数显时序控制系统的应用

王　冲

摘要:随着科学技术的不断进步,时序控制的方式也再不断提高和改善,以彩灯控制为例,在单位门廊、建筑物外廊或在节日都安装有变化的彩灯,但目前所采用的部分控制系统还存在一定的不足,主要有以下几方面:控制系统变化多于单调;无定时和显示功能;控制系统部分还采用有触点控制,易产生故障,且体积较大。

关键词:电路;计数器;CP脉冲

中图分类号:TP368文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)20-0104-03

一、方案选择

根据目前部分系统中的不足,现对以下设计方案进行论述(以彩灯控制为例)。本系统主要由数显定时电路和彩灯多变控制电路组成。数显定时电路主要是对脉冲进行计时,且用LED数字显示剩余时间,采用CMOS集成电路十进制计数器/分配器CC4017进行计数,通过BCD—七段码译码器74LS48译码输出给LED显示。彩灯多变控制电路主要通过CC4040二进制计数器对CC4510计数器(加、减计数控制)和CC4066四双向开关(通、断)的控制,从而控制可控硅的通断来达到彩灯控制的目的。方案的方框图如图1所示,主要由时钟发生器、计时电路、定时时间切换电路、十进制计数电路、编码电路、驱动电路、BCD—七段译码电路、显示电路、电源电路、二进制计数器、等电路组成。

二、单元电路设计,参数计算和器件选择

(一)时钟发生电路

时钟发生电路输入由变压器副边一组绕组经二极管半波整流,再经过三极管BG1,利用三极管的饱和与截止二个状态,把半波变换为矩形波输出,电容C2的作用是滤掉干扰信号,电路与输入、输出波形如图2所示。

(二)计时电路

该电路采用6片集成电路,十进制计数器/分配器CC4017进行计数或分频,根据不同的接法,可以把计数器接成不同的分频器,CC4017有三个输入脉冲,EN为下降沿触发输入脉冲,设置两个时钟脉冲输入端,在级联时比较方便,CR为清零端,当CR为高电平时,计数器清零,CR为低电平时,计数器计数,有译码输出,根据设计要求在十进制计数器内可以任意选择,若要接成六进制,只要把Q6接到CR上,这样当计数器计到6时,相应的Q6变为高电平,从而使CR也变为高电平,使计数器清零,从新开始计数,为避免逻辑关系混乱,在Q6和CR间正向串联一个二极管,同理若要接成五进制计数器,只要把Q5用二极管接到CR端,其余进制依次推理。

(三)定时切换电路

该电路主要由一只多段开关组成,其公共端接到十进制计数电路CP端,其从第1~5脚分别接到U3、U4、U5、U6、U7的Q0脚,于是就得到了不同的定时时间,开关打至1挡时定时时间为10秒,2挡时为100秒,3挡为10分,4挡为100分钟,5挡为10小时。

(四)十进制计数器电路

该电路主要由一块十进制计数器/分配器CC4017组成,并在加电路时能自动复位,使Q0~Q8全部为零,CP端接在定时切换电路的公共端,负责对定时切换电路送来的时间脉冲信号进行计数,面复位电路由R20、C6组成,其联值为C6=0.1uF,R20=30kΩ。

(五)编码电路

该电路作用是把十进制计数电路的输出Q0~Q8译成BCD码,要求Q0输出高电平时经过二极管矩阵电路编码为1001,Q1=1时,编码DCBA=1000,Q2=1时,DCBA=0111,Q3=1时,DCBA=0110,Q4=1时,DCBA=0101,Q5=1时,DCBA=0100,Q6=1时,DCBA=0011,Q7=1时,DCBA=0010,Q8=0时,DCBA=0001。

(六)BCD—七段译码器和LED显示

该电路采用TTL集成电路74LS48,BCD—七段译码器,把BCD码译成LED显示器所需的码,要求为DCBA=1001时,LED显示为“9”,DCBA=1000时,显示为“8”,DCBA=0111时,显示为“7”,依次类推。

(七)驱动电路

该电路主要由三极管Q9驱动继电器,当编码电路有输出信号时,即DCBA≠0000时,Q9导通继电器J得电吸合,而当输出信号为零时,DCBA=0000时,Q9截止,继电器不得电,电源VDD通过继电器J线圈和R4加在U2~U7的CR端,使六块集成块的CR脚为高电平,从而使U2~U7全部复位,即当有编码信号输出时,继电器动作,而没有编码信号输出时继电器不动作,当要进行定时时,先通过U2~U7全部复位,U8开始计数,编码矩阵有信号输出,Q9导通,继电器J得电吸合,使各复位信号为低电平,S2放开后,U2~U7开始计数,从“9”一直到“0”,最后到无输出时,Q9截止,使复位信号有效,U2~U7全部复位,直到再次按S2按钮,开始重新计数,D21的作用是为继电器J反向放电构成回路,起保护作用。

(八)多谐振荡器

振荡器采用CD4069中的两个反相器同R18、C7构成多谐振荡器,设1端为低电平,2端为则为高电平,同时通过R18向C7电容器充电,C7端电位随充电时间不断升高,使1号电位由低电平翻转为高电平,通过反相器,2端为低电平,4端为高电平,电容器C7通过R18、U11B放电,当放电一定时间,电容器两端电位下降,1号端电位则由高电平再次翻转成低电平,如此循环,产生振荡脉冲,脉冲频率主要由R18和C7决定,频率=1/1.4R18C7

在R18两端并联三极管Q10可以改变振荡频率,当Q10导通时,其等效电阻下降,振荡器频率增加。

(九)彩灯控制电路分析

当定时器设定好定时时间后,继电器J闭合,同时接通彩灯控制电路的脉冲输入和彩灯的电源,彩灯控制部分电路开始工作。

多谐振荡器产生的CP脉冲同时加在U10(CC4040)和U12(CC4510)的输入端,其中U10为二进制计数器,其所接输出端为Q8、Q9、Q10三端,Q8为每128Hz进位,Q9为每256进位,Q10为每512进位。

1.当CP脉冲在1Hz~128Hz时

U10的输出端Q8、Q9、Q10输出都为低电平,三极管Q10截止,U12(CC4510)十进制同步加/减计数器U/D端为低电平,则作减计数。U14(CC4066)双向开关输入端C为低电平,U14关断。

当第一个脉冲加在U12的PC端时,Q3、Q2、Q1、Q0输出为1001,同时加在U13的输入端,U13输出端Q9为高电平,其余输出端为低电平,输出端Q9高电平经反相器加在U12的1号端,则U12输出为D0、D1、D2、D3,即Q3、Q2、Q1、Q0分别为0011,同时作为U13的输入,U13的输出端Q3为高电平,通过D20使三极管Q5瞬间导通,产生触发信号使双向可控硅Q6导通,等DS4亮,待过零时自行关断。

当第二个脉冲时U12输出端Q3、Q2、Q1、Q0为0010,则U13的输出端Q2为高电平,通过D19使Q4导通,Q7导通,灯DS3亮。

同理,第三、四个脉冲时分别为灯DS2和DS1亮,一直循环到第128个脉冲时,一共循环32次。

2.当CP脉冲在128Hz~256Hz时

U10的输出端Q8为高电平,Q9、Q10为低电平,则U12加计数,U14双向门导通。

当此间第一个脉冲输出时,U12输出端Q0、Q1、Q2、Q3分别输出为0000,并作为U13的输入信号,U13输出端Q0、Q1、Q2、Q3分别输出1000,因U14已导通,则U13的Q0端高电平分别通过D13、D17使Q2和Q5导通,同时触发双向可控硅Q9和Q6,则彩灯DS1和DS4亮。

第二个脉冲输出时,U12输出端Q0、Q1、Q2、Q3输出1000,U13输出端Q1为高电平,通过D14和D18使Q2和Q3导通,彩灯DS1和DS2亮。

第三个脉冲输出时,U12输出端Q0、Q1、Q2、Q3输出0100,U13输出端Q2输出高电平,通过D15和D19使Q3和Q4导通,彩灯DS2和DS3亮。

第四个脉冲输出时,U12输出端Q0、Q1、Q2、Q3输出1100,U13输出端Q3输出高电平,通过D16和D20使Q4和Q5导通,彩灯DS3和DS4亮。

第五个脉冲输出时,U12输出端Q0、Q1、Q2、Q3输出0010,U13输出端Q4输出高电平,通过U11E、U11F使U12的CR为高电平,则U12输出端为0000,并作为U13的输入,使彩灯DS1和DS4亮。

当以下脉冲以此出现时,都按照以上分析循环进行工作,两盏彩灯同时发亮并有规律变化。

3.当CP脉冲在256Hz~512Hz时

在此间的前128Hz时:U10的输出端Q8、Q10为低电平,Q9为高电平,在此间的后128Hz时:U10的输出端Q10为低电平,Q8、Q9为高电平。

(1)在前128Hz时,因U10的Q8、Q10为低电平,Q9为高电平,则三极管Q10导通,振荡器频率增加(彩灯变化速度加快),U12作减计数,U14关断。

第一个脉冲输出时,U12的Q3、Q2、Q1、Q0输出为1001,同时加在U13的输入端,U13输出端Q9为高电平,其余输出端为低电平,输出端Q9高电平经反相器加在U12的1号端,则U12输出为D0、D1、D2、D3,即Q3、Q2、Q1、Q0分别为0011,同时作为U13的输入,U13的输出端Q3为高电平,通过D20使三极管Q5瞬间导通,产生触发信号使双向可控硅Q6导通,等DS4亮,待过零时自行关断。

当第二个脉冲时U12输出端Q3、Q2、Q1、Q0为0010,则U13的输出端Q2为高电平,通过D19使Q4导通,Q7导通,灯DS3亮。

同理,第三、四个脉冲时分别为灯DS2和DS1亮,但由于CP脉冲频率增加,则彩灯变化的速度加快(快流)。

(2)在后128Hz时,因Q8、Q9为高电平,Q10为低电平,则三极管Q10仍然导通,CP频率加快,同时U12作加计数,U14导通。

当此间第一个脉冲输出时,U12输出端Q0、Q1、Q2、Q3分别输出为0000,并作为U13的输入信号,U13输出端Q0、Q1、Q2、Q3分别输出1000,因U14已导通,则U13的Q0端高电平分别通过D13、D17使Q2和Q5导通,同时触发双向可控硅Q9和Q6,则彩灯DS1和DS4亮。

第二个脉冲输出时,U12输出端Q0、Q1、Q2、Q3输出1000,U13输出端Q1为高电平,通过D14和D18使Q2和Q3导通,彩灯DS1和DS2亮。

第三个脉冲输出时,U12输出端Q0、Q1、Q2、Q3输出0100,U13输出端Q2输出高电平,通过D15和D19使Q3和Q4导通,彩灯DS2和DS3亮。

第四个脉冲输出时,U12输出端Q0、Q1、Q2、Q3输出1100,U13输出端Q3输出高电平,通过D16和D20使Q4和Q5导通,彩灯DS3和DS4亮。

第五个脉冲输出时,U12输出端Q0、Q1、Q2、Q3输出0010,U13输出端Q4输出高电平,通过U11E、U11F使U12的CR为高电平,则U12输出端为0000,并作为U13的输入,使彩灯DS1和DS4亮。

当以下脉冲以此出现时,都按照以上分析循环进行工作,两盏彩灯同时发亮并有规律变化。但变化速度加快(快流)。

4.当CP脉冲在512Hz~1024Hz时

(1)第一个128Hz,U10的Q8、Q9输出低电平,Q10为高电平,三极管Q10截止,U12减计数,U14导通,则彩灯根据CP脉冲有规律变化:DS4、DS3 → DS3、DS2 → DS2、DS1 → DS1、DS4 → DS4、DS3(由两灯作逆向循环变化)。

(2)第二个128Hz,U10的Q9输出低电平,Q8、Q10为高电平,三极管Q10截止,U12加计数,U14导通,则彩灯根据CP脉冲有规律变化:DS1、DS4 → DS1、DS2 → DS2、DS3 → DS3、DS4(由两灯作顺向循环变化)。

(3)第三个128Hz,U10的Q8、输出低电平,Q9、Q10为高电平,三极管Q10导通,U12减计数,U14导通,则彩灯根据CP脉冲有规律变化:DS4、DS3 → DS3、DS2 → DS2、DS1 → DS1、DS4 → DS4、DS3(由两灯逆向快速作循环变化)。

(4)第四个128Hz,U10的Q8、Q9、Q10为高电平,三极管Q10导通,U12加计数,U14导通,则彩灯根据CP脉冲有规律变化: DS4、DS1 → DS1、DS2 → DS2、DS3 → DS3、DS4 → DS4、DS1(由两灯作顺向快速循环变化)。

三、结语

根据对系统的上述分析和论述可知,系统通过数字电路的控制,将时序控制(彩灯控制)分作快流、慢流、正流、逆流、单灯流、双灯流等几种模式,可以自动转换,并采用可控硅无触点控制,时间可以通过定时系统任意选择,并由数码显示控制时间,使整个控制系统更加完善、实用。

作者简介:王冲(1973-),男,浙江宁波人,宁波技师学院讲师,研究方向:电工。