双向流动彩灯控制设计

摘要
用音频信号发生器进行音乐控制，控制五路彩灯，每路100W，220V的白炽灯为负载，点亮彩灯双向流动的闪烁频率在1-10H内连续可调。

该设计经过Multisim软件的仿真。

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

Multisim的基本概念是：工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

关键词：双向流动彩灯控制器；Multisim ；
目录
1、绪论 (3)
2、方案的确定（系统工作原理） (4)
3、工作原理、硬件电路的设计或参数的计算 (4)
3.1、总体电路的确定 (4)
3.2、单元电路的分析与设计 (5)
3.2.1、时钟发生器电路的设计 (5)
3.2.2、顺序脉冲发生电路的设计 (6)
3.2.3、可控硅输出电路的设计 (8)
3.2.4、彩灯点亮方向控制器电路的设计 (10)
4、仿真 (11)
4.1、对时钟发生器电路设计的仿真 (11)
4.2、对彩灯点亮顺序和方向控制电路的仿真 (12)
4.3、对整体电路的仿真 (15)
5、安装与调试 (16)
6、结论 (18)
7、心得体会 (18)
参考文献 (19)
1、绪论
彩灯，又名花灯，是我国普遍流行的传统的民间的综合性的工艺品，彩灯艺术也就是灯的综合性的装饰艺术。

彩灯的产生是人类运用火、发明灯、制造灯具等发展而来的，随着我国科学技术的发展，彩灯艺术更是花样翻新，奇招频出，传统的制灯工艺和现代科学技术紧密结合，将电子、建筑、机械、遥控、声学、光导纤维等新技术、新工艺用于彩灯的设计制作，把行、色、光、声、动相结合，思想性。

知识性、趣味性、艺术性相统一的典范。

现今生活中，市场上为能吸引顾客注意；搞出各式各样的方法，其中彩灯的装饰便是一种非常普遍的一种，即可起装饰宣传作用，又可以烘托起现场气氛，城市也因众多的彩灯而变得灿烂辉煌。

利用控制电路可使彩灯例如霓虹灯按一定的规律不断的改变状态，不仅可以获得良好的观赏效果，而且与全部彩灯始终全亮相比可以省电。

在本次课设中我们将设计一个彩灯控制器，经过本次课设我对彩灯有了一定的了解。

循环彩灯的电路有很多，循环的方式更是五花八门，且有专门的集成电路。

所设计的双向八路循环电路的大部分彩灯控制器是利用数字电路来实现的。

其中有涉及到的电路由多谐振荡器，计数器，译码器，彩灯双向控制器等集成。

本次课设的双向八路循环彩灯控制器是利用计数器和译码器来实现的，在启动时，控制器控制八路发光二极管使其能双向循环发光。

2、方案的确定（系统工作原理）
彩灯的控制的原理框图如图2.1所示。

图2.1 工作原理
市电220V 通过可控硅器件SCR 加至各彩灯1ZD 、2ZD 两端，当可控硅导通时，彩灯被点亮，否则熄灭。

可控硅的导通与否是由其可控极是否加入触发信号来决定的。

这些触发信号是由顺序脉冲发生电路给出的。

时钟发生器产生的时钟脉冲CP 送入顺序脉冲发生电路。

随着时钟脉冲的不断输入，顺序脉冲发生电路的各输出端依次变成高电平，形成时序控制信号。

时序控制信号经驱动电路送入可控硅的控制极，使各可控硅依次导通，于是各彩灯被依次点亮。

由上可见，彩灯的变化完全是由顺序脉冲发生电路输出的时序控制信号决定的，改变时序控制信号，即脉冲的产生顺序或周期等，就可以控制各个彩灯的点亮时间和顺序。

所以说，顺序脉冲产生电路是彩灯控制的关键电路。

3、工作原理、硬件电路的设计或参数的计算
3.1、总体电路的确定
根据设计要求和原理中介绍的彩灯控制电路的基本组成，可以确定彩灯控制
器应包含时钟发生器、可控硅触发器和直流电源等组成部分。

3.2、单元电路的分析与设计
3.2.1 、时钟发生器电路的设计
本设计的时钟信号电路的时钟发生器如图3.1所示，是由555定时器及其外接元件3R 、2R 、1C 组成的自激多谐振荡器。

用电位器3R 来调节振荡频率，以改变彩灯流动点亮的速度。

彩灯控制电路时钟频率通常都较低，设计时，要考虑到分布电容的影响，解决办法是加大电容1C 的容量()几微法拉以上。

如果由门电路构成的多谐振荡器来产生时钟信号，最好在振荡器的输出端接入非门，以对输出的振荡信号进行整形。

R11MΩ
Key=A
0%
图3.1 时钟发生器的单元电路
在图3.1中，接通电源后，首先将电容1C 充电，电容两端的电压值C V 逐步上升，当C V 增至2/3CC V 时，触发器复位，OUT 输出低电平，此时的电容1C 通过3R 和T 放电，使C V 下降。

当C V 下降到1/3CC V 时，触发器又被复位，OUT 输出端翻
转为高电平。

周期T 为 ：
231231(2)ln 20.7(2)0.102T R R R C R R R C =++=++≈s
时钟发生器的原理就是通过控制电容一冲一放来使多谐振荡器产生时钟信号，然后，通过调节滑动变阻器使多谐振荡器产生的时钟信号频率在1~10Hz 内连续可调。

3.2.2 、顺序脉冲发生电路的设计
在数字电路中,能按一定时间,一定顺序轮流输出脉冲波形的电路称为顺序
脉冲发生器。

顺序脉冲发生器也称脉冲分配器或节拍脉冲发生器,一般由计数器(包括移位寄存器型计数器)和译码器组成.作为时间基准的计数脉冲由计数器的输入端送入,译码器即将计数器状态译成输出端上的顺序脉冲,使输出端上的状态按一定时间,一定顺序轮流为1,或者轮流为0.前面介绍过的环形计数器的输出就是顺序脉冲,故可不加译码电路即可直接作为顺序脉冲发生器 。

为了改换彩灯点亮的方向方便一些，本次设计采用的计数器应具有加法和减法计数的功能。

具有这种技术功能的计数器很多，比如4510、4028等。

4510及4028的功能表和真值表分别如图3.2，3.3所示。

本次设计采用4510做计数器，
4510为十进制加/减计数器()BCD 四位码输出，并且带负载能力强，能输出较大
的驱动电流。

图3.2 芯片4510功能表
图3.3 芯片4028BD-5V 真值表
计数器的输出端是和译码器的输入端直接相连的，所以本设计采用4028，它是4线10 线译码器，当输入为4位BCD 码时，该译码器10个输出端的对应端编程高电平，可与4510互相配合。

顺序脉冲发生电路的电路图如图3.4所示，图中有一组微分电路，由3C 、4
R 组成，接至计数器4510清零端R ，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。

CLK 脉冲由时钟发生器单元电路的3端输出引入。

在4510计数器中，U/D 端加高电平进行加计数，加低电平进行减计数，输出端为1234Q Q Q Q 。

计数器的输出端加在译码器的输入端，译码器输出端直接与彩灯电路连接。

VCC
5V
VCC
C3
1µ
图3.4顺序脉冲发生器单元电路
3.2.3、可控硅输出电路的设计
由于可控硅只有导通和关断两种工作状态,所以它具有开关特性,这种特性
需要一定的条件才能转化：从关断到导通，条件一是阳极电位高于是阴极电位，
条件二是控制极有足够的正向电压和电流，两者缺一不可；维持导通状态，阳极
电位高于阴极电位与阳极电流大于维持电流两者缺一不可；从导通到关断，阳极
电位低于阴极电位与阳极电流小于维持电流任一条件即可。

所以要关断已经导通
的可控硅，应该把可控硅的阳极电流减小到维持电流以下，因此，电源电压过零
时可控硅被关断。

在可控硅输出电路中，译码器的输出信号作为可控硅控制极的触发脉冲，为
了增大输入到可控硅控制极的触发电流，插入了一级三极管射极输出器。

当译码
器某输出端为高电平时，使对应的三极管射极输出器导通，于是其射极有电流产
75电阻加到可控硅的控制极，则对应的可控硅就导通，使该路彩灯点生，通过Ω
亮。

○1双向可控硅的选取
在彩灯控制电路中，应用更广泛的是双向可控硅，它相当于把两个相同的可
只要控制极加有触发信号时，在控硅反向并联起来。

它用于交流控制电路中时()
交流电的正、副半周均可以被导通。

可控硅导通，点亮对应的彩灯。

可控硅选取
的基本原则是：
·可控硅额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压。

一般选取可控硅的额定电压要等于电路实际承受电压的2~3倍。

·可控硅的额定电流要大于实际流过管子的电流的最大值。

工程上，一般选取其额定电流值为电路中流过管子最大电流的1.5~2倍。

额定电压：双向可控硅在电路中承受的电压220U =V ，则额定电压应选大于
2U ，440U ≥额V ；
额定电流：流过双向可控硅的实际电流值为0.46P
I U
==A ，即额定电流不应低于2I ,20.92I I ≥=额A 。

因此本设计选双向可控硅的型号为2N5567。

○2双向可控硅的触发电路由三极管射极输出器组成。

三极管和发光二极管的选取如下：
选取3DG12为组成射极输出器的三极管射极输出器组成。

参数为：
()60BR EBO V ≥V ；50CM I =mA ；25β≥；()4BR EBO V ≤V ；()55BR CEO V ≥V ，电路中
5
0.151
b I =
≈mA ；25β≥，则 2.5e I ≥mA ，取30β=；3e I =mA ，查手册，选取2EFR51发光二极管。

参数为：5BR V ≥V ；F V 的标准值 1.6V ；最大值2V ；
50FM I =mA 。

可控硅输出电路如图3.5所示。

VCC
图3.5 可控硅输出电路
3.2.4 、彩灯点亮方向控制器电路的设计
使彩灯点亮的方向改换的电路有一个三极管反相器、积分器和D 触发器组成，电路如图3.6所示。

由1Q 组成的反相器输入端由4028译码器的输出引入。

当0Q 为高电平时，反相器输入给D 触发器的1CLR 端为低电平，D 触发器输出Q 为高电平，此信号送给4510的U/D 端()10脚，4510的U/D 端为高电平，则计数器进行加计数；0Q 为低电平时，D 触发器的1CLR 端为高电平，直到7Q 为高电平给D 触发器CP 脉冲，触发器翻转，计数器进行减计数，D 触发器的初始状态及工作状态表如图3.7所示，彩灯方向变化。

变化规律为：
01234567654321Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q →→→→→→→→→→→→→
图3.6中，积分电路充放电时间应略小于震荡周期：
642310.7(2)0.102R C T R R R C ≤=++≈s ，而所选取的6 4.7R k =Ω，得421.7C ≈uF ，
所以取422C =uF ，D 触发器选74LS74芯片。

VCC
5V
图3.6 彩灯电量方向控制器电路
4、仿真
4.1、对时钟发生器电路设计的仿真
电路设计要求彩灯双向流动点亮，其闪烁频率在1~10Hz 内连续可调，在仿真时可测2个频率，最高的10Hz 和最低的1Hz 。

两者的测试方法完全相同，把示波器接在LM555CM 的输出OUT 端上测量输出波形的参数。

以测10Hz 为例，把电位器1R 调到0%，电路图如图4.1所示，从图4.2中可读出其闪烁频率约为
10Hz。

图4.1多谐振荡器输出端频率测量图
图4.2示波器显示输出频率
4.2、对彩灯点亮顺序和方向控制电路的仿真
为了验证方便和直观，如图所示用LED灯来表示彩灯，指示4028的输出端Q Q Q Q Q Q Q Q的高、低电平。

具体仿真现象如图4.3到图4.7所示：01234567
图4.3彩灯LED1被点亮
图4.4彩灯LED5被点亮
图4.5彩灯LED8被点亮
图4.6彩灯LED4被点亮
图4.7彩灯LED2被点亮
由以上图示说明实际计数器输出如图4.8，4.9所示。

4.3、对整体电路的仿真
在以上环节的基础上，把电路的可控硅输出电路的输入端接在4028的输出
端01234567Q Q Q Q Q Q Q Q 上。

完整的双向流动彩灯控制器的仿真电路图4.10如下：
图4.10 完整的的双向流动彩灯控制器仿真图
5、安装与调试
按图4.10连接好电路仿真图。

按下仿真启动按钮，结果无明显现象，随着仿真时间的推进，彩灯始终只有第一只亮着，其余都没有明显反应。

于是利用示波器检测LM555CN输出端OUT有无频率输出，操作方式如仿真阶段相同，结果如图5.1,图5.2所示：
图5.1 输出频率的测量
图5.2 示波器显示输出脉冲的时间周期
由以上测量检测可以表明输出1~10Hz频率时钟信号可以做到，只要通过变阻器R1的调节就可以实现。

再而考虑顺序脉冲发生器，在完全仿真图上4028BD-5V输出端Q Q Q Q Q Q Q Q分别接入逻辑测量仪的八个接口，如图5.3所示：
0123456
图5.3 顺序脉冲发生器输出电平测量图
启动仿真电路，观察逻辑分析仪上的变化情况如图5.4所示：
图5.4 逻辑分析仪所示图形
6、结 论
本设计采用电路控制的方式实现，彩灯双向流动点亮。

此过程由器件的选择，型号的确定，安装，调试，检测等过程，基本实现所要求的内容。

至于对其进行音乐控制，则需要进行一下改进。

图 5.4所示图形可知，开始显示逻辑电平为01000000，经过约100ms 后逻辑电平发生变化，显示为00100000，说明01234567Q Q Q Q Q Q Q Q 一开始输出为01000000，约经过100ms 后01234567Q Q Q Q Q Q Q Q 输出变为00100000，进一步说明是由第二只彩灯向第三只彩灯点亮的方向转变。

而后经过一系列的验证说明顺序脉冲发生器01234567Q Q Q Q Q Q Q Q 由10000000逐渐向
00000001
的输
出
是准确
的。

LED
灯按
012345676Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q →
→
→→
→
→→
→→→
→→→
的规律一次点亮，并双向循环。

将音频信号发生器发出的音频信号，注入计数器的时钟输入端，使计数器计数（通过音频信号频率的改变来控制计数器），这样电路仍像电路控制分析的一样，来逐步实现对译码器，可控硅触发电路的控制，最终实现所需要的彩灯双向流动点亮的效果。

7、心得体会
这次课程设计可以说有很大收获，开始设计的几个方案都不能达到效果，在答疑时听取了老师的意见，设计出了可行的方案，并得到实行。

设计好电路后就开始仿真电路，本以为有了电路图，一切就会简单很多，结果真正的考验现在才开始，经历过一次又一次的仿真总是不能达到要求，没办法只好从新考虑错误的可能性，经过一周的反复验算验证，终于仿真成功。

开始由于对软件的使用方法不是很熟悉，所以不是很顺利，遇到很多麻烦，让人心烦，后在老师的和同学的帮助下，终于完成了电路的仿真。

通过本次课设我明白了一个小小的数据有可能造成意想不到的失败，要认真的对待每一个问题，心要细，要稳重，不能急躁！
参考文献
[1] 董玉冰编.Multisim9在电工电子技术中的应用.北京：清华大学出版社.2008年
[2] 卢庆林编.数字电子技术基础试验与综合训练.北京：高等教育出版社.2004年
[3] 马建国编.电子系统设计.北京.高等教育出版社.2004年
[4] 从宏寿程卫群李绍铭编.Multisim8仿真与应用实例开发.北京：清华大学出版社.2008年
[5] 许莉娅编.数字电路与逻辑设计.北京北京理工大学出版社.2006年
[6] 廖先芸编.电子技术实践与训练.北京高等教育出版社.2005年
[7] 肖景和编.数字集成电路应用精粹北京.人民邮电出版社.2002年
[8]蔡锦福编.运算放大器原理与应用.科学出版社.2005年
[9] 臧春华编.电子线路设计与应用.高等教育出版社.2004年。