【模拟电路】简易心形流水灯

 

1-项目介绍

      简易心形流水灯模块，由红、黄、绿三色LED，共18个。排列成一个心形图案。

2-硬件介绍

2.1 电路原理分析

图1  系统电路图

       接通电源后，由于暂稳态多谐振荡器的原理会有一个三极管先导通，由于电容充电的影响另外一个三极管会延时一会后导通，前面的三极管截止。如此往复循环，达到LED灯流水的效果。来举例分析一下：

假设Q1最先导通，则LED1这一组点亮，由于Q1导通，其集电极（C极）电压下降使得电容C2左端下降，接近0V，由于电容两端的电压不能突变，因此Q2的基极（B极）也接近0V，Q2截止，故接在其集电极（C极）的LED2这一组熄灭；此时Q2集电极（C极）的高电压（LED2和R5串联后接C3，虽然LED未点亮，但是电流通路存在）通过电容C3使Q3集电极电压升高，Q3也将迅速导通，LED3这一组点亮，因此在段时间里，Q1、Q3的集电极（C极）均为低电平，LED1和LED3这两组点亮，LED2这一组熄灭。

随着电源通过电阻R2对C2的充电，Q2的基极（B极）电压逐渐升高，当超过0.7V时，Q2由截止状态变为导通状态，集电极（C极）电压下降，LED2这一组点亮，与此同时，Q2的集电极（C极）下降的电压通过C3使Q3的基极（B极）电压也降低，Q3由导通变为截止，其集电极（C极）电压升高，LED3这一组熄灭。

接下来，电路按照上面的叙述的过程循环，三组18只LED便会轮流点亮，同一时刻有两组被点亮，这些LED被交叉排列成一个心形图案，不断的循环闪烁发光，达到流动显示的效果。

2.2边框设计

图2  心形边框设计

   心形边框由一个矩形（正方形）和两个半圆形（圆心角180°）组成。定义圆弧的半径为R，则板子尺寸为：宽 3.41R，高3.12R。

   本次设计的PCB尺寸为：83mm*73mm，其中下方的直角区域放置供电USB，修改为矩形区域。

   边框绘制过程描述： 以图案最下角为原点开始绘制，画布单位设置为mm，首先选择图层为边框层，选择PCB工具中的导线进行绘制，右侧的网格大小设置为34.290mm，栅格尺寸和ALT键栅格均设置为0.635mm，线宽默认0.254mm，拐角选择45°（图中颜色设置为了便于展示，选的白色背景，实际绘制不需要去修改），如图4所示。

 

图3  实际边框尺寸

图4 画布设置

   此时从原点开始，沿着45度方向，向左上绘制，到达第一个格点即可。右侧斜线同理。如图5所示

 

图5  斜线绘制

   绘制完成两个斜线后，开始寻找圆弧中心，把网格大小÷2，即修改为17.145mm，如图6所示。此时圆心就落在格点上，如图7所示。

图6  修改网格大小

图7  圆弧圆心

   先绘制右侧圆弧，选择中心圆弧工具。

图8  中心圆弧工具

   先到达圆弧中心位置，点击鼠标左键，然后到达圆弧右侧起点位置（斜线端点），然后逆时针移动，到达Y轴位置停止（到达点在格点上）。左侧圆弧绘制同样道理，从Y轴圆弧端点位置开始绘制，到左侧斜线端点。绘制过程图如图9所示。

图9  圆弧绘制过程

   左侧圆弧绘制结束后，会提示是否合并网络（如图10所示），我们绘制的是一个封闭的图形，这里选择确定。

图10  合并网络

2.3 边框细节设计

2.3.1 供电口部分

   本设计供电口处于正下方，采TYPE-C 6pin进行供电。因为供电口的存在，会破坏心形的下方，这个是不可避免的。边框绘制前可以先规划一下USB口的位置，让USB口在整个心形区域内。

   供电口的绘制过程如下：首先修改PCB的网格大小，栅格尺寸，和ALT键栅格均为1.27mm。然后调整TYPE-C位置，让其中心在Y轴上，同时下方边界线刚好接近边框。然后选择文档层，进行辅助线绘制。以TYPE-C口下方的第一个网格线为准，从左侧斜边框绘制到右侧，这个作为板子的下底边。

图11  板子底边绘制

   绘制完成后如图10所示，然后开始绘制两个圆角。选择中心圆弧工具进行绘制。左,右圆心如图12所示。绘制半径为2格的圆弧。

 

图12  左右圆弧中心

   绘制好的文档线即为下方的边框层。此时删除之前绘制的两条斜线

图13  绘制好的下方边框

图14  删除两条斜线

   切换层与元素到边框层和选择导线工具（右侧导线的拐角要设置为45度），连接两侧的端点。再次绘制斜线边框（如图15）

图15  再次绘制斜线边框

  最后，选中之前绘制的文档层（按住CTRL键多选），在右侧属性栏修改为边框层。至此，边框部分都已经绘制完成了。

图16  修改底层边框属性

2.3.2 悬挂通孔绘制

   在心形上方放置一个机械孔，便于悬挂。在PCB工具栏选择通孔工具（第一行，倒数第二个），然后放置在Y轴上的合适位置（距离上边框一定距离，过孔直径大小即可）。

图17  通孔工具

   放置后，选中通孔，修改孔的直径为3mm（这个尺寸比较常用，尺寸大小可以根据自己情况进行设定）

图18  修改孔的直径

   至此，心形边框的绘制全部完成，可以开始进行器件摆放等后续操作了

图19  边框部分全部完成

3 调试注意事项

3.1 焊接

      本次设计所有器件均为直插器件。焊接简单，但是需要用斜口钳子剪掉多余的引脚。焊接注意事项：LED的正负极不要弄反。PCB上已经标注LED正极所在的位置，需要将LED引脚较长的那个插入到正极孔内（其他直插LED正负极判断这里不进行展开）。比较好的焊接是LED都紧贴在PCB上，这样可以让LED比较稳定，不会因为不稳定导致焊盘脱落。特别注意，心形左侧和右侧LED的正负极是对称的，焊接时不要因为 “惯性”，导致焊接错误。

3.2 通电

      通电前检查TYPE-C座是否焊接良好，因为PCB电路板没有开关，理论上通电后就会有LED发光。本设计中，任意时刻都有12个LED发光，观察一段时间后，如果发现有LED一直不亮，那么这个LED是正负极焊接错误，或者是LED损坏，建议检查电路，坏掉或正负极焊接错误，请拆掉LED后再次进行焊接。供电参考电压3-5V，使用type-c供电，电压是5V。供电电压越大，LED越亮，同时流水灯周期越短。

3.3 波形展示

3.3.1 通电瞬间波形

图20  模块通电瞬间波形

      波形分析：示波器3路输入分别接在三极管Q1,Q2,Q3的基极上，通电瞬间，三个三极管的基极均达到0.7V电压，三极管导通。t1时刻，三极管Q3的基极电压突然开始下降并到了0V，对应的LED熄灭。然后开始逐步上升。待到三极管Q3基极电压升至0.7V左右，对应的LED亮起。三极管Q1基极电压快速下降，三极管Q1截至，对应的LED熄灭。之后电压逐渐上升。循环进行，3个三极管有一个处于截止状态，这组的LED熄灭，两个三极管处于导通状态，LED均发光。

3.3.2 断电瞬间波形

图21  模块断电后波形

       上图为三个，三极管基极电压变换，模块停止供电后，LED直接熄灭，模块断电后，电压都在下降（因为电容的电压不能突变）。