出更加时尚，而且电路简单，功能更多的多路彩灯控制器，使得它能在不同的场合，不同时间段，能够有不同的闪烁频率。本文用 555 定时器，cd4017
2、脉冲分配器作为主要元器件，通过这个元器件的工作特点，实现彩灯的各种序列变换，进行彩灯控制的初步探索和研究， 设计的思想是以最少的芯片数量，制作成体积小、功耗低，并且具有很好的可靠性和可扩展性。全部的设计仿真都用 protus 软件来实现。关键词：彩灯 元器件 仿真设计任务与要求(1)共有红、绿、黄 3 色彩灯各 9 个，要求按一定顺序和时间关系运行。(2)动作要求：先红灯，后绿灯，再黄灯，分别按 0.5S 的速度跑动一次，然后，全部红灯亮 5S，再黄灯，后绿灯，各一次。以此循环。(3)对各组灯的控制，要求有驱动电路。(4)对跑动电路，可以每 3 个一组，交叉安装，分别点亮每一组，利用视觉暂停，
3、达到跑动的效果。目录 1.彩灯控制器的构成及整体电路方框图： .12 总体设计方案 .23 方案电路各部分的原理及其设计 .43.1 脉冲发生电路 .43.1.1 NE555 芯片功能简述 .43.1.3 电路原理及设计： .53.2 译码及分频电路 .63.2.1 CD4017 功能简述 .63.2.2 CD4017 逻辑结构图： .63.2.3 设计电路及原理： .73.3 驱动及显示电路 .84 仿真结果及分析 .104.1 仿真结果 .104.2 仿真结果分析 .125 心得与体会 .136 参考文献 .14附录一：元件清单 .15表 3 原件清单 .1501.彩灯控制器的构成及整体电
4、路方框图：设计的总电路由循环控制电路、序列控制电路、输出电路三部分组成，其中序列控制电路又包括自然序列、奇偶序列和音乐序列控制电路。其工作流程是通过循环电路控制序列电路中序列的循环，再由输出电路输出序列。其工作框图如图 1 所示：图 1 彩灯控制电路总图循环控制电路 序列控制电路输出电路 脉冲LED 彩灯计数器清零电路12 总体设计方案采用 555 定时器、cd4017 脉冲分配器、2n5551 三极管以及一些电阻、电容等器件来设计。这些芯片的不同接法可实现不同的功能，简单方便，序列由数码管输出，序列的输出可通过译码器来控制，序列显示的时间通过调节脉冲信号的频率来进行调控，此方案的具体设计思路
5、如下：1.利用 555 定时器来实现连续可调的脉冲。以实现序列时间间隔变化的控制。进而改变彩灯的闪烁频率。2.用 CD4017 脉冲分配器实现对 555 脉冲的分配，实现彩灯的流水花样，同时通过串联下一级的 CD4017 实现对脉冲的十分频。进而使彩灯实现原频率的十分之一的速率闪烁 3.通过使用 2N5551 三极管的开关功能实现对彩灯花样的变换图 1：脉冲发生及脉冲分配分频电路23 方案电路各部分的原理及其设计3.1 脉冲发生电路3.1.1 NE555 芯片功能简述555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5
6、脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为 VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于 VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于 VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为低电平。单稳态模式：在此模式下，555 功能为单次触发。应用范围包括定时器，脉冲丢失检测，反弹跳开关，轻触开关，分频器，电容测量，脉冲宽度调制（PWM）等。无稳态模式：在此模式下，555 以振荡器的方
7、式工作。这一工作模式下的 555 芯片常被用于频闪灯、脉冲发生器、逻辑电路时钟、音调发生器、脉冲位置调制（PPM）等电路中。如果使用热敏电阻作为定时电阻，555 可构成温度传感器，其输出信号的频率由温度决定。双稳态模式（或称施密特触发器模式：在 DIS 引脚空置且不外接电容的情况下，555的工作方式类似于一个 RS 触发器，可用于构成锁存开关。3.1.2 NE555 芯片引脚图：图 3：NE555 芯片引脚图3.1.3 电路原理及设计：产生信号脉冲的方法很多，可直接接入电压源脉冲信号，还可用多谐振荡器产生方3波信号。本设计选用的是用多谐振荡器。它是一种在接通电源后。选用的电路由 555 定时器
8、构成的，因为 555 定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用它组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，这样使产生的矩形波更稳定。 其电路图如图十五所示。设 R3 和 R2 的上半部分为 RA，R1 和 R2 的下半部分为 RB，电容 C2 两端的电压为 VC。接通电源后，电容 C2 被充电，当 VC 上升到 2/3VCC 时，使输出电压为低电平，此时电容 C2 通过 RB VC 下降。当 VC 下降到 2/3VCC 时，V0 翻转为高电平。当放电结束后，VCC 将通过 RA 和 RB 向电容器 C2 充电，当 VC 上升到 2/3VCC 时，电路又翻转为低电平
9、。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。同时可通过调节滑动变阻器的阻值调节输出脉冲的频率。图 4：脉冲发生电路43.2 译码及分频电路3.2.1 CD4017 功能简述CD4017 是 5 位 Johnson 计算器，具有 10 个译码输出端，CP，CR，INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH为低电平时，计算器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。Johnson 计数器，提供了快速操作，2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对
10、应时钟周期内保持高电平。在每 10 个时钟输入周期 CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。53.2.2 CD4017 逻辑结构图：图 5：CD4017 内部结构3.2.3 设计电路及原理：通过两片 CD4017 的串连，通过脉冲信号发生电路发送的脉冲信号，使第一级 CD4017的 Q0Q9 十个端口进行移位控制，进而控制九个小彩灯以脉冲频率 0.5s 的流水花样闪烁。同时使用第一级的 Q9 端口输出的脉冲信号作为第二级 CD4017 的输入脉冲实现对脉冲信6号的十分频，使第二级 CD4017 的输出端口以 555 脉冲频率的十分之一频率移位。同时第二级 CD4017 的 MR 清零端与 Q4 端口相连接使得移位在 Q0-Q3 之间循环进行。进而实现Q0-Q3 之间高电平循环移位。图 6：译码及分频电路3.3 驱动及显示电路发光二极管选用红黄绿三色各三颗，同时使用 18 个 2N5551 三极管作为发光二极管的驱动以及开关。进行花样一 LED 流水灯的时候（Q1-Q9）九个三极管的集电极接到第二级 CD4017 的 Q1 端口，基极分别接到第一级 CD4017 的 Q0-Q8 端口，在上电时第二级
