數顯時序控制系統的應用

王　沖

摘要:隨著科學技術的不斷進步,時序控制的方式也再不斷提高和改善,以彩燈控制為例,在單位門廊、建筑物外廊或在節日都安裝有變化的彩燈,但目前所采用的部分控制系統還存在一定的不足,主要有以下幾方面:控制系統變化多于單調;無定時和顯示功能;控制系統部分還采用有觸點控制,易產生故障,且體積較大。

關鍵詞:電路;計數器;CP脈沖

中圖分類號:TP368文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)20-0104-03

一、方案選擇

根據目前部分系統中的不足,現對以下設計方案進行論述(以彩燈控制為例)。本系統主要由數顯定時電路和彩燈多變控制電路組成。數顯定時電路主要是對脈沖進行計時,且用LED數字顯示剩余時間,采用CMOS集成電路十進制計數器/分配器CC4017進行計數,通過BCD—七段碼譯碼器74LS48譯碼輸出給LED顯示。彩燈多變控制電路主要通過CC4040二進制計數器對CC4510計數器(加、減計數控制)和CC4066四雙向開關(通、斷)的控制,從而控制可控硅的通斷來達到彩燈控制的目的。方案的方框圖如圖1所示,主要由時鐘發生器、計時電路、定時時間切換電路、十進制計數電路、編碼電路、驅動電路、BCD—七段譯碼電路、顯示電路、電源電路、二進制計數器、等電路組成。

二、單元電路設計,參數計算和器件選擇

(一)時鐘發生電路

時鐘發生電路輸入由變壓器副邊一組繞組經二極管半波整流,再經過三極管BG1,利用三極管的飽和與截止二個狀態,把半波變換為矩形波輸出,電容C2的作用是濾掉干擾信號,電路與輸入、輸出波形如圖2所示。

(二)計時電路

該電路采用6片集成電路,十進制計數器/分配器CC4017進行計數或分頻,根據不同的接法,可以把計數器接成不同的分頻器,CC4017有三個輸入脈沖,EN為下降沿觸發輸入脈沖,設置兩個時鐘脈沖輸入端,在級聯時比較方便,CR為清零端,當CR為高電平時,計數器清零,CR為低電平時,計數器計數,有譯碼輸出,根據設計要求在十進制計數器內可以任意選擇,若要接成六進制,只要把Q6接到CR上,這樣當計數器計到6時,相應的Q6變為高電平,從而使CR也變為高電平,使計數器清零,從新開始計數,為避免邏輯關系混亂,在Q6和CR間正向串聯一個二極管,同理若要接成五進制計數器,只要把Q5用二極管接到CR端,其余進制依次推理。

(三)定時切換電路

該電路主要由一只多段開關組成,其公共端接到十進制計數電路CP端,其從第1~5腳分別接到U3、U4、U5、U6、U7的Q0腳,于是就得到了不同的定時時間,開關打至1擋時定時時間為10秒,2擋時為100秒,3擋為10分,4擋為100分鐘,5擋為10小時。

(四)十進制計數器電路

該電路主要由一塊十進制計數器/分配器CC4017組成,并在加電路時能自動復位,使Q0~Q8全部為零,CP端接在定時切換電路的公共端,負責對定時切換電路送來的時間脈沖信號進行計數,面復位電路由R20、C6組成,其聯值為C6=0.1uF,R20=30kΩ。

(五)編碼電路

該電路作用是把十進制計數電路的輸出Q0~Q8譯成BCD碼,要求Q0輸出高電平時經過二極管矩陣電路編碼為1001,Q1=1時,編碼DCBA=1000,Q2=1時,DCBA=0111,Q3=1時,DCBA=0110,Q4=1時,DCBA=0101,Q5=1時,DCBA=0100,Q6=1時,DCBA=0011,Q7=1時,DCBA=0010,Q8=0時,DCBA=0001。

(六)BCD—七段譯碼器和LED顯示

該電路采用TTL集成電路74LS48,BCD—七段譯碼器,把BCD碼譯成LED顯示器所需的碼,要求為DCBA=1001時,LED顯示為“9”,DCBA=1000時,顯示為“8”,DCBA=0111時,顯示為“7”,依次類推。

(七)驅動電路

該電路主要由三極管Q9驅動繼電器,當編碼電路有輸出信號時,即DCBA≠0000時,Q9導通繼電器J得電吸合,而當輸出信號為零時,DCBA=0000時,Q9截止,繼電器不得電,電源VDD通過繼電器J線圈和R4加在U2~U7的CR端,使六塊集成塊的CR腳為高電平,從而使U2~U7全部復位,即當有編碼信號輸出時,繼電器動作,而沒有編碼信號輸出時繼電器不動作,當要進行定時時,先通過U2~U7全部復位,U8開始計數,編碼矩陣有信號輸出,Q9導通,繼電器J得電吸合,使各復位信號為低電平,S2放開后,U2~U7開始計數,從“9”一直到“0”,最后到無輸出時,Q9截止,使復位信號有效,U2~U7全部復位,直到再次按S2按鈕,開始重新計數,D21的作用是為繼電器J反向放電構成回路,起保護作用。

(八)多諧振蕩器

振蕩器采用CD4069中的兩個反相器同R18、C7構成多諧振蕩器,設1端為低電平,2端為則為高電平,同時通過R18向C7電容器充電,C7端電位隨充電時間不斷升高,使1號電位由低電平翻轉為高電平,通過反相器,2端為低電平,4端為高電平,電容器C7通過R18、U11B放電,當放電一定時間,電容器兩端電位下降,1號端電位則由高電平再次翻轉成低電平,如此循環,產生振蕩脈沖,脈沖頻率主要由R18和C7決定,頻率=1/1.4R18C7

在R18兩端并聯三極管Q10可以改變振蕩頻率,當Q10導通時,其等效電阻下降,振蕩器頻率增加。

(九)彩燈控制電路分析

當定時器設定好定時時間后,繼電器J閉合,同時接通彩燈控制電路的脈沖輸入和彩燈的電源,彩燈控制部分電路開始工作。

多諧振蕩器產生的CP脈沖同時加在U10(CC4040)和U12(CC4510)的輸入端,其中U10為二進制計數器,其所接輸出端為Q8、Q9、Q10三端,Q8為每128Hz進位,Q9為每256進位,Q10為每512進位。

1.當CP脈沖在1Hz~128Hz時

U10的輸出端Q8、Q9、Q10輸出都為低電平,三極管Q10截止,U12(CC4510)十進制同步加/減計數器U/D端為低電平,則作減計數。U14(CC4066)雙向開關輸入端C為低電平,U14關斷。

當第一個脈沖加在U12的PC端時,Q3、Q2、Q1、Q0輸出為1001,同時加在U13的輸入端,U13輸出端Q9為高電平,其余輸出端為低電平,輸出端Q9高電平經反相器加在U12的1號端,則U12輸出為D0、D1、D2、D3,即Q3、Q2、Q1、Q0分別為0011,同時作為U13的輸入,U13的輸出端Q3為高電平,通過D20使三極管Q5瞬間導通,產生觸發信號使雙向可控硅Q6導通,等DS4亮,待過零時自行關斷。

當第二個脈沖時U12輸出端Q3、Q2、Q1、Q0為0010,則U13的輸出端Q2為高電平,通過D19使Q4導通,Q7導通,燈DS3亮。

同理,第三、四個脈沖時分別為燈DS2和DS1亮,一直循環到第128個脈沖時,一共循環32次。

2.當CP脈沖在128Hz~256Hz時

U10的輸出端Q8為高電平,Q9、Q10為低電平,則U12加計數,U14雙向門導通。

當此間第一個脈沖輸出時,U12輸出端Q0、Q1、Q2、Q3分別輸出為0000,并作為U13的輸入信號,U13輸出端Q0、Q1、Q2、Q3分別輸出1000,因U14已導通,則U13的Q0端高電平分別通過D13、D17使Q2和Q5導通,同時觸發雙向可控硅Q9和Q6,則彩燈DS1和DS4亮。

第二個脈沖輸出時,U12輸出端Q0、Q1、Q2、Q3輸出1000,U13輸出端Q1為高電平,通過D14和D18使Q2和Q3導通,彩燈DS1和DS2亮。

第三個脈沖輸出時,U12輸出端Q0、Q1、Q2、Q3輸出0100,U13輸出端Q2輸出高電平,通過D15和D19使Q3和Q4導通,彩燈DS2和DS3亮。

第四個脈沖輸出時,U12輸出端Q0、Q1、Q2、Q3輸出1100,U13輸出端Q3輸出高電平,通過D16和D20使Q4和Q5導通,彩燈DS3和DS4亮。

第五個脈沖輸出時,U12輸出端Q0、Q1、Q2、Q3輸出0010,U13輸出端Q4輸出高電平,通過U11E、U11F使U12的CR為高電平,則U12輸出端為0000,并作為U13的輸入,使彩燈DS1和DS4亮。

當以下脈沖以此出現時,都按照以上分析循環進行工作,兩盞彩燈同時發亮并有規律變化。

3.當CP脈沖在256Hz~512Hz時

在此間的前128Hz時:U10的輸出端Q8、Q10為低電平,Q9為高電平,在此間的后128Hz時:U10的輸出端Q10為低電平,Q8、Q9為高電平。

(1)在前128Hz時,因U10的Q8、Q10為低電平,Q9為高電平,則三極管Q10導通,振蕩器頻率增加(彩燈變化速度加快),U12作減計數,U14關斷。

第一個脈沖輸出時,U12的Q3、Q2、Q1、Q0輸出為1001,同時加在U13的輸入端,U13輸出端Q9為高電平,其余輸出端為低電平,輸出端Q9高電平經反相器加在U12的1號端,則U12輸出為D0、D1、D2、D3,即Q3、Q2、Q1、Q0分別為0011,同時作為U13的輸入,U13的輸出端Q3為高電平,通過D20使三極管Q5瞬間導通,產生觸發信號使雙向可控硅Q6導通,等DS4亮,待過零時自行關斷。

當第二個脈沖時U12輸出端Q3、Q2、Q1、Q0為0010,則U13的輸出端Q2為高電平,通過D19使Q4導通,Q7導通,燈DS3亮。

同理,第三、四個脈沖時分別為燈DS2和DS1亮,但由于CP脈沖頻率增加,則彩燈變化的速度加快(快流)。

(2)在后128Hz時,因Q8、Q9為高電平,Q10為低電平,則三極管Q10仍然導通,CP頻率加快,同時U12作加計數,U14導通。

當此間第一個脈沖輸出時,U12輸出端Q0、Q1、Q2、Q3分別輸出為0000,并作為U13的輸入信號,U13輸出端Q0、Q1、Q2、Q3分別輸出1000,因U14已導通,則U13的Q0端高電平分別通過D13、D17使Q2和Q5導通,同時觸發雙向可控硅Q9和Q6,則彩燈DS1和DS4亮。

第二個脈沖輸出時,U12輸出端Q0、Q1、Q2、Q3輸出1000,U13輸出端Q1為高電平,通過D14和D18使Q2和Q3導通,彩燈DS1和DS2亮。

第三個脈沖輸出時,U12輸出端Q0、Q1、Q2、Q3輸出0100,U13輸出端Q2輸出高電平,通過D15和D19使Q3和Q4導通,彩燈DS2和DS3亮。

第四個脈沖輸出時,U12輸出端Q0、Q1、Q2、Q3輸出1100,U13輸出端Q3輸出高電平,通過D16和D20使Q4和Q5導通,彩燈DS3和DS4亮。

第五個脈沖輸出時,U12輸出端Q0、Q1、Q2、Q3輸出0010,U13輸出端Q4輸出高電平,通過U11E、U11F使U12的CR為高電平,則U12輸出端為0000,并作為U13的輸入,使彩燈DS1和DS4亮。

當以下脈沖以此出現時,都按照以上分析循環進行工作,兩盞彩燈同時發亮并有規律變化。但變化速度加快(快流)。

4.當CP脈沖在512Hz~1024Hz時

(1)第一個128Hz,U10的Q8、Q9輸出低電平,Q10為高電平,三極管Q10截止,U12減計數,U14導通,則彩燈根據CP脈沖有規律變化:DS4、DS3 → DS3、DS2 → DS2、DS1 → DS1、DS4 → DS4、DS3(由兩燈作逆向循環變化)。

(2)第二個128Hz,U10的Q9輸出低電平,Q8、Q10為高電平,三極管Q10截止,U12加計數,U14導通,則彩燈根據CP脈沖有規律變化:DS1、DS4 → DS1、DS2 → DS2、DS3 → DS3、DS4(由兩燈作順向循環變化)。

(3)第三個128Hz,U10的Q8、輸出低電平,Q9、Q10為高電平,三極管Q10導通,U12減計數,U14導通,則彩燈根據CP脈沖有規律變化:DS4、DS3 → DS3、DS2 → DS2、DS1 → DS1、DS4 → DS4、DS3(由兩燈逆向快速作循環變化)。

(4)第四個128Hz,U10的Q8、Q9、Q10為高電平,三極管Q10導通,U12加計數,U14導通,則彩燈根據CP脈沖有規律變化: DS4、DS1 → DS1、DS2 → DS2、DS3 → DS3、DS4 → DS4、DS1(由兩燈作順向快速循環變化)。

三、結語

根據對系統的上述分析和論述可知,系統通過數字電路的控制,將時序控制(彩燈控制)分作快流、慢流、正流、逆流、單燈流、雙燈流等幾種模式,可以自動轉換,并采用可控硅無觸點控制,時間可以通過定時系統任意選擇,并由數碼顯示控制時間,使整個控制系統更加完善、實用。

作者簡介:王沖(1973-),男,浙江寧波人,寧波技師學院講師,研究方向:電工。