零基础制作爱心彩灯送给心爱的她

编者按:本文作者李王,创客马拉松深大站参赛选手,深职院大二学生。本文介绍了如何制作一个心型爱心彩灯的全过程,感兴趣的朋友不妨一试。

这是一个基于数字电路的简单作品,无需编程,无需电路设计,只需两块芯片即可。

此作品特别适合初学者制作,其本质就是用数字芯片 CD4017 构成的流水灯,显示方式根据自己的喜好、创意就 OK。动手制作这样的礼物,送给 ta 绝对会是再好不过了。

首先,我们了解一下该作品的五脏六腑:

  • 杜邦线(若干)
  • 万能板X2
  • 电位器X2
  • 470uF电容X1
  • 二极管X4
  • 变压器X1
  • 104电容(若干)
  • LM7809芯片X1
  • 散热片X1
  • 各色LED灯(若 干)
  • 100uF电容X1
  • K电阻X1
  • 680欧电阻(若干)
  • 共阴 数码管X4
  • NE555和 CD4017 (各一片)
  • 芯片底座X2(有利于芯片的二次利用)
  • 木板5块加包装纸2张(尺寸大小根据自己情况而定)

所需器材示意图 所需器材示意图

我把作品电路分为 3 个部分,这 3 个部分都是以我的实物为依据的,你当然可以有更好的创意来改进它。

电源电路

既然作品定位是礼物,所以电源一定要装在里面。

CD4017工作电压较高,加之彩灯使用环境是在室内的,所以我们考虑使用交流电源。3~5瓦的小型变压器即足够,要求变压器次级输出7~8V,这样经整流滤波后可得到系统需要的9~10V直流电压。

以下是该部分的原理图及实物图:

LOVE型生日彩灯

流水驱动电路

NE555 和 CD4017 的作用。NE555 组成振荡电路,CD4017 则是计数电路。心形中间部分 LED 产生流动的效果,就是靠 NE555 和 CD4017 的组合.我在下面为初学者详细讲一下电路原理。

振荡电路由一块时基集成电路 NE555 和 C2、C3、R1、R2 等组成(其中 C2 为延时充电电容,C3 为抗干扰隔离电容,R1、R2 为延时充电电阻,而 R2 又为放电电阻)。通电后,因电容 C2 两端电压不能突变,2 脚的电压为低电平,集成块 NE555 的内部触发器被置位,3脚输出高电平。同时,由于电源经电阻 R1 和 R2 向 C2 充电,使 6 脚和 2 脚的电压不断提高,当电位上升到 VCC 的 2/3 时,集成块 NE555 的内部触发器被复位,3 脚的输出电压翻转为低电平。同时集成块 NE555 内部的放电管导通,即7脚通过内部的放电管和1脚相通,C2 上储存的电荷就通过 R2、7 脚放电,使 6 脚和 2 脚的电压不断下降,当电位降低到 VCC 的 1/3 时,集成块 NE555 的内部触发器被置位。同时集成块 NE555 内部的放电管截止,7 脚被悬空,电源又通过 R1、R2 向 C2 充电,使 6 脚和 2 脚的电压不断提高…… 如此,周而复始,形成振荡。

输出端的高电平维持时间取决于电容 C2 的充电时间常数,输出端的低电平维持时间取决于电容 C2 的放电时间常数。由于 R2≥R1,故可以认为 f 放 ≈f 充,目的是减小彩灯熄亮交替的时间间隔的差异。如用作其他情况,课按需要调整 R1、R2、C2 的参数。综上分析,3 脚始终处于高电平和低电平的二进制变化状态,故此电路又称为无稳态电路。

译码电路由一块 CD4017 集成块组成。该集成块有 3 个输入端(2 个时钟输入端 CP 的 14 脚和 EN 的 13 脚与复位端 Cr 的 15 脚)。有 10 个输出端 Q0~Q9(依次为 3 脚、2 脚、4 脚、7 脚、10 脚、1 脚、5 脚、6 脚、9 脚、11 脚)。还有一个进位端 CO,其功能是:当复位端 Cr 加上高电平和正脉冲时,输出端 Q0 为高电平,其余 9 个输出端 Q0~Q9 均为低电平。时钟输出端 CP 对输入时钟脉冲的上升沿计数,EN 则对时钟脉冲的下降沿计数。Q0~Q9 这 10 个输出端的输出状态分别与输入的时钟个数相对应。如从 0 开始计数,则输入到第1个时钟脉冲时,Q1 就变成高电平,输入第 2 个时钟脉冲时,Q2 变成高电平……直到输入第 10 个时钟脉冲,Q0 变为高电平。同时,进位端 C0 就输出一个进位脉冲,作为下一级计数的时钟信号。Cr 为复位端,也为清零端。当 Cr 输入高电平时,电路复位,即输出端Q0为高电平,Q1~Q9 为低电平。如此反复,只要集成块 NE555 的 3 脚送来的二进制信号不消失,CD4017 将二进制信号转换为十进制信号的计码工作就会反复进行下去。

综上可知:调节可变电阻 R2 便可改变振荡电路的频率,反映在 CD4017 输出端则是流动的速率。

布局及工作原理

关于这个 LOVE 型彩灯部分我画了一个直观的图,心形有 30 颗 LED 组成,但是 CD4017 只有 10 组输出,所以我把心形的顶部 5 颗 LED 和底部 5 颗 LED 独立开来,其他还有 20 颗 LED 则两两并联后由 CD4017 驱动,形成流水灯效果,Q0~Q9 直接接到 CD4017 的对应端(两只高亮 LED 并联后工作电流在 20mA 以下,完全不必接三极管扩流驱动)。

顶部和底部独立出来的 2 路 LED,电路完全相同,它们是将 5 颗 LED 串联后直接接在电源上,有朋友会问:那不是这两路 LED 都静止在那儿了?

正因为如此,所以我把 LED1 和 LED30 换成了多色自闪的 LED(这也是高亮 LED 中的一种,市售价格会高一些,我记得当时买的是一块钱一颗)。这样处理之后,这两颗 LED 总是在闪,发出七彩光,同时因为它们在闪的过程中自身压降总在忽高忽低的交替变化,使得分别所处的这两条 LED 通路上的其他 4 颗 LED 的分压也发生变化,导致支路中的其他 4 颗 LED 会呈现亮度高低起伏的效果,恰到好处地陪衬了两颗闪烁的LED。

注意在上图中,除 LED1 和 LED30 以外的 LED 颜色按个人喜好编排,但一定要保证左右对称,不然会很丑。

数码管显示LOVE

作品做出来后,发现心形彩灯的中间很空,看上去挺别扭,于是想到用数码管显示LOVE,当时不知道怎么样驱动数码管,所以直接将数码管焊死了,即需要哪些笔画亮就将其通电,当然这是最傻瓜的方法,但是对于初学者来说可能是达到预期效果的最好方法。该电路使用共阴数码管 。

硬件制作要点,我稍作一些解释:

  1. 作为礼品,外观至关重要。不管作品是否采用我的这种结构,制作时一定要考虑到方不方便制作、固定外壳。
  2. 电路中的可调电阻R2,不要使用微调的,要用带手柄的(比如音量电位器那种),制作好之后不论是你自己调试还是礼品的主人,都可以调节LED流动速度。