简易灯光控制

一、设计任务

1.课程性质

电子设计与实践。

2.课程目的

训练学生综合所学的模电、数电的基本知识，包括熟悉集成电路的引脚安排，各芯片的逻辑功能及使用方法，了解PCB

电路板的画法，通过使用Multisim软件的仿真技术，独立完

整地设计一定功能的电子电路，以及仿真和调试的综合能力。

3.设计要求

要求依次点亮4个LED灯，每个LED灯亮1秒，灭3秒，

同一时刻只有一个灯亮。

4.简易灯光控制器概述

通过设计升压、稳压电路，由18650锂电池供电，产生稳定的5V电压供电路电源需要。控制系统的信号脉冲由两个555

定时器产生，用555-A构成多谐振荡器兼斯密特电路，产生稳

定的高频方波；用555- B构成单稳态触发器电路，通过改变

RC的值，产生稳定的1S暂态方波。然后通过555-A产生的

高频方波信号对555-B产生的1S暂态方波进行高密度的实时

采样，这样555-B就可以固定的产生稳定的1S高电平方波，

再通过74LS04的一个反相器，即可构成1S固定定时的上升

沿脉冲波形。最后以固定1S的上升沿脉冲输入，用74LS194

移位寄存器实现4个LED灯达到设计要求的亮灭。

二、设计思路

1. 电源设计

要产生一个稳定可靠的脉冲信号，电源的稳定供给很重要。由于条件的限制，手上有的是一个3.7V的锂电池，不满足芯片5V供电的需要。

因此设计了一个升压电路，采用XL6009直流型电压变换器芯片，XL6009是常用的电压变换器芯片，其典型电路简单，容易控制输出电压等优点而受人欢迎。升压电路原理图如图1：

图1

图1中，DC为电池输入，S2为按键开关，最右侧即为升压电路。图中

1、4引脚接电源，2是使能端（高电平有效），3端输出的是方波信号，

做为开关，当3输出低电平时D1截止，电感L1作为储能元件储存电压，电容C3，R2与R3组成一个回路放电，使输出电压下降。当3输出高电平时，D1导通，电感L1向电容C3两端充电，输出电压升高。R2、R1是XL6009内部组成的电压放大器，作为负反馈稳定输出电压，由电阻R2、R1控制输出电压值，公式：Uout=1.25*(1+R2/R1)。我们需要10V 的电压，因此设置R2=7.5K，R1=1K。

为了输出5V电压的稳定，还设计5V的稳压电路，用到7805芯片，同样的，7805芯片典型电路设计简单，价格便宜，是人们常用的稳压芯片。电路图如图2：

图2

电池实物图：

2. 单稳态触发器设计部分

用到555定时器来产生，555定时器是一种数字、模拟混合型的中

规模集成电路，其应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K 电阻，故取名555电路。555电路的工作原理555电路的内部电路方框图如图8-1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS 触发器，一个放电开关管T ，比较器的参考电压由三只5K Ω的电阻器构成分压器提供。它们分别使高电平比较器A 1的同相输入端和低电平比较器A 2的反相输入端的参考电平为32V CC 和3

1

V CC 。A 1与A 2的输出端控制RS 触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输出并超过参考电平3

2

V CC 时，

触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当

输入信号自2脚输入并低于3

1

V CC 时，触发器置位，555的3脚输出高

电平，同时放电开关管截止。555定时器原理图如图3：

图3

设计成的单稳态电路如图4：

图4

图4为由555定时器和外接定时元件R 、C 构成的单稳态触发器。

触发电路由C3、R4、D1构成，其中D1为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T 导通，输出端F 输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经C 3加到2端。并使2端电位瞬时低于3

1

V CC ，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C3开始充电，V C 按指数规律增长。当V C 充电到3

2

V CC 时，高电平比较器

动作，比较器A 1翻转，输出V O 从高电平返回低电平，放电开关管T 重新导通，电容C3上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到做好准备。波形图如图5所示：

图5

暂稳态的持续时间t w （即为延时时间）决定于外接元件R3、C3的大小。

t w =1.1R3C3

通过改变R3、C3的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端（4脚）接地的方法来中止暂态，重新计时。此外尚须用一个续流二

极管与继电器线圈反电势损坏内部功率管。

我们需要定时1S，因此计算的R3=91K，C=1UF。

仿真出来的示波器图如下：

由于1S定时时间很长，示波器很难看到一个周期的波形，如上图波形，为第二个上升沿的产生，看不到第一个，该波形是单稳态输出的波形通过74LS04反响后，才形成的1S输出上升沿，用来出发移位寄存器74LS194。实物图如下图，波形为黄色部分：

3.多谐振荡器电路设计部分

通过对555定时器的认识，为了方便，我们采用了555定时器设计电路构成多谐振荡器来产生稳定的方波，由此方波对单稳态1S定时实时

采样，电路设计如图6：

图6

如图6所示由555定时器和外接元件R 1、R 2、C1构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R 1、R 2、向C1冲电，以及C1通过R 2向放电端

C t 放电,使电路产生振荡。电容C1在31V CC 和3

2

V CC 之间充电和放电，其波

形如图7所示。输出信号的时间参数是T=t w1+t w2, t w1=0.7(R1+R2)C1, t w2=0.7R1C2

555电路要求R 1与R 2均应大于或等于1K Ω,但R 1+R 2应小于或等于3.3M Ω。

外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此这种形式的多谐振荡器应用很广。图7如下：

因为产生方波只是用来采样，频率高一些即可，不需要特殊固定的频率，因此，出于器件方便原因，我们设计的方波波形图如图下图，周期约2ms ：