八路彩灯控制器课程设计

第1章绪论

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，是从人类运用火、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，把形、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，市场上为能吸取顾客的注意；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。本设计的彩灯确能成为现实的一种，但技术上日后将会有更大的改善和提高。

本设计以IC CD40194和IC CD4069和IC CD4071芯片实现，提出一种手动彩灯控制器，它的主要元件均采用CMOS 数字电路，驱动部分采用三极管9014，因此具有电路简洁、工作可靠，控制形式多样，使用安全方便的特点。

第2章功能及方框图

2.1 功能简介

彩灯控制器能够使彩灯控照一定的形式和规律闪亮，起到烘托节日氛围、吸引公众注意力的作用。彩灯控制器多种多样，本设计的彩灯控制器主要功能:

（1）可以控制8路彩灯。

（2）彩灯点亮方式既可以向左（逆时针）移动，也可以向右（顺时针）移动，还可以左右交替移动。

（3）起始状态可预置

（4）移动速度和左右交替速度均可调节。

2.2 电路方框图

图1 彩灯控制方框图

第3章电路

附录1所示为彩灯控制器电路图。它的主要元器件均彩CMOS数字电路，驱动部分采用晶体管VT，因此具有电路简洁、工作可靠、控制形式多样，使用安全方便的特点.

3.1电路功能结构组成

整机电路包括以下功能单元：整机的核心是两个CD40194级联组成的8位双向移位寄存器，控制8路彩灯按一定规律闪亮。

(1) S1、S2、SB组成的预置数控制电路，它控制8位移存器的初始状态，即8路彩灯的起始状态。

(2) D5、D6等组成时钟振荡器，它为寄存器提供时钟脉冲。

(3) D3、D4、S3等组成的移动方向控制电路，它控制移位寄存器作左移、右移或左右交替移动。

(4) VT1～VT8以及SSR1～SSR8组成的8路驱动执行电路，它在移位寄存器输出状态的控制下，驱动8路彩灯H1～H8分别点亮或熄灭。

（5）电源部分由试验台直接提供+6V电压。

3.2整机简要工作原理。

IC1和IC2级联组成8位双向移位寄存器，在D5、D6产生的时钟脉冲CP的作用下循环移位运动，如图3所示。双向移存器的8个输出端Q1～Q8分别经晶体管VT1～VT8控制8个发光二极管H1～H8。当某Q端为”1” 时，与该Q端对应的VT接通相应的彩灯H的电源，使其点亮。当某Q端为“0”时，对应的VT截止切断相应彩灯H的电源而熄灭。由于Q1～Q8的状态在CP作用下不停地移位，所以点亮的彩灯便在H1～H8中循环流动起来。

彩灯的初始状态由S1和S2预置，预置好后按一下SB将预置数输入，其输出端Q1～Q8的状态（也就是彩灯H1～H8点亮的情况）而等于预置数，而后在CP的作用下移动。彩灯移动的方向由S3控制，也可以选择“左移”、“右移”或“左右交替。”

3.3 门电路多谐振荡器

多谐振荡电路不仅可以由晶体管或NE555时基电路组成，而且也可以用两个CMOS门电路组成（如图2），CMOS门电路输入高电阻抗高、更容易获得较大的时间常数，尤其适用于低频时钟振荡电路，在图中所示中，D5、D6等组成多谐振荡器，产生秒信号脉冲，振荡周期T=0.15s～0.67s（R调节），如下图所示，当B点由“0”变为“1”时，由于电容器C3、C4（两个电解电容反极性相接构成一个无极性大电容）的两端电压不能突变，C点也为“1”，普通R A 使D5输入端为“1”。随着C1、C2的充放电，C点也为“1”，普通R A 使D1输入端为“1”。随着C1、C2的充放电，C点电位逐渐下降，当降至CMOS门电路的阀值（约3V）此循环形成振蒎，振荡周期T=2.2(RB+RP)*C=SRA

图2 多谐振荡电路

Ｒ２0是补偿电阻，可提高振荡频率的稳定度。

3.4 控制电路

控制电路包括预置电路、移动方向控制电路和移动速度控制电路等。

3.4.1预置数控制电路

预置数控制电路由两个四位地址开关S1、S2和按钮开S组成，用于设置移存器的初始状态，即彩灯的起始状态。每个地址开关中包含四只开关，附录1所示电路图中的接法，开关闭合时为“1”，开关断开时为“0”，可根据要求设置。移存器的两个状态控制端ST1、ST0分别由或门D1、D2控制。当按下预置数开关SB时，“1”电平（+6V）加至D1、D2输入端，D1、D2输出均为“1”，使ST1、ST0=“11”，设置好的预数并行进入移存器，如图3所示。

图3 预置数状态

例如，设置P1～P8为“111001100”，按下SB时，Q1～Q8

便成为“111001100”，H1、H2、H3、H6、H7亮，H4、H5、H8灭。当松开SB时，ST1、ST0≠“11”，移存器便在CP作用下使预状态移动。

3.4.2移动方向控制电路

前面已介绍过，移存器移动方向由ST1、ST2的状态决定。为了实现左右交替移动。电路设计了一个由反相器D3、D4等组成的超低频多谐振荡器，并由选择开关S3控制。

①当S3将D3输入端接地时，多谐振荡器停振，使ST0、ST1状态呈“10”，移动器右移，如图4（a）所示。

②当S3将D3输入端接+6V时，多谐振荡器仍停振，但不同的是ST0、ST1状态为“01”，移存器左移，如图4（b）所示。

③当S3悬空时，多谐振荡器振，使ST1、ST0状态在“01”和“10”之间来回变化，移存器便左移与右移交替进行。电位器RP用于调解振荡周期、改变左右移动的交替时间，效替时间可在2.5秒至7.5秒左右的范围内选择。C3、C4两电解电容反向串联，等效为一个无极性电容。D3、D4的输出端分别经或门

D1、D2到ST1、ST0端，当SB按下时，D1、D2输出均为“1”此时预置数输入。

图4 移动方向示意图

3.4.3移动速度控制电路

时钟频率的高低决定了移存器的移动速度，时钟脉冲由反相器组成（详细见3.3节介绍）。

3.5 双向移位寄存器

8位双向移位寄存器由IC1、和IC2级联组成，如图5所示。IC1、IC2均可采用4位双向通用移寄存器集成电路

CD40194，其性能较强，即可以左移，也可以右移；即可以串行输入，也可以并行输出；即可以串行输出，也可以并行输出。CD40194有四个输出端Q～Q4；有四个并行数据输入商P1～P4，一个左移串行数据输入端DL和一个右移串行数据输入端DR；还有2个状态控制端ST1、ST0=“11”时，预置数并行输入移存器。

将两CD40194级联即可组成8位移位移位寄存器，电路中，IC1的第一位输出端（Q1）接IC2的左右移串行数据输入端DL，IC1的第四位输出端（Q4）接IC2的右移串行数据输入端DR、IC2的第一位输出端DR，两片CD40194的CP、ST1和ST0并联即可。右移时数据按Q1→Q2→Q3→Q4→Q5→Q6→Q7→Q8的方向移动，Q8的信号又经右移串行数据输入端DR输入到Q1，形成循环。左移时，数据按Q8←

Q7←Q6←Q5←Q4←Q3←Q2←Q1的方向移动，Q1的信号又经左移串行数据输入端DL输入到Q8，形成循环。

图5 双向移位寄存器

第4章组装及调试

组装前准备：先备好所需工具（电烙铁、各元器件、万能表等）并检查元件有无损坏（本机元件可用万能表测出性能）准备工作完成后，开始捍接工作。

4.1振荡电路

先将振电路捍好，本电路采用二个门电路起振（D5、D6）电容参数为C5+C6=9.4u，各部分按电路图接法捍好。然后用一个+6V直流稳压源直接到CD4069电源端，用一只发光二极管正极接到振荡电路输出端（D6非端），负极接地，此时二极管将会一闪一闪，此时为正常现象，再调一下RP2，二极管的闪烁频率就会随调节而改变频率。如果没有以上现象，查看RP2引脚有没有捍错和虚捍现象，直至电路达到上述效果为止。此时振荡电路接近装调工作。

4.2方向控制电路

此电路较为简单，但突为重要，组装时应特别注意，这是本机功能控制的关健部位。本电路由CD4069的二个反相器（D3、D4）和CD4071中的二个或门（D1、D2）等组成。先捍好电容和电阻后，检查会不会起振，检查方法如同振荡控制电路。再

将其与D1D2连接好，用万能表测D1、D2的输出端（即ST1、ST0）端是否如图4所示相互变换，即（ST1和ST0）的值会不会随S3开头变化而达到停止振荡和起振，特别S3拔至悬空脚时，二个数据会不会交替变换。这用二个发光二极管代替表等效果更为显著，并调动RP1二个二极管变换时是否与RP1的变化而变化，如不会显示上述效果，检查方法与振荡电器一样，直至达到预设效果后，此电路完成组装工作。

4.3预置电路

此电路相对简单，接电路的接法接好后，先放置不理，因为此电路要全电路捍接后才能有明显效果作用，调试也比较方便。

4.4显示电路

显示电路主要由晶体管VT（9014）和发光二极管代替彩灯H（文内便用H代称）组成：先按电路的接法捍接后，用能表（×10档）黑表笔接各VT的基极，红表笔接H的负极，此时H亮，说明正常，红表笔接C极，黑表笔接e极，H会亮，正常，各个三极管接上二个方法依次测试。如果出现问题（H不亮）要检查电路的接法和捍接是否虚捍，直至达到上述现象，此电路组装工作将近完成，并后并将e极依将接到双位移寄存器（用二片

CD40194级组成）的Q1～Q8端（此检测法是按三极管持性和电路图连接所得出的）。

4.5移位电路

此电路由CD40194两块晶片级组成，是本机电路的核心；捍接只需按电路图接好，并和预置电路连接装一个SB控制开头和装上一个6V稳压晶片（7806）使整机稳定性提高。接好后通电，在S1、S2预置你喜欢的初始状态，按SB、H1～H8会同S1、S2所预置的状态相同（详情参考图5）松开键位SB，H1～H8便开始循环点亮。说明预电路和移位电路正常。如无法达到以上功能，检查线路是否接对和虚捍问题，较对修改后仍无反应，万能表测7806 3脚电源是否正常，不正常。则捍脱7806的3脚，用万能表测电压是否正常（+6V），正常说明无问题，可能是把各式各集成块的电源极性接错，或某处短路，认真再检查几遍，如果仍不正常则只能更换CD40194（此障碍占极少数，只有极性接错后才会导致烧，否则不会双烧坏，此点最为重点）。

4.6整机调试和控制

全电路连接好后，通电让彩灯点亮，调节变速电路（振荡电路）开关，按SB，为是否达到预置状态。再拔动S3（交替、右移、左移）等位是否彩灯随之变化，说明正常；最后拔到交替端（悬空端）调节RP1交替的周期是否随调节变化而变化，会则正常（此时最好在调电路中调到最快时，效果会比较明显）。电路达到上述工作后说明整机捍接成功。如果中途遇到了不同的问题，就按故障的类型而去检测相关电路，为是否接错和捍错元件。也有可能电路板捍后下的锡粒所导致而成。

第5章主要故障和检修方法

彩灯不亮：①按一下SB开关；②检测彩灯、晶体管VT、电源电压是正常和烧坏，随其更换。

彩灯不闪：①检查振荡电路有无脉冲输出，电路有无脱捍和虚捍短路现象；②检测电容有无损坏。

彩灯全亮：①查看S1、S2开关是否全拔错，并拔回按B开关。

②查看e极和c极有无短路或直接接电源，并捍开。不能预置：①查看S1、S2有没有脱捍或电阻坏，UR=4V；

②SB开关有无损坏和脱捍等。

不能调频：①检查RP2有无脱捍和损坏，产更换；

②检查电容会不会充放电，并更换。

不能调交替频率：①检查RP1有无脱捍和损坏，并更换；

②检查电容会不会充放电，并更换。

③检查D1、D2输出端有无交替变换。

总结

本次课设已接近尾声，回顾整机电路，发现设计既有优点又有些许的不足，现将本人对电路的一些看法述说如下，谬误之处还望老师能不吝赐教。

优点：可操作性高，性能稳定；能由多种闪亮功能，并能任意预置闪亮灯数目。

缺点：实用性低，价格比较贵，体积旁大，不能供应大功率灯炮，需人工操作变幻，要用到大的实用中需改善。

改进：本电路中将IC1和IC2的1脚（清零端）与16脚共同接电源，致使电路不具备清0功能，本人考虑可将两芯片的1脚级联后接个按键后接地，这样就可以在电路工作时按下按键能够清0。

给予彩灯的各项优点，相信随着科技的不断发展和电路的进一步完善，它必定将在人民生活中得到更广泛的应用，也必定在市场上有更广阔的前景。

致谢

历时三星期的课程设计已经告一段落。经过自己不断的实践努力以及温海洋老师的耐心指导和热情帮助，本设计已经基本完成。在这段时间里，温老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩，他的指导使我受益非浅。同时本系S303实验室的开放也为我的设计提供了实习场地。在此对温海洋老师及学院电子系表示深深的感谢。

通过这次毕业设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了大学三年的学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这三星期的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。

由于自身水平有限，设计中一定存在很多不足之处，敬请各位老师批评指正。

参考文献

1 杨素行，模拟电子技术基础简明教程（第三版）,北京:高等教育出版社

2 余孟尝，数字电子技术基础简明教程（第三版）,北京:高等教育出版社

3 蔡良伟，数字电路与逻辑设计，西安:西安电子科技大学出版社

附录一：8路彩灯控制电路图