电子烟花设计研究报告青岛滨海学院李靖马彪周瑞瑞指导教师.DOC

“电子烟花设计”研究报告 青岛滨海学院 李靖 马彪 周瑞瑞 指导教师：任爱阁 田宝森 摘要：本作品设计了一种安全、方便的电子烟花系统。此电子烟花系统用数字电路原理实现，以时钟控制和驱动电路为基础，用移位寄存器芯片来控制发光二极管的亮灭次序，产生动感，从而实现了从点火到烟花绽放全过程的模拟。 引言 烟花虽然美丽但生命短暂，数秒的华丽绽放后，随之生成的废气废物却对环境造成了污染，同时储存燃放烟花也存在着安全隐患。人们在发展烟花制造技术的同时，也在寻求更先进的产品来替代传统的火药型烟花，希望能享受烟花带来的快乐又能消除其负面影响。 本作品设计的电子烟花由电源电路、点火电路、导火线燃烧控制电路、烟花绽放控制电路、时钟电路和复位电路组成，具有长寿命、可反复使用、环保、储存使用安全等特点，具有很大的发展潜力。 1 实验原理 本电子烟花的硬件系统由电源电路、点火电路、导火线燃烧控制电路、烟花绽放控制电路、时钟电路和复位电路组成。电路原理图如图1所示。 2 设计过程 2.1 时钟电路 模拟电子烟花燃放，需要控制点火后引线燃烧和烟花绽放的速度。为了更清楚的模拟和展现烟花点燃和绽放的过程，根据彩灯的数目，设定引线燃烧时间为1/8秒(即每个灯亮间隔频率为8Hz) 烟花上升和绽放时间为1/4秒(即每个灯亮间隔频率为4Hz)。选择CD4060构建时钟电路。采用32.768kHz的晶振作为原始时钟输八，经CD4060分频成所需的时钟信号。经1脚输出212分频后的8Hz时钟信号，经2脚输出213分频后的4Hz时钟信号。所有芯片统一由外部的+5V稳压电源供电。 图1 电路原理图 2.2 复位电路 为了使电路可靠工作，在给电路加电时需要进行Reset动作，以保证清除原有状态，实现初始设置。本设计使用一个电容和电阻实现了简单有效的上电复位功能。其复位原理为：电路未通电前，Reset信号电位为OV。当+5V通电后，电容C3两端压降不能突变，此时Reset为5V高电平。各芯片开始复位。随着时间的推移C1开始充电压由OV充满至5V，充电电流截止，电阻两端压降降为OV，Reset信号变为LOW，芯片结束复位。由于74LS194(移位寄存器)芯片的清零端为低电平有效，它的复位还需要将Reset信号反向。设计者将复位电路得到的高电平脉冲通过一个与非门74LS00变成低电平脉冲，来实现成功复位。 2.3 烟花点火电路 本作品使用光敏传感器电路作为电子开关模拟“点火”装置。使用者点燃火柴或者打火机靠近电子开关，既可触发电路。采用光敏电阻作为传感器，将使用者给出的光信号转换成电信号。光敏电阻的特性为阻值与光照强度呈反比，照到光敏电阻的光越强光敏电阻的阻值越小，光越弱光敏电阻的阻值越大。将+5V电压经光敏电阻U6和R2分压，分压所得信号输入至移位寄存器74LS194的S1脚。合理选择R2的阻值，来实现光敏电阻对移位寄存器的控制 2.4 导火线燃烧控制 点火后，导火线开始均匀燃烧至炮筒引燃，此状态的模拟采74LS194和CD40106实现。炮筒灯由CD40106芯片驱动闪亮。CD40106包括六组施密特触发器。CD40106输入信号为CD4060提供的8Hz时钟，输出8Hz驱动信号，使发光二极管闪烁。系统通电复位后，炮筒灯开始闪烁。点火前，74LS194初始状态SO为HIGH，S1为L0W，A、B、C、D的输入为1、0、O、0。点火信号发出后，S1为HIGH，此时S1、SO为“11”芯片执行并行置数，QA、QB、QC、QD置为“1000”，D3灯亮。光源移开后，S1为LOW，进入右向移位模式，D4、D5依次闪亮。当D5为HIGH后，此信号输入74LS00，反向后输出至SO，将SO置L0W，此时S1、S0为“00”芯片进入保持模式，即D5保持点亮。 2.5 烟花绽放电路 用发光二极管搭配出烟花上升和绽放路径，使用CD4017芯片完成这些二极管的控制和驱动。CD4017是十进制计数／分频分配器，输出端Y0～Y9控制十组发光二极管。由于CD4017较74LS194具有更多的输出状态，可以更细致的模仿烟花绽放的形态。当D5点亮后，芯片的／CKEN由HIGH变为LOW，芯片开始计数。Y0～Y9依次输出高电平脉冲。合理布置发光二极管的数量位置，安排好驱动顺序，即可实现多朵烟花的循环绽放。例如，使用同一个驱动信号控制代表第二朵烟花上升状态的彩灯和代表第一朵烟花绽放状态的彩灯，即能达到第二朵烟花较第一朵稍后绽放的效果。 2.6 实验过程 电子烟花的形状由发光二极管的摆放决定，电路板下方的七个发光二极管组成长方形的炮筒；炮筒的左侧如同绳子形状的五个发光二极管是导火索；最顶部的两组图代表烟花开放出来的花朵，每朵花又分别由三圈发光二极管组成；在炮筒与花之间的两竖排发光二极管为