簡易燈光控制

1、l 廣西科技大學簡易燈光控制器楊寧 一、設計任務1. 課程性質電子設計與實踐。2. 課程目的訓練學生綜合所學的模電、數電的基本知識，包括熟悉集成電路的引腳安排，各芯片的邏輯功能及使用方法，了解PCB電路板的畫法，通過使用Multisim軟件的仿真技術，獨立完整地設計一定功能的電子電路，以及仿真和調試的綜合能力。3. 設計要求要求依次點亮4個LED燈，每個LED燈亮1秒，滅3秒，同一時刻只有一個燈亮。4. 簡易燈光控制器概述通過設計升壓、穩(wěn)壓電路，由18650鋰電池供電，產生穩(wěn)定的5V電壓供電路電源需要?？刂葡到y(tǒng)的信號脈沖由兩個555定時器產生，用555-A構成多諧振蕩器兼斯密特電路，產生穩(wěn)定的

2、高頻方波；用555-B構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，通過改變RC的值，產生穩(wěn)定的1S暫態(tài)方波。然后通過555-A產生的高頻方波信號對555-B產生的1S暫態(tài)方波進行高密度的實時采樣，這樣555-B就可以固定的產生穩(wěn)定的1S高電平方波，再通過74LS04的一個反相器，即可構成1S固定定時的上升沿脈沖波形。最后以固定1S的上升沿脈沖輸入，用74LS194移位寄存器實現4個LED燈達到設計要求的亮滅。二、設計思路1. 電源設計 要產生一個穩(wěn)定可靠的脈沖信號，電源的穩(wěn)定供給很重要。由于條件的限制，手上有的是一個3.7V的鋰電池，不滿足芯片5V供電的需要。因此設計了一個升壓電路，采用XL6009直流型電壓變換器

3、芯片，XL6009是常用的電壓變換器芯片，其典型電路簡單，容易控制輸出電壓等優(yōu)點而受人歡迎。升壓電路原理圖如圖1：圖1圖1中，DC為電池輸入，S2為按鍵開關，最右側即為升壓電路。圖中1、4引腳接電源，2是使能端（高電平有效），3端輸出的是方波信號，做為開關，當3輸出低電平時D1截止，電感L1作為儲能元件儲存電壓，電容C3，R2與R3組成一個回路放電，使輸出電壓下降。當3輸出高電平時，D1導通，電感L1向電容C3兩端充電，輸出電壓升高。R2、R1是XL6009內部組成的電壓放大器，作為負反饋穩(wěn)定輸出電壓，由電阻R2、R1控制輸出電壓值，公式：Uout=1.25*(1+R2/R1)。我們需要10V

4、的電壓，因此設置R2=7.5K，R1=1K。為了輸出5V電壓的穩(wěn)定，還設計5V的穩(wěn)壓電路，用到7805芯片，同樣的，7805芯片典型電路設計簡單，價格便宜，是人們常用的穩(wěn)壓芯片。電路圖如圖2： 圖2 電池實物圖：2. 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設計部分 用到555定時器來產生，555定時器是一種數字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，其應用十分廣泛。它是一種產生時間延遲和多種脈沖信號的電路，由于內部電壓標準使用了三個5K電阻，故取名555電路。555電路的工作原理555電路的內部電路方框圖如圖8-1所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關管T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構成分壓器提供。

5、它們分別使高電平比較器A1的同相輸入端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為VCC和VCC。A1與A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關狀態(tài)。當輸入信號自6腳，即高電平觸發(fā)輸出并超過參考電平VCC時，觸發(fā)器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于VCC時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電開關管截止。555定時器原理圖如圖3：圖3 設計成的單穩(wěn)態(tài)電路如圖4：圖4 圖4為由555定時器和外接定時元件R、C構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。觸發(fā)電路由C3、R4、D1構成，其中D1為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端處于電源電平，內部放電開關管T導通，輸

6、出端F輸出低電平，當有一個外部負脈沖觸發(fā)信號經C3加到2端。并使2端電位瞬時低于VCC，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個暫態(tài)過程，電容C3開始充電，VC按指數規(guī)律增長。當VC充電到VCC時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉，輸出VO從高電平返回低電平，放電開關管T重新導通，電容C3上的電荷很快經放電開關管放電，暫態(tài)結束，恢復穩(wěn)態(tài)，為下個觸發(fā)脈沖的來到做好準備。波形圖如圖5所示： 圖5 暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間tw（即為延時時間）決定于外接元件R3、C3的大小。tw=1.1R3C3 通過改變R3、C3的大小，可使延時時間在幾個微秒到幾十分鐘之間變化。當這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時器時，可直接驅動小型繼電

7、器，并可以使用復位端（4腳）接地的方法來中止暫態(tài)，重新計時。此外尚須用一個續(xù)流二極管與繼電器線圈反電勢損壞內部功率管。 我們需要定時1S，因此計算的R3=91K，C=1UF。 仿真出來的示波器圖如下： 由于1S定時時間很長，示波器很難看到一個周期的波形，如上圖波形，為第二個上升沿的產生，看不到第一個，該波形是單穩(wěn)態(tài)輸出的波形通過74LS04反響后，才形成的1S輸出上升沿，用來出發(fā)移位寄存器74LS194。 實物圖如下圖，波形為黃色部分：3. 多諧振蕩器電路設計部分通過對555定時器的認識，為了方便，我們采用了555定時器設計電路構成多諧振蕩器來產生穩(wěn)定的方波，由此方波對單穩(wěn)態(tài)1S定時實時采樣，

8、電路設計如圖6：圖6如圖6所示由555定時器和外接元件R1、R2、C1構成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2、向C1沖電，以及C1通過R2向放電端Ct放電,使電路產生振蕩。電容C1在VCC和VCC之間充電和放電，其波形如圖7所示。輸出信號的時間參數是T=tw1+tw2, t w1=0.7(R1+R2)C1, tw2=0.7R1C2 555電路要求R1與R2均應大于或等于1K,但R1+R2應小于或等于3.3M。外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率

9、輸出能力。因此這種形式的多諧振蕩器應用很廣。圖7如下： 因為產生方波只是用來采樣，頻率高一些即可，不需要特殊固定的頻率，因此，出于器件方便原因，我們設計的方波波形圖如圖下圖，周期約2ms：實物圖如圖：4. 移位寄存器實現LED亮滅部分用555定時器單穩(wěn)態(tài)電路產生1S延時波，通過反相器74LS04即可構成1S延時的上升沿波形信號，可通過該1S上升沿觸發(fā)移位寄存器74LS194實現4個LED一次亮滅，亮1S的功能。 74LS194的4位雙向通用移位寄存器,其中D3、D2、D1、DO為并行輸入端；Q3、Q2、Q1、Q0為并行輸入端；SR為右移串入輸入端，SL為左移串入輸入端；S1、S0為操作模式控制

10、端；為直接無條件清零端；CP為時鐘脈沖輸入端。74LS194有5種不同操作模式：即并行送數寄存，右移（方向由Q0Q3）, 左移（方向由Q3Q0）,保持及清零。S1、S0和端的控制作用如表1所示。CPCRS1S0功能Q3 Q2 Q1 Q00清零=0，使Q3Q2Q1Q0=0000,寄存器正常工作時，=1。111送數CP上升沿作用后，并行輸入數據送入寄存器。Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0此時串行數據（SR、SL）被禁止101右移串行數據送至右移輸入端SR、CP上升沿進行右移。Q3Q2Q1Q0= Q2Q1Q0DSR110左移串行數據送至左移輸入端SL、CP上升沿進行左移。Q3Q2Q1Q0= DSl

11、Q3Q2Q1100保持CP作用后寄存器內容保持不變。Q3Q2Q1Q0=QQQQ1保持Q3Q2Q1Q0=QQQQ把移位寄存器的輸出反饋到它的串行輸入端，就可以進行循環(huán)移位，如下圖，把輸出端Q3和右移串行輸入端SR相連接，設初始狀態(tài)Q3Q2Q1Q0=0001，則在時鐘脈沖作用下Q3Q2Q1Q0將依次變?yōu)?010010010000001,可見它是一個具有四個有效狀態(tài)的計數器，這種類型的計數器通常稱為環(huán)行計數器。圖9-1電路可以由各個輸出端輸出在時間上有先后順序的脈沖，因此也作為順序脈沖發(fā)生器。如果將輸出Q0與SL相連接，即可達到左移循環(huán)移位。我們只需設計其循環(huán)右移即可，相應移動方向也很容易做到。電路

12、設計原理圖如下圖：如上圖所示，A、B、C、D為初始值設定，相應輸出為QA、QB、QC、QD，輸出端為高電平則LED亮，因此設定A=1,B=0,C=0,D=0。循環(huán)右移，固把QD端接到SR端即可，由74LS194真值表可知，該電路不會自動發(fā)生移位，需要首先容初值，因此設計了一個自鎖按鈕開關J1，S0固定接到高電平，通過改變S1的高低電平，從而實現寄存器的送初值，和進行以為操作。為了防止電壓太高，燒壞LED，在LED線路上加了電阻來分壓。上升沿出發(fā)仿真圖如下：由圖知，當上升沿到達時，出發(fā)74LS194LED2亮，原來的LED1滅，亮的時間為1S，仿真時間過長，看不到，所以只能有這樣的圖像了。三、

13、整體電路圖 Multisim仿真圖：PCB原理圖：四、 總體PCB電路圖3D效果圖：五、 整體實物圖底部線路圖： 六、元件清單七、分析與總結這幾天實習，鍛煉了我的電路設計能力和動手的能力，也使我通過親身實踐掌握了一些中規(guī)模集成器件的使用技巧與方法，而不僅限于書本上的理論知識，讓我受益非淺。實習就是將理論付之于實踐的過程，如何能更好地用自己的知識來實現實驗的要求的功能，這不僅要看我們所學的知識是否扎實，更重要的是要有能把書本知識運用在實際電路中的能力。即便一個人理論知識非常充分，然而卻缺乏動手能力，那也不過是紙上談兵，沒有多大的意義。本次數字電路課程設計就是很好的例子。同時，做實驗時一定要細心、耐心，要有堅持的毅力。對于現在缺乏實踐經驗的我們來說，這是一個艱苦的過程。因為剛開始接觸，可能對某些芯片及其用法不甚了解，于是，要在電路設計的環(huán)節(jié)，花費時間很多時間。但是如果自己通過翻閱資料，或者請教老師同學，努力了也堅持了下來，那么所掌握的，就不僅僅是課本上的簡單理論，而是豐富的實踐經驗，這些經驗對于以后的工作或學習將有很大的幫助。這次實驗讓我們又一次鞏固并復習我們所學的數字電路邏輯設計這一門課程的知識，也為以后更深入的學習做了一個好的開端，是一次提升自我的實驗。因為它不僅是一次鍛煉動