节拍速度渐变的彩灯控制器

合肥工业大学电子技术课程设计——节拍速度渐变的彩灯控制器班级：测控技术与仪器11-3班组长：吕想20110124成员：李淋20110097赛比江20110099联系方式：[e-mail]目录：1.设计要求--------------------22.设计思路与原理---------------23.设计分析（1）调制信号--------------------3（2）压控部分---------------------3（3）连续信号的产生----------------5（4）逻辑电路---------------------5（5）发光二极管-------------------64.电路仿真图及实物连接电路图-------------------75.所需材料表----------------------76.参考文献-----------------------8一、设计要求:在街道、商场或公共场所通常装有各种五彩斑斓的灯饰，美化人们的生活空间。用电子电路设计一个彩灯控制器，控制红绿黄三个灯，按一定规律依次点亮。由电子电路实现一个循环闪亮、具有“流水”般效果的彩灯控制器，并能实现流水的速度有渐变效果。主要要求及指标：1．红黄绿三组彩灯循环闪亮，变化规律是：红－红绿－绿－黄绿－黄－全亮－全灭－红，如此循环，产生“流水”般的效果；2．流水的速度由快到慢，再由慢到快。3．彩灯白天不亮，晚间自动亮；二、设计思路与原理:节拍速度渐变的彩灯控制器由以下几部分组成：调制信号、压控振荡、逻辑译码电路、光控电路。其中压控振荡是难点。设计总体思路：1.要求彩灯的流水速度又快到慢，再由快到慢，则可利用555定时器的多谐振荡功能，利用两个555定时器和一个电压跟随器连接来产生周期变化的脉冲。控制电压可用变化慢的三角波。2.将这种变化的脉冲输入到161计数器的时钟信号输入端，使计数器产生连续的信号，由于红黄绿三组彩灯循环闪亮，变化规律是：红－红绿－绿－黄绿－黄－全亮－全灭－红，共有七个状态，因此将161计数器用置零法或置数法改成七进制，同样根据彩灯变化的状态，可以利用138译码器的译码功能将计数器连续输出的信号转换成各个彩灯的状态输出。3.要求彩灯白天不亮，晚间自动亮，则可以直接利用光敏器件检测电路接138译码器的使能端达到要求。因此可以得出节拍速度渐变的彩灯控制器的工作原理框图为四:设计分析LED1LED2调制信号（三角波）压控振荡（555多谐振荡器）流水态电路161计数器逻1138译码器电黄绿Q2Q1Q0用光敏器件检测电路1.调制信号及压控部分：设计任务要求彩灯变化由快到慢，再由慢到快。即输入方波信号的频率是循环变化的，在一个周期内，频率高低不断的变化，实现高到低，低到高。利用两片555定时器来实现，将第一片555中电容两端的三角波信号送给第二片555定时器的电压控制端。即5号角。在555定时器中，当电压控制端（5号脚）通过电容接地时，比较电平即为1/3Vcc和2/3Vcc，比较电平不变，故电容充放电的时间也不变，555定时器输出的方波信号的频率不变。当电压控制端（5号脚）接控制电压时，则比较电平变为1/2Con和Con，又控制电压为第一个555中电容的三角波，在一个三角波周期当中，Con在不断变化，当将其送给第二个555的5号脚时，即555的比较电平也在不断变化，当三角波的周期大于第二个555的周期时，即可在一个三角波周期内，实现第二个555输出方波的频率由低到高，再由高到低。从而满足彩灯的变化过程是由慢到快，再由快到慢，不断循环变化。仿真时的波形为：但在仿真软件上仿真时，选择的周期过大时，仿真的图形不明显，故在电脑上仿真时选择的电阻电容要合适，不能过大。在实物连接时，由于要观察彩灯渐变的过程，选择的周期应稍微大点，且在实物连接时采用741芯片作为电压跟随器。2.连续信号的产生及逻辑电路：分析：一个循环过程：红-红绿-绿-黄绿-黄-全亮-全灭，共有7个状态。可用74LS161计数器，用清零法将其改成七进制循环计数器，使循环状态由0000到0110。用与非门将QA、QB、QC端连接到CLR端，LOAD端接高电平，使能端ENP及ENT端也接高电平，这样便将74LS161改为七进制的计数器，可用它产生由0000到0110的循环信号。然后将74LS161的QA、QB、QC端分别接到74LS138的A、B、C端作为138译码器的输入端，根据所给的状态可列出真值表如下QDQCQBQARGY0000001000101100100100011110010010001011110110000可求得R=Y0+Y1+Y5G=Y1+Y2+Y3+Y5Y=Y3+Y4+Y5因此，可将上面的式子，转为与非形式后经由与非门输出连接到相应的彩灯即可。在设计的过程中，因为采用了发光二极管，TTL门电路输入的高电平（拉电流）只有400uA（0.4mA），而发光二极管的发光电流约为5mA，故必须加上驱动电路，发光而近日管才能正常发光。TTL门电路输出的低电平（灌电流）的电流大小约为8mA，足以使二极管发光。考虑到门电路输出低电平时二极管才能发光，所以经过74LS138译码之后直接用与门将信号送给发光二极管即可。所以逻辑信号电路完整的电路图为：3.发光二极管电路图：U10OPAMP_3T_BASICR720kΩKey=A50%R810kΩ028VDD2.5VVDDVCC5VVCC分析：根据白天不亮，晚上亮的要求，以及光敏电阻的亮、暗电阻变化，我们设计了电压比较器模拟光敏电阻接入芯片74LS138的G1（高电平使能端），当滑动变阻器接入阻值较小时，相当于白天；当滑动变阻器接入阻值较大时相当于夜晚，达到发光二极管随光线变化的效果。但在实验的过程中，发现试验箱本身并没有提供2.5V的电压，只有5V,-5V,12V,-12V，为了充分利用试验箱提供的电压，将比较器电路改为：四、电路仿真图及实物连接电路图仿真过程的完整电路图为：实验时实物连接的电路完整电路图为：R84.7kΩR610kΩKey=A50%U1ALM324N321141VDD-5VVDD00VCC5VVCC9五．实验时所遇到的问题及解决的办法1.在连接实物时，应注意二极管的阳极与阴极。实验时，小组成员刚开始都没有注意到这个问题，在连接好调制信号和压控部分的电路时，用示波器观察输出的波形，但无论怎么调节示波器都无法得到三角波或者是方波。在排除了连接导线的接触不良等因素之后，小组成员一致认为可能是二极管的阴阳极接反了，最后利用万用表检测，证实确实是二极管接反了，改正电路后用示波器观察在第一个555的充放电电容上得到了三角波，在第二个555的输出端（3号脚）上得到了方波，由于方波的频率是变化的，用示波器观察时不易调节，故观察得到的方波频率变化不是特别明显。2.运算放大器与比较器的问题，在仿真时，只是随便选择了两个运放来连接成电压跟随器和电压比较器（模拟光控电路），在实物连接时，刚开始选择了两个uA741运放，但在连接好比较器之后，将输出的信号接到74LS138的G1（高电平有效）使能端，发现不管怎么移动滑动变阻器，彩灯都是按照原来的要求正常发光，即G1端始终是高电平，并不能实现光控的功能，一开始认为接入的电阻和滑动变阻器的阻值不匹配，或者是电阻的阻值不准确，用万用表检查发现没有问题。再次用用万用表检测比较器输出的电压，发现在移动滑动变阻器的过程中，输出的电压是VCC5VU2LM555CNGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2U3LM555CNGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R1100kΩR2100kΩR310kΩR4100kΩC1100uFC21uFC310uF3U574LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2R84.7kΩD11N5402D21N540251U674LS138NY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16~G2A4~G2B52U474LS10N1A1B2A2B2C2YGND3Y3C3B3A1Y1CVCCR610kΩKey=A50%1413121141519202216106U1074132476517U1ALM324N3211410VDD-5VVDD00U774LS20D1A1BNC1C1D1YGND2Y2D2CNC12B2AVCC红2.5V绿2.5V21黄2.5V23170VCCVCC5V818VCC9不断变化的，但都不会出现负电压，即运放是工作在线性区，即使接上了正反馈电阻也不会出现负电压，仍然工作在线性区。所以用uA741连接的电路并不能实现比较器的功能，最后将LM324代替uA741连接路组成了一个比较器，实现了光控的功能。原因是在电脑仿真软件上的运放都是理想运放，故可以连成比较器，但在实际的器件中，运算放大器的线性区是比较宽的，但比较器的线性工作区就很窄。所以uA741并不能代替LM324连接成一个比较器电路，实现光控功能。五.所需材料表·元件名称·规格及用途·数量电阻100千欧3电阻10千欧1电阻4.7千欧1滑动变阻器10千欧1电容100uF、0.1uF、10uF各1个555定时器构成多谐振荡器，输出脉冲274LS138译码器174LS161计数器174LS103输入三与非门174LS204输入二与非门1uA741运算放大器1LM324比较器1二极管——2六．参考文献华成英主编模拟电子技术基本教程清华大学出版社林红主编张世军，周鑫霞编著数字电路与逻辑设计清华大学出版社吴敏，张成彧，戴雷主编电工电子实验与仿真安徽人民出版社江捷,马志成主编数字电子技术基础北京工业大学出版社,2009林志琦蒋惠萍编著信号发生电路原理与实用设计人民邮电出版社