常用控制电路设计及应用(第2版)
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项目5 双闪车灯电路

设计任务

双闪车灯是汽车的信号灯。双闪车灯的作用是提醒其他车主与行人注意本车发生了特殊情况,请大家避让。本设计通过NE555芯片构成的自激多谐振荡电路,使红色的LED和绿色的LED交替闪烁,从而构成双闪车灯。与三极管自激多谐振荡电路相比,NE555芯片构成的自激多谐振荡电路产生的时钟信号驱动力较强,通过改变电路参数即可调节振荡频率。

总体思路

本设计以NE555芯片为核心,构成自激多谐振荡电路,通过电容的充放电来改变自激多谐振荡电路输出状态。当自激多谐振荡电路输出高电平时,绿色的LED亮;当自激多谐振荡电路输出低电平时,红色的LED亮。

系统组成

双闪车灯电路主要由以下两个模块组成。

img直流稳压电源电路:输出+5V的直流电压。

img自激多谐振荡电路:输出周期矩形波,使红色的LED、绿色的LED交替闪烁。

模块详解

双闪车灯电路如图5-1所示。下面分别对双闪车灯电路的各模块进行详细介绍。

1.直流稳压电源电路

本设计要求输出+5V直流电压,为此,三端稳压器选择7805芯片。在三端稳压器的输入端接入电解电容C4(1000μF),用于电源滤波,其后并入电解电容C3(4.7μF),用于进一步滤波。在三端稳压器输出端接入电解电容C5(4.7μF),用于减小纹波电压,而并入瓷片电容C6(100nF),用于改善负载的瞬态响应并抑制高频干扰(瓷片小电容电感效应很小,可以忽略,而电解电容因为电感效应在高频段比较明显,所以不能抑制高频干扰)。直流稳压电源电路如图5-2所示。

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图5-1 双闪车灯电路

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图5-2 直流稳压电源电路

图5-2中的整流二极管D3、D4用于保护三端稳压器,以避免被反向感生电压击穿。同时,红色的LED(D5)用于指示直流稳压电源电路工作。

在Proteus中,对直流稳压电源电路进行仿真,如图5-3所示,并用图表分析观测其输出电压。

由图5-3的仿真结果可以看出,在输入电压为+5V时,输出电压为+3.77V。输出电压没有明显的波动,符合此电路的设计要求。

2.自激多谐振荡电路

NE555芯片构成的自激多谐振荡电路是本设计的核心电路,如图5-4所示。在图5-4中,NE555芯片的4引脚与8引脚连接电源。当电路通电瞬间,电源正极通过电阻R1、滑动变阻器给电容C1充电,此时C1两端电压由0V开始上升。当NE555芯片的2引脚电压小于1/3电源电压时,NE555芯片的3引脚输出高电平,此时D2亮、D1灭。当NE555芯片的2引脚电压上升到2/3电源电压时,NE555芯片的3引脚输出低电平,D1亮、D2灭,此时NE555芯片的7引脚电压为0V,电容C1开始放电。当NE555芯片的2引脚电压下降到1/3电源电压时,NE555芯片的3引脚输出高电平,此时D2亮、D1灭,7引脚处于开路状态。于是,电容再次开始充电,重复上述过程,D1、D2交替闪烁。

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图5-3 直流稳压电源电路仿真

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图5-4 自激多谐振荡电路

输出高电平的时间Th

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输出低电平的时间TL

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振荡周期T

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式中,RV1为滑动变阻器上半部分电阻值;RV2为滑动变阻器下半部分电阻值;RV为滑动变阻器整个电阻值。通过调节滑动变阻器,可以改变自激多谐振荡电路的振荡频率,即每个灯的闪烁时间及两灯的闪烁时间间隔。

本设计在初始状态,将滑动变阻器的抽头端置于正中间,即滑动变阻器接入电路的有效部分为25kΩ。根据式(5-1)、式(5-2)、式(5-3)可知,输出高电平的时间,即绿色的LED亮的时间约为0.21s;输出低电平的时间,即红色的LED亮的时间约为0.17s;两灯交替闪烁一次的周期约为0.38s。

通过调节滑动变阻器电阻值的大小(0~50kΩ),可以改变两灯交替闪烁的周期。在本设计中,两灯交替闪烁的周期可调范围为0.03~0.72s。在实际使用过程中,若两灯交替闪烁的周期范围不满足用户要求,可根据实际要求选取不同型号的滑动变阻器和电容来改变两灯交替闪烁的周期范围。

在Proteus中,对自激多谐振荡电路进行仿真,调节滑动变阻器的滑片位置来改变两灯交替闪烁的周期。该仿真分为两种情况进行,即滑动变阻器的滑片位置分别在100%与70%处。

1)滑动变阻器的滑片位置在100%处

滑动变阻器的滑片位置在100%处时,自激多谐振荡电路的输出信号如图5-5所示,车灯闪亮情况1如图5-6所示。

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图5-5 滑动变阻器的滑片位置在100%处时,自激多谐振荡电路的输出信号

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图5-6 车灯闪亮情况1

2)滑动变阻器的滑片位置在70%处

调节滑动变阻器的滑片位置在70%处时,NE555输出的波形频率明显变快,车灯闪烁一次的时间明显变短,如图5-7、图5-8所示。

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图5-7 滑动变阻器的滑片位置在70%处,自激多谐振荡电路的输出信号

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图5-8 车灯闪烁情况2

总体电路仿真(见图5-9)

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图5-9 总体电路仿真

电路板布线图(见图5-10)

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图5-10 电路板布线图

实物照片(见图5-11)

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图5-11 实物照片

思考与练习

(1)简述多谐振荡电路的工作原理。

答案:见自激多谐振荡电路介绍部分。

(2)在图5-4中,可以去掉电阻R2、R3吗?叙述其原因。

答:不可以。电阻R2、R3起限流作用,如去掉这两个电阻,流过D1、D2的电流过大,会损坏D1、D2。

(3)若想使D1、D2交替闪烁的时间间隔增大,除了调节滑动变阻器的滑片位置使阻值增大,还有什么其他方法?

答:增大电容C1的电容值,其间隔时间与变阻器电阻值和电容值成正比,所以增大电容值也可以增长间隔时间。

特别提醒

(1)当电路各部分设计完毕后,须对各部分进行适当的连接,并考虑元器件间的相互影响。注意顶层的跳线连接。

(2)在测试电路时,注意正确接入电源的正、负极,若电源接反,则容易使电解电容爆炸。