流水灯控制系统的设计正文

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1 绪论

1.1 课题背景及目的

今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，数字逻辑电路的发展也日趋迅速，通常流水灯的设计会选择单片机编程，虽然单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，但是，选择单片机更大的增加了设计费用，并且对设计者的编程语言要求高，而在数字电路中，中规模集成电路以其功能强大、种类繁多，得到广泛应用。很多中规模集成电路都具有通用性，它的应用已不仅仅局限于其本身所具有的功能。如本文所设计的流水灯电路，就是利用中规模集成电路的功能扩展，将移位寄存器构成移存型计数器，将其输出端接到多个LED指示上。利用数字电路来控制灯的状态，并显示设计结果。其主要的电路原理：整个流水灯电路由时钟产生，流水程序控制驱动及功率控制元件电源供给电路等电路组成。

1.2 课题研究方法

常见的流水灯控制系统中，是使用微机控制，设备复杂，成本较高；另外应用单片机控制，虽然简单，但系统智能化及传输可靠性低，且对语言的编程能力要求较高，均不理想。为了提高系统可靠性、实用性，从而研究了一种基于模拟电子技术和数字电子技术的循环控制系统。这种设计不仅仅应用到流水灯的控制，也在工业生产中提高自动化循环控制得到利用。为了发光二极管形成流水效果，将电源加在555定时器中，定时发送脉冲，通过CD4017循环计数，由CD4066控制开关，使发光二极管逐个接受高电平，循环亮起，设计中，选用四种颜色的发光二极管，从而形成更好的流水效果。

1.3 基本要求设计方案

（1）设计一个彩灯控制电路，使其能够产生一个控制信号控制彩灯实现灯光变换的功能。

（2）该彩灯控制电路，在完成基本变化的基础上，可以实现彩灯的流向性，间歇性变化的要求，从而使彩灯更加丰富化。

黄河科技学院毕业设计说明书第2页（3）给彩灯流水控制电路一个控制信号，并能够使其通过利用组合电路实现自控、手控、流向控制等全方位功能。

（4）该多功能流水灯具有定时功能。有模拟开关控制灯光的亮暗，彩灯会根据預定的要求作流向、间歇性变化，彩灯与彩灯之间亮暗间隔一定时间，从第一个彩灯开始直至最后一个，然后作重复性状态。

（5）通过利用中规模集成电路中可逆计数器和译码器实現正、逆流水功能，与此同時，根据需要使彩灯作各种各样的变化。

1.4 设计框图

根据本次设计的要求，设计流水控制的原理框图如图1.1所示。

图1.1 原理框图

直流电源用于提供相关电路的工作电源。振荡器用于产生脉冲信号推动计数译码器工作。计数译码器在推动脉冲的作用下其Q0—Q2依次循环输出高电平，开关电路受计数译码器输出的高低电平控制。高电平输出，对应的开关闭合，低电平输出，对应的开关断开。循环定时器实际上是一个低频振荡器，它输出的高低电平，用于控制自动切换电路。定时器输出高电平，自动切换电路使K1,K2处于图示状态，灯光产生的流水感自左向右．定时器输出低电平,K1,K2同时改变状态，灯光产生的流水感变为自右向左。

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2 流水灯控制电路组成

2.1 555定时器

555定时器是一种应用特别广泛作用很大的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。其作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲[1]。

2.1.1 电路组成

555集成定时器的内部结构如图2.1所示，由基本RS触发器、比较器、分压器、晶体管开关和输出缓冲器五个部分组成]2[。

图2.1 555内部结构

(1)基本RS触发器

由两个与非门组成，R是专门设置的可以外部进行置0的复位端，当R=0时，使Q=0、Q=1。所以可以把555 电路等效成一个放大电开关的R-S 触发器。这个特殊的触发器有两个输入端：阀值端（TH）可看成是置零端R，要求高电平；触发端（TR）

黄河科技学院毕业设计说明书第4页可看成是置位端S，低电平有效。它只有一个输出端OUT，OUT可等效成触发器的Q 端。放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的Q端控制：Q=1 时DIS端接地；Q=0 时DIS 端悬空。此外这个触发器还有复位端R，控制电压端CV，电源端VCC 和接地端GND。即图2.2所示。

图2.2 555等效的R-S触发器

这个特殊的R-S 触发器有两个特点：（1）两个输入端的触发电平要求一高一低：置零端R 即阀值端TH 要求高电平，而置位端S即触发端TR则要求低电平。（2）两个输入端的触发电平，也就是使它们翻转的阀值电压值也不同，当CV 端不接控制电压是，对TH（R）端来讲，> 2/3V cc是高电平1，< 2/3V cc是低电平0；而对TR（S）端来讲，> 1/3V cc是高电平1，< 1/3V cc是低电平0。其功能真值表如表2.1所示。如果在控制端CV 加上控制电压V C，这时上触发电平就变成V C值，而下触发电平则变成1/2V C。可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。

表2.1功能真值表

R TH TR OUT DIS

1 1 0 低电平

1 0 1 Q n保持

＊0 1 高电平

0 ＊＊0 低电平

(2)比较器

C1、C2是两个电压比较器。比较器有两个输出端，分别标有+号和-号，如果用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，则当U+>U-时，其输出为高电平，当U+

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(3)分压器

三个阻值均为5千欧姆的电阻串联起来构成分压器（555也因此而得名），为比较器C 1和C 2提供参考电压，C 1之＋端U +=2Vcc/3，C 2之－端U -=Vcc/3。如果在电压控制端CV 另加控制电压，则可改变C 1，C 2的参考电压。工作中不使用CV 端时，一般都通过一个0.01μF 的电容接地，以旁路高频干扰。

(4) 晶体管开关和输出缓冲器

晶体管T D 构成开关，其状态受Q 端控制，当Q 为0时T D 截止、为1时T D 导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G 3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。

综上所述可知，555定时器不仅提供了一个复位电平为2Vcc/3，且可通过R 端直接从外部进行置0的基本RS 触发器，而且还给出了一个状态受该触发器Q 端控制的晶体管开关，因此使用起来极为灵活。

2.1.2 555定时器基本功能

表2.1所示为555定时器的功能表，它全面的表示了555的基本功能。

表2.2 555基本功能表

R =00OL D R =1、TH U >2/3 V CC 、TR U >V CC /3时，C 1输出低电平、C 2输出高电平，基本RS 触