實用彩燈控制系統設計

李曉虹

（武漢工程職業技術學院 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。其中多數循環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，通過增加彩燈的數量來提高整個彩燈系統的亮度，甚至有許多實用彩燈系統采取保持全亮的方式來加強視覺效果。

設法提高彩燈系統的效率并降低制作的成本，已成為設計實用彩燈控制系統必須考慮的問題。

1 彩燈控制系統的功能和框圖

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

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

圖1 實用彩燈控制系統框圖

由于該實用彩燈控制系統采用～220V 工頻交流電源供電，故需要設計直流穩壓電源，為時鐘脈沖發生器、序列信號控制驅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仿真電路圖的繪制

Proteus軟件是一款功能較全面的電子設計自動化工具軟件，由電子系統仿真平臺軟件ISIS和布線編輯軟件ARES構成。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、數字電路、單片機應用電路、傳感器應用電路，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軟件相當于一個實驗器件及設備齊全的綜合性電子技術虛擬實驗室。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試，還適于進行大型的綜合性電子電路的設計。

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

圖2 實用彩燈控制系統仿真電路圖

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

圖3 總線的繪制方式

為了方便設計過程中調試電路，實用彩燈控制系統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），仿真調試成功后可刪去。

3 實用彩燈控制系統的工作原理

3.1 ＋6V直流穩壓電源

＋6V 直流電源由電源變壓器TR1、整流二極管D1～D4、電容C1～C3、集成三端穩壓器U1 構成，電源變壓器TR1把～220V 的交流電壓變為～12V 的交流電壓，然后經過單相橋式整流電容濾波電路、集成三端穩壓應用電路由穩壓器7806輸出端3端輸出一個穩定的＋6V 的直流電壓，為整個彩燈控制系統提供所需的直流電壓。

3.2 時鐘脈沖的產生

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端產生連續的矩形脈沖，作為序列信號控制驅動電路的時鐘脈沖，其頻率，占空比

若要調整整個彩燈系統中的主流循環頻率，只需適當調整該矩形脈沖的頻率f即可，即適當改變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動1路紅色發光二極管（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是一種常見的十進制計數器，它由約翰遜計數器和譯碼器兩部分電路組成。它有2個時鐘輸入端CLK 和E；復位端MR；10個譯碼輸出端Q0～Q9；進位輸出端C0。

CD4017有兩種計數方式：MR＝0、E＝0 時在CLK 時鐘脈沖的上升沿計數，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。

圖4 CD4017輸出波形圖

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

圖2所示彩燈控制系統中的CD4017是MR＝0、E＝0時的計數方式，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CD4069反相為1路低電平（其余9路高電平），使相應的1路黃色發光二極管熄滅（其余9路黃色發光二極管發光），因亮多滅少，這10路黃色發光二極管（L8～L32）作為主流循環彩燈；C0端控制的1路綠色發光二極管（L4～L7）每次亮5個時鐘周期、滅5個時鐘周期，即頻率為f／10，也作為彩燈系統的點綴。

4 仿真結果

繪制了實用彩燈控制系統仿真電路圖后，反復修改相關元件的屬性參數，借助所用虛擬儀器反復運行調試，使電路達到預期的效果，調試成功。圖2為彩燈控制系統的仿真結果，圖5為虛擬儀器所測結果。

圖5 虛擬儀器測量結果

5 結論

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計的成果運用到實際的電路制作中，不作任何改動或微調部分參數均可獲得滿意的效果，并且真實的彩燈控制系統驅動發光二極管的能力比仿真電路強得多，電路制作成功。所設計的實用彩燈控制系統充分利用了電路產生的所有信號，改傳統彩燈系統的依次亮為依次滅，既使彩燈形成了流動，又提高了彩燈系統的效率，達到了良好的視覺效果，按此思路還可根據具體情況和需要進行相應的擴展和改進。該彩燈控制系統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的電路及單片機系統設計與仿真［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.