济南铁道职业技术学院毕业论文题 目：节日彩灯循环闪亮控制器系 别：电气工程系专 业：电气自动化班 级：0833 班学生姓名：王效腾 指导教师：房金菁完成日期：2010 年 12 月 26 日摘摘 要要本设计中 555 彩灯控制器可用于对彩灯的控制，555 彩灯控制器电路由 555电路和十进制计数器 CD4017 组成，其中 555 用来产生移位控制脉冲，CD4017用来对控制脉冲实现移位，传递出来的信号脉冲触发双向晶闸管，双向晶闸管循环导通，连接其上的彩灯作循环流动。关键词 循环发光控制器 555 集成时基电路 CD4017目目 录录1 引言 42 节日彩灯循环闪亮控制器硬件介绍 52.1 电路构成原理图 52.2 电路工作原理分析 63 节日彩灯循环闪亮控制器电路模块化分析 73.1 交流降压整流滤波稳压电路 73.2 无稳态多谐振荡器电路 113.3 触发电路154 电路元器件功能分析 204.1 电阻可变电阻204.2 电容224.3 二极管234.4 稳压二极管244.5 双向晶闸管254.6 电气元件清单26总结 28致谢 30参考文献 311 1 引言引言数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现在电子技术电路中占有越来越重要的地位。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色流水灯。彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到广泛应用，用彩灯来装饰建筑和街道已经成为一种时尚。但是目前市场上各式样的彩灯循环闪亮控制器大多数用硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节点亮时间。因此，设计这款彩灯循环闪亮控制器，通过对 555 集成时基电路和计数器译码分配器 CD4017 等集成块的合理组建，产生触发信号来控制双向晶闸管，进一步控制彩灯的点亮，实现了对彩灯循环闪亮控制的功能。2 节节日日彩彩灯灯循循环环闪闪亮亮控控制制器器硬硬件件介介绍绍2.1 电电路路构构成成原原理理图图图 2.1 电路构成原理图2.2 电路工作原理分析电路工作原理分析变压器 Tr（22010、100）一次侧电源接 220V 交流电，二次侧输出电压10V 和 100V 的交流电流，10V 的交流电再通过桥式整流电路的整流，电容 C1的滤波，以及稳压二极管的稳压，这时的电流为 12V 的直流电流，为后面的电路提供电源；100V 的交流电为主电路提供电源，并串联上熔断器作为过流保护。触发电路：555 与 R1、R2+R3 及 C2 组成可调式脉冲振荡器，其接通电源后不需要外加脉冲触发信号，电路通过电容的充放电就可以在两个暂稳态之间相互转换，从而产生自激振荡，输出周期性矩形脉冲信号，为移位控制电路输出移位脉冲，脉冲周期可通过变阻器 R3 来调节。在此彩灯循环闪亮控制器电中，十进制计数脉冲分配器 CD4017，在移位脉冲的驱动下，它的输出端以 Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的顺序循环移动。CD4017 的第 6 输出端与复位端 Rst 连接，当第六输出端输出高电平时，通过Rst 使 CD4017 复位，Q0输出高电平。这样，每一个循环中，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的输出端各连接一个双向晶闸管的门极 G，第六输出端连接复位端，Q0空置。主电路：双向晶闸管、电阻和彩灯串联在一起，五个这样的电路并联在一起形成的主电路。当振荡器为 CD4017 输入的第一脉冲到达时，CD4017 的 Q0输出高电平，当第二个脉冲到达时，Q1输出高电平，双向晶闸管 S1 门极触发，S1导通，电流流通，彩灯 L1 被点亮。当 Q1变为低电平后，再经过半个周期双向晶闸管 S1 关断，彩灯 L1 熄灭。当第二个脉冲到达时，Q2输出高电平，双向晶闸管 S2 门极触发，S2 导通，彩灯 L2 被点亮。当 Q2变为低电平后，再经过半个周期双向晶闸管 S2 关断，彩灯 L2 熄灭。依次类推，当第三个到第六个脉冲到达时，彩灯 L3、L4、L5 依次点亮。当第七个脉冲到达时，Q6输出高电平，通过 Rst 使 CD4017 复位，进入下一个循环。3 节日彩灯循环闪亮控制器电路模块化分析节日彩灯循环闪亮控制器电路模块化分析3.1 交流降压整流滤波稳压电路交流降压整流滤波稳压电路图 3.1 交流降压整流滤波稳压电路功能实现流程图（1） 变压电路变压电路变压器有升压和降压两种作用，升压变压器提升输电电压，使长途输电更加经济，降压变压器使得电力运用方面更加多元化。该彩灯循环闪亮控制器电路中变压电路是降压电路，采用降压变压器来实现。变压器主要有初级线圈和次级线圈，变压器 Tr 与 220V 交流电相连接的是初级线圈，初级线圈只有一组。次级线圈有两组，可分别输出不同电压，即 10V 和 100V 的电压。输出的 10V交流电与整流器相连，输出的 100V 交流电为彩灯电路提供电源。大部分变压器具有固定的铁芯，其上缠有初级和次级的线圈。基于铁材的高导磁性，大部分磁通量局限在铁芯里。因此，初级线圈和次级线圈可以获得相当高程度的磁耦合。在一些变压器中，线圈和铁芯二者间紧密的结合，其初级与次级电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此，变压器线圈匝数比，一般作为变压器升压或降压的参考指标。（2） 单相桥式整流电路单相桥式整流电路单相桥式整流电路就是将交流电转换为直流电的电路。主要是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单相脉冲性直流电，这就是交流电的整流过程。整流电路主要有二极管组成。经过整流后的电流已不是交流电流，而是一种含有直流电流和交流电流的混合电流，习惯上称单相大脉动性直流电。整流电路利用了二极管的单相导电性进行整流，为了提高整流效率，使交流电的正负半周信号都被利用，则采用全波整流，现以全波桥式整流为例，其电路和相应的波形如下图：图 3.2 单相桥式整流电路及其波形图图 3.3 单相桥式整流电路工作原理图单相桥式整流电路如图所示，其中（a） 、 （b） 、 （c）是它的三种不同的画法，图中，D1、D2、D3、D4 四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。桥式整流电路的工作原理如图所示。在 U2的正半周，D1、D3 导通，D2、D4 截止，电流由 Tr 二次侧上端经 D1RLD3 回到 Tr 二次侧下端，在负载 RL上得到一半波整流电流，在 U2的负半周，D2、D4 导通，D1、D3 截止，电流由 Tr 二次侧下端经 D2RLD4 回到 Tr 二次侧上端，在负载 RL上得到另一半波整流电流。这样就在负载 RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即：UL=0.9U2IL= LRU29 . 0流过每个整流二极管的平均电流为ID= LRU245. 0每个整流二极管所承受的最高反向电压为URM=U22经过整流后的电流仍然是“脉动”的直流电，为了减少波动，通常要加滤波器，下面对滤波器进行介绍。( 3) 滤波滤波整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分。为了获得平滑的直流电压，应在直流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。常用的滤波电路有电容滤波电路和电感滤波电路，本次设计中算用的是电容滤波电路。桥式整流电路输出端与负载电阻 RL并联一个较大电容，构成了电容滤波电路。电容滤波电路是利用电容的充电和放电来使脉动的直流电变为平稳的直流电。设电容两端初始电压为零，并假定在 t=0 时接通电路，U2为正半周，当 U2由零上升时，D1、D3 导通，C 被充电，同时电流经过 D1、D3 向负载电阻供电。如果忽略二极管正向管压降和变压器内阻，电容充放电时间常数近似为零，在U2达到最大值时 Uc 也达到最大值，然后 U2下降，此时 UcU2，D1、D3 截止，电容 C 向负载电阻 RL放电，由于放电时间常数 =RLC，一般较大，电容电压 Uc 按指数规律缓慢下降。当 Uc 下降到最低时，|U2|Uc，D2、D4 导通，电容 C 在此被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程，输出电压波形，近似为一锯齿波直流电压。有上述可知，整流电路接入了滤波电容后，不经使输出电压变得平滑、纹波显著减少，同时输出电压的平均值也增大了输出电压平均值 Uo 的大小与滤波电容 C 及负载电阻 RL的大小有关，C 的容量一定时，RL越大，C 的发电时间常数 就越大，其放电速度越慢，输出电压就越平滑，Uo 就越大。让 RL开路时，Uo=U2。为了获取良好的滤波效果一般取2RL（35） 2T式中，T 为输入交流电的周期。此时输出电压的平均值近似为Uo1.2 U2（4）稳压）稳压图 3.4 稳压二极管稳压电路由图 3.4 可知，当稳压二极管正常稳压工作时，有下述方程式：Uo=U1IrR=UZ Ir=Iz+IL若 U1 增大，Uo 将会随着上升，加于稳压二极管两端的方向电压增加，使电流 Iz 大大增加，由上式可知，Ir 也随之显著增加，从而使限流电阻上的压降IrR 增大，其结果是，U1 的增加量绝大部分都降落到限流电阻 R 上，从而使输出电压 Uo 基本维持恒定。反之，U1 下降时 Ir 减少，R 上的压降减少，从而维持 Uo 的基本恒定。若负载电阻 RL增大（即负载电流 IL减少） ，输出电压 Uo 将会跟随增大，则流过稳压管的电流 Iz 大大增加，致使 IrR 增大，迫使输出电压 Uo 下降，同理，若 RL减少，使 Uo 下降，则 Iz 显著减少，致使 IrR 减少，迫使 Uo 上升，从而维持了输出电压的稳定。3.2 无稳态多谐振荡器电路无稳态多谐振荡器电路无稳态多谐振荡器电路是一种简单的振荡电路。它不需要外加激励信号就能连续地、周期性地自行产生矩形脉冲，该脉冲是由基波和多次谐波构成，因此称为多谐振荡器电路。多谐振荡器可以由三极管构成，也可以用 555 或者通用门电路等来构成。本次设计中采用 555 多谐振荡器电路。555 集成时基电路时一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，可连接成多谐振荡电路，产生单位脉冲，用于触发计数器。在延时操作中，脉冲由一个电阻和一个电容控制。555 会在下降延触发和清零，工作电压为 5 16V，工作温度为 070。 图 3.5（a）所示为 555 定时器的逻辑图，图（b）为其逻辑功能示意图。它主要由电阻分压器、电压比较器 C1 和出 C2、与非门 G1 和 G2 组成的基本 RS触发器、发电管 V 和输出缓冲极 G3 等五部分组成。图中 TH 为电压比较器 C1的阈值输入端，为电压比较器 C2 的触发输入端，C0 为控制端，为直接TRDR置 0 端，DIS 为放电端，OUT 为输出端。各部分的作用如下图 3.5 555 定时器的逻辑图和逻辑功能示意图电阻分压器：它是由三个电阻值均为 5K 的电阻串联而成，分别为电压比较器 C1 和 C2 提供基准电压。其中 UR1=Vcc 为 C1