实用彩灯控制系统设计

李晓虹

（武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080）

在众多实用电子电路中，彩灯控制电路是一种非常典型的电路。其中多数循环彩灯控制电路所控制的彩灯往往采取依次亮的方式来形成流动，并通过增加流动速度来提高每灯的使用效率，通过增加彩灯的数量来提高整个彩灯系统的亮度，甚至有许多实用彩灯系统采取保持全亮的方式来加强视觉效果。

设法提高彩灯系统的效率并降低制作的成本，已成为设计实用彩灯控制系统必须考虑的问题。

1 彩灯控制系统的功能和框图

设计的实用彩灯控制系统的功能是能控制12路彩灯所制作的相应图案，其中10路彩灯中各路彩灯依次熄灭，自动循环形成主题流动花样，2路不同频率闪烁的彩灯作相应的点缀。系统采用～220V工频交流电源供电。

实用彩灯控制系统框图如图1所示，包括时钟脉冲发生器、序列信号控制驱动电路、直流稳压电源和彩灯组。其中由时钟脉冲发生器产生所需频率的时钟脉冲信号，该信号既可驱动1路彩灯闪烁，又可作为序列信号控制驱动电路的时钟脉冲。序列信号控制电路一共控制11路彩灯，其中10路序列信号驱动10路彩灯依次只熄灭一路彩灯（另9 路彩灯亮），当这一路彩灯由灭变亮时，另一路彩灯由亮变灭，这样依次自动循环下去形成主题流动的花样，其完成一轮循环的进位信号控制1路彩灯闪烁作相应的点缀。

图1 实用彩灯控制系统框图

由于该实用彩灯控制系统采用～220V 工频交流电源供电，故需要设计直流稳压电源，为时钟脉冲发生器、序列信号控制驱动电路提供合适的工作电压，保障彩灯组的供电。

2 Proteus软件及实用彩灯控制系统仿真电路图的绘制

Proteus软件是一款功能较全面的电子设计自动化工具软件，由电子系统仿真平台软件ISIS和布线编辑软件ARES构成。Proteus软件中有国际通用的电子元器件库，它的ISIS软件既可以仿真模拟电路、数字电路、单片机应用电路、传感器应用电路，又可以仿真各种综合性的电子电路，ISIS软件还提供了丰富的虚拟仪器和测调工具，如示波器、电压表、电流表、信号源、探针等。因此，Proteus的ISIS软件相当于一个实验器件及设备齐全的综合性电子技术虚拟实验室。它不仅能验证单元电路的功能，也能用于多级电子电路的仿真调试，还适于进行大型的综合性电子电路的设计。

由Proteus的ISIS软件绘制的实用彩灯控制系统仿真电路如图2所示。为了既能使彩灯系统模仿实际的布局，又能简化电路中复杂的线路，绘制仿真电路时除常规绘制之外，还引入了总线的绘制方式。

图2 实用彩灯控制系统仿真电路图

要在电路图中表示一组或多组导线的连接时，通常会用到总线（粗实线）。用总线绘制的图形，还需绘制导线（细直线）、总线分支（细斜线），标示每根导线的网络标号，如图3所示。电路图中相同的网络标号表示的是同一网络，即电路是连通的。图2所示实用彩灯控制系统仿真电路中绘制了12个网络标号，即B、A1～A10、A0，其中A1～A10 为10路彩灯主流循环网络，B、A0 为2 路彩灯点缀闪烁网络。

图3 总线的绘制方式

为了方便设计过程中调试电路，实用彩灯控制系统仿真电路中使用了一个交流电压表、一个直流电压表、一个四踪示波器（实际运用了三踪），仿真调试成功后可删去。

3 实用彩灯控制系统的工作原理

3.1 ＋6V直流稳压电源

＋6V 直流电源由电源变压器TR1、整流二极管D1～D4、电容C1～C3、集成三端稳压器U1 构成，电源变压器TR1把～220V 的交流电压变为～12V 的交流电压，然后经过单相桥式整流电容滤波电路、集成三端稳压应用电路由稳压器7806输出端3端输出一个稳定的＋6V 的直流电压，为整个彩灯控制系统提供所需的直流电压。

3.2 时钟脉冲的产生

由NE555定时器U2、电容C4、C5、电阻R1、R2组成多谐振荡器，电路接通电源后在U2的3端产生连续的矩形脉冲，作为序列信号控制驱动电路的时钟脉冲，其频率，占空比

若要调整整个彩灯系统中的主流循环频率，只需适当调整该矩形脉冲的频率f即可，即适当改变C4、R1、R2，使U3 的3 端输出合适频率的时钟脉冲。同时用此矩形脉冲可驱动1路红色发光二极管（L1～L3）闪烁作为点缀。

3.3 序列信号控制电路

序列信号控制电路主要由U3 集成电路CD4017和U4、U5集成反相器CD4069组成。

CD4017是一种常见的十进制计数器，它由约翰逊计数器和译码器两部分电路组成。它有2个时钟输入端CLK 和E；复位端MR；10个译码输出端Q0～Q9；进位输出端C0。

CD4017有两种计数方式：MR＝0、E＝0 时在CLK 时钟脉冲的上升沿计数，即Q0～Q9依次输出高电平，每计满一轮（10 个时钟脉冲）C0端输出一个脉宽为5个时钟周期的正脉冲，即每5个时钟脉冲C0 翻转一次，输出波形如图4 所示；MR＝0、CLK＝1时在E时钟脉冲的下降沿计数。

图4 CD4017输出波形图

复位端MR＝1时，只有Q0输出高电平“1”，其它输出端均为低电平“0”，为复位状态。因此，将CD4017的MR 端与相应的信号输出端相连，就可设计出小于10路的循环彩灯，如要设计5路循环彩灯，只需将CD4017的MR 端与Q4相连，就可输出Q0、Q1、Q2、Q3、Q4共5路循环信号。

图2所示彩灯控制系统中的CD4017是MR＝0、E＝0时的计数方式，即时钟脉冲送到CD4017的CLK 时钟端，使CD4017 的10 个输出端Q0～Q9轮流输出1路高电平（其余9路低电平），经CD4069反相为1路低电平（其余9路高电平），使相应的1路黄色发光二极管熄灭（其余9路黄色发光二极管发光），因亮多灭少，这10路黄色发光二极管（L8～L32）作为主流循环彩灯；C0端控制的1路绿色发光二极管（L4～L7）每次亮5个时钟周期、灭5个时钟周期，即频率为f／10，也作为彩灯系统的点缀。

4 仿真结果

绘制了实用彩灯控制系统仿真电路图后，反复修改相关元件的属性参数，借助所用虚拟仪器反复运行调试，使电路达到预期的效果，调试成功。图2为彩灯控制系统的仿真结果，图5为虚拟仪器所测结果。

图5 虚拟仪器测量结果

5 结论

由于Proteus对电子电路的仿真属于理想状况，并不能完全代替真实的实验，因此我们将前期仿真设计的成果运用到实际的电路制作中，不作任何改动或微调部分参数均可获得满意的效果，并且真实的彩灯控制系统驱动发光二极管的能力比仿真电路强得多，电路制作成功。所设计的实用彩灯控制系统充分利用了电路产生的所有信号，改传统彩灯系统的依次亮为依次灭，既使彩灯形成了流动，又提高了彩灯系统的效率，达到了良好的视觉效果，按此思路还可根据具体情况和需要进行相应的扩展和改进。该彩灯控制系统的主要元器件成本低，适于制作与推广。

［1］周润景，张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.