實用彩燈控制系統(tǒng)設(shè)計

李曉虹

（武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080）

在眾多實用電子電路中，彩燈控制電路是一種非常典型的電路。其中多數(shù)循環(huán)彩燈控制電路所控制的彩燈往往采取依次亮的方式來形成流動，并通過增加流動速度來提高每燈的使用效率，通過增加彩燈的數(shù)量來提高整個彩燈系統(tǒng)的亮度，甚至有許多實用彩燈系統(tǒng)采取保持全亮的方式來加強(qiáng)視覺效果。

設(shè)法提高彩燈系統(tǒng)的效率并降低制作的成本，已成為設(shè)計實用彩燈控制系統(tǒng)必須考慮的問題。

1 彩燈控制系統(tǒng)的功能和框圖

設(shè)計的實用彩燈控制系統(tǒng)的功能是能控制12路彩燈所制作的相應(yīng)圖案，其中10路彩燈中各路彩燈依次熄滅，自動循環(huán)形成主題流動花樣，2路不同頻率閃爍的彩燈作相應(yīng)的點綴。系統(tǒng)采用～220V工頻交流電源供電。

實用彩燈控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括時鐘脈沖發(fā)生器、序列信號控制驅(qū)動電路、直流穩(wěn)壓電源和彩燈組。其中由時鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生所需頻率的時鐘脈沖信號，該信號既可驅(qū)動1路彩燈閃爍，又可作為序列信號控制驅(qū)動電路的時鐘脈沖。序列信號控制電路一共控制11路彩燈，其中10路序列信號驅(qū)動10路彩燈依次只熄滅一路彩燈（另9 路彩燈亮），當(dāng)這一路彩燈由滅變亮?xí)r，另一路彩燈由亮變滅，這樣依次自動循環(huán)下去形成主題流動的花樣，其完成一輪循環(huán)的進(jìn)位信號控制1路彩燈閃爍作相應(yīng)的點綴。

圖1 實用彩燈控制系統(tǒng)框圖

由于該實用彩燈控制系統(tǒng)采用～220V 工頻交流電源供電，故需要設(shè)計直流穩(wěn)壓電源，為時鐘脈沖發(fā)生器、序列信號控制驅(qū)動電路提供合適的工作電壓，保障彩燈組的供電。

2 Proteus軟件及實用彩燈控制系統(tǒng)仿真電路圖的繪制

Proteus軟件是一款功能較全面的電子設(shè)計自動化工具軟件，由電子系統(tǒng)仿真平臺軟件ISIS和布線編輯軟件ARES構(gòu)成。Proteus軟件中有國際通用的電子元器件庫，它的ISIS軟件既可以仿真模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)應(yīng)用電路、傳感器應(yīng)用電路，又可以仿真各種綜合性的電子電路，ISIS軟件還提供了豐富的虛擬儀器和測調(diào)工具，如示波器、電壓表、電流表、信號源、探針等。因此，Proteus的ISIS軟件相當(dāng)于一個實驗器件及設(shè)備齊全的綜合性電子技術(shù)虛擬實驗室。它不僅能驗證單元電路的功能，也能用于多級電子電路的仿真調(diào)試，還適于進(jìn)行大型的綜合性電子電路的設(shè)計。

由Proteus的ISIS軟件繪制的實用彩燈控制系統(tǒng)仿真電路如圖2所示。為了既能使彩燈系統(tǒng)模仿實際的布局，又能簡化電路中復(fù)雜的線路，繪制仿真電路時除常規(guī)繪制之外，還引入了總線的繪制方式。

圖2 實用彩燈控制系統(tǒng)仿真電路圖

要在電路圖中表示一組或多組導(dǎo)線的連接時，通常會用到總線（粗實線）。用總線繪制的圖形，還需繪制導(dǎo)線（細(xì)直線）、總線分支（細(xì)斜線），標(biāo)示每根導(dǎo)線的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，如圖3所示。電路圖中相同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號表示的是同一網(wǎng)絡(luò)，即電路是連通的。圖2所示實用彩燈控制系統(tǒng)仿真電路中繪制了12個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，即B、A1～A10、A0，其中A1～A10 為10路彩燈主流循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，B、A0 為2 路彩燈點綴閃爍網(wǎng)絡(luò)。

圖3 總線的繪制方式

為了方便設(shè)計過程中調(diào)試電路，實用彩燈控制系統(tǒng)仿真電路中使用了一個交流電壓表、一個直流電壓表、一個四蹤示波器（實際運用了三蹤），仿真調(diào)試成功后可刪去。

3 實用彩燈控制系統(tǒng)的工作原理

3.1 ＋6V直流穩(wěn)壓電源

＋6V 直流電源由電源變壓器TR1、整流二極管D1～D4、電容C1～C3、集成三端穩(wěn)壓器U1 構(gòu)成，電源變壓器TR1把～220V 的交流電壓變?yōu)椤?2V 的交流電壓，然后經(jīng)過單相橋式整流電容濾波電路、集成三端穩(wěn)壓應(yīng)用電路由穩(wěn)壓器7806輸出端3端輸出一個穩(wěn)定的＋6V 的直流電壓，為整個彩燈控制系統(tǒng)提供所需的直流電壓。

3.2 時鐘脈沖的產(chǎn)生

由NE555定時器U2、電容C4、C5、電阻R1、R2組成多諧振蕩器，電路接通電源后在U2的3端產(chǎn)生連續(xù)的矩形脈沖，作為序列信號控制驅(qū)動電路的時鐘脈沖，其頻率，占空比

若要調(diào)整整個彩燈系統(tǒng)中的主流循環(huán)頻率，只需適當(dāng)調(diào)整該矩形脈沖的頻率f即可，即適當(dāng)改變C4、R1、R2，使U3 的3 端輸出合適頻率的時鐘脈沖。同時用此矩形脈沖可驅(qū)動1路紅色發(fā)光二極管（L1～L3）閃爍作為點綴。

3.3 序列信號控制電路

序列信號控制電路主要由U3 集成電路CD4017和U4、U5集成反相器CD4069組成。

CD4017是一種常見的十進(jìn)制計數(shù)器，它由約翰遜計數(shù)器和譯碼器兩部分電路組成。它有2個時鐘輸入端CLK 和E；復(fù)位端MR；10個譯碼輸出端Q0～Q9；進(jìn)位輸出端C0。

CD4017有兩種計數(shù)方式：MR＝0、E＝0 時在CLK 時鐘脈沖的上升沿計數(shù)，即Q0～Q9依次輸出高電平，每計滿一輪（10 個時鐘脈沖）C0端輸出一個脈寬為5個時鐘周期的正脈沖，即每5個時鐘脈沖C0 翻轉(zhuǎn)一次，輸出波形如圖4 所示；MR＝0、CLK＝1時在E時鐘脈沖的下降沿計數(shù)。

圖4 CD4017輸出波形圖

復(fù)位端MR＝1時，只有Q0輸出高電平“1”，其它輸出端均為低電平“0”，為復(fù)位狀態(tài)。因此，將CD4017的MR 端與相應(yīng)的信號輸出端相連，就可設(shè)計出小于10路的循環(huán)彩燈，如要設(shè)計5路循環(huán)彩燈，只需將CD4017的MR 端與Q4相連，就可輸出Q0、Q1、Q2、Q3、Q4共5路循環(huán)信號。

圖2所示彩燈控制系統(tǒng)中的CD4017是MR＝0、E＝0時的計數(shù)方式，即時鐘脈沖送到CD4017的CLK 時鐘端，使CD4017 的10 個輸出端Q0～Q9輪流輸出1路高電平（其余9路低電平），經(jīng)CD4069反相為1路低電平（其余9路高電平），使相應(yīng)的1路黃色發(fā)光二極管熄滅（其余9路黃色發(fā)光二極管發(fā)光），因亮多滅少，這10路黃色發(fā)光二極管（L8～L32）作為主流循環(huán)彩燈；C0端控制的1路綠色發(fā)光二極管（L4～L7）每次亮5個時鐘周期、滅5個時鐘周期，即頻率為f／10，也作為彩燈系統(tǒng)的點綴。

4 仿真結(jié)果

繪制了實用彩燈控制系統(tǒng)仿真電路圖后，反復(fù)修改相關(guān)元件的屬性參數(shù)，借助所用虛擬儀器反復(fù)運行調(diào)試，使電路達(dá)到預(yù)期的效果，調(diào)試成功。圖2為彩燈控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果，圖5為虛擬儀器所測結(jié)果。

圖5 虛擬儀器測量結(jié)果

5 結(jié)論

由于Proteus對電子電路的仿真屬于理想狀況，并不能完全代替真實的實驗，因此我們將前期仿真設(shè)計的成果運用到實際的電路制作中，不作任何改動或微調(diào)部分參數(shù)均可獲得滿意的效果，并且真實的彩燈控制系統(tǒng)驅(qū)動發(fā)光二極管的能力比仿真電路強(qiáng)得多，電路制作成功。所設(shè)計的實用彩燈控制系統(tǒng)充分利用了電路產(chǎn)生的所有信號，改傳統(tǒng)彩燈系統(tǒng)的依次亮為依次滅，既使彩燈形成了流動，又提高了彩燈系統(tǒng)的效率，達(dá)到了良好的視覺效果，按此思路還可根據(jù)具體情況和需要進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展和改進(jìn)。該彩燈控制系統(tǒng)的主要元器件成本低，適于制作與推廣。

［1］周潤景，張麗娜.基于PROTEUS的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與仿真［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.