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附录二:
实物图14
附录三:
元器件清单15
前言
随着社会的不断发展,人民生活水平的提高,流水灯在现实生活中所起的作用越来越重要。
流水灯简易轻巧,外貌美观,能呈现多彩的颜色。
在现实生活中起到了广泛的应用。
在繁忙的交通路段,闪烁着的流水交通灯,提醒着人民要遵纪交通规则,在繁忙的大街上,闪烁的流水灯无不吸引过路人的眼球,甚至在自动门上都装有自动流水灯,告诉人们的时间和日期。
流水灯无处不在。
所以说多功能流水灯电路的设计可以使我们进一步了解流水灯,感受流水灯给我们生活带来的方便。
多功能流水灯的设计要求在预定的时间到来时,会产生一个控制信号控制彩灯的流向、间歇等,彩灯流向可以随着电路的改变而改变,并具有自控、手控、流向控制功能等。
主要参考数字电路中计数器的原理。
NE555定时器的作用等相关知识在设计的过程中需要了解相关芯片(CD4017、NE555)的具体功能,引脚值、引脚图、真值表。
认真连接设计电路,由于最后流水灯的流向十分的清晰和稳定,所以所得的结果测试十分简洁并且很成功。
经过资料的查阅,小组的讨论,以及几种方案的比较,选定方案参考如下:
整个流水灯的电路由振荡电路、译码电路和光源电路组成,振荡电路的组成包括3个电容、一个电阻器和一个继电器及NE555定时器构成。
译码电路的组成包括芯片CD4017。
光源电路的组成包括若干电阻若干二极管。
1课程设计的目的与要求
1.1设计要求
(1)设计一个彩灯流水控制电路,使其能够产生一个控制信号控制彩灯实现灯
光变换的功能。
(2)该彩灯控制电路,在完成基本变化的基础上,可以实现彩灯的流向性、间歇性变化的要求,从而使彩灯更加丰富化。
(3)给彩灯流水控制电路一个控制信号,并能够使其通过利用组合电路实现自控、手控、流向控制等全方位功能。
(4)独立完成设计任务,通过课程设计,锻炼自己综合运用所学知识的能力,并初步掌握电子技术设计的方法和步骤。
1.2设计框图
(1)基本原理设计框图如下图所示
电源定时器十进制计数器/分频器光源电路
图1-1基本原理设计框图
(2)设计的多功能流水灯原理电路图如上图所示。
原理电路图由振荡电路、译码电路和光源电路三部分组成。
在设计电路时,本次选用的脉冲发生器是由NE555与R2、R3及C3组成的多谐振荡器组成。
主要是为灯光流动控制器提供流动控制的脉冲,灯光的流动速度可以通过电位器RP进行调节。
由于RP的阻值较大,所以有较大的速度调节范围。
灯光流动控制器由一个十进制计数脉冲分配器CD4017和若干电阻组成。
(3)CD4017的cp端受脉冲发生器输出脉冲的控制,其输出端(Q0~Q9)将输入脉冲按输入顺序依次分配。
输出控制的脉冲,其输出控制脉冲的速度由脉冲发生器输出的脉冲频率决定。
电阻与CD4017的10个输出端Q0~Q9相连,当Q0~Q9依次输出控制脉冲时10个发光二极管按照接通回路的顺序依次发光,形成流动发光状态,即实现正向流水和逆向流水的功能。
2设计方案及选择
2.1基本要求设计方案
(1)设计一个多功能彩灯流水控制电路。
其主要部分实现定时功能,即在预定的时间到来时,将如何产生一个控制信号控制彩灯的流向、间歇等。
(2)通过利用集成电路中计数器、译码器和定时器来实现正逆流水功能,并利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能
2.2方案选择选择
根据课程设计的要求:
用4017芯片设计一流水灯。
我的总体设计方案如下:
由于4017芯片本身是一十进制计数器(分配器),所以只需在CLK端口(15脚)接入一时钟信号且Q0至Q9端(1至7脚和9、10、11脚)接十只发光体就可得到一组流水灯。
其时钟信号可用时钟信号发生器产生,也可用简单的芯片和元件组合成一多谐振荡电路产生,发光体可用钠光灯、白炽灯、发光二极管等。
但从功耗高低、寿命长短、价格、环保等方面考虑,其时钟信号我采用由555定时器组成的多谐振荡器输出的周期性矩形波,发光体采用发光二极管(LED)。
4017芯片会以输入信号的高电平为1低电平为0组成以二进制数再转化成十进制数分配给Q0至Q9端,从而使各发光二极管依次发光,若输入信号不间断,发光二极管循环发光。
3设计原理及功能说明
流水灯由555组成的多谐振荡器和CD4017十进制计数器电路组成。
当第一个脉冲到来时Q0输出高电平,LED1亮,第二个脉冲到来时,Q1输出高电平,LED2亮,…,直到Q9输出高电平,LED10亮,接着进行下一轮输出。
改变多谐振荡器的振荡周期就可以改变灯组的流动速度,改变电流的大小可改变灯光的亮暗程度,所以本次课程设计以4017芯片为前提设计的流水灯其速度和亮度都是可调的。
图3-1电路原理图
4单元电路的设计
4.1555定时器介绍
555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图4-1和图4-2。
图4-1555定时器的内部电路框图图4-2555逻辑符号和管脚排列
它含有两个电压比较器,一个基本RS触发器,一个放电开关T,比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压,它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。
C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过2/3Vcc时,触发器复位,555的输出端3脚输出低电平,同时放电,开关管导通;
当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时,触发器置位,555的3脚输出高电平,同时放电,开关管截止。
是复位端,当其为0时,555输出低电平。
平时该端开路或接Vcc。
Vco是控制电压端(5脚),平时输出2/3Vcc作为比较器A1的参考电平,当5脚外接一个输入电压,即改变了比较器的参考电平,从而实现对输出的另一种控制,在不接外加电压时,通常接一个0.01uf的电容器到地,起滤波作用,以消除外来的干扰,以确保参考电平的稳定。
触发
阈值
复位
IS
放电端
输出
>
H
导通
L
原状态
×
截止
图4-3555定时器控制功能表
VCC两个基准电压;
两个电压比较器C1、C2;
一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器(低电平触发);
放电三极管T和输出反相缓冲器G3。
555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络,产生2/3Vcc和1/3Vcc。
复位后,基本RS触发器的
端为1(高电平),经反相缓冲器后,输出为0(低电平)。
分析电路:
在555定时器的VCC端和地之间加上电压,并让VCO悬空,则比较器C1的同相输入端接参考电压2/3Vcc,比较器C2反相输入端接参考电压1/3Vcc,为了学习方便,我们规定:
当TH端的电压>
2/3Vcc时,写为VTH=1,当TH端的电压<
2/3Vcc时,写为VTH=0。
当
端的电压>
1/3Vcc时,写为VTR=1,当端的电压<
1/3Vcc时,写为VTR=0。
低触发:
当输入电压Vi2<
1/3Vcc且Vi1<
2/3Vcc时,VTR=0,VTH=0,比较器C2输出为低电平,C1输出为高电平,基本RS触发器的输入端
=0、
=1,使,使Q=1,
=0,,经输出反相缓冲器后,VO=1,T截止。
这时称555定时器“低触发”;
保持:
若Vi2>
1/3Vcc,且Vi1<
2/3Vcc,则VTR=1,VTH=0,
=0、
=1基本RS触发器保持,VO和T状态不变,这时称555定时器“保持”。
高触发:
若Vi1>
2/3Vcc,则VTH=1,比较器C1输出为低电平,无论C2输出何种电平,基本RS触发器因
=0,使
=1,经输出反相缓冲器后,VO=0;
T导通。
这时称555定时器“高触发”.
555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件(即VTH、VTR的“0”、“1”)必须牢牢掌握。
根据555定时器的控制功能,可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路,例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。
4.2自激多谐振荡器
图4-14-2所示为自激多谐振荡器电路和波形图。
自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。
电路采用电阻、电容组成RC定时电路,用于设定脉冲的周期和宽度。
调节RW或电容C,可得到不同的时间常数;
还可产生周期和脉宽可变的方波输出。
脉冲宽度计算公式:
Tw≈0.7(R1+RW+R2)C
振荡周期计算公式:
T≈0.7(R1+RW+2R2)C
图4-4自激多谐震荡电路图图4-5自激多谐振荡器电路波形
电容器C的充电电阻是R1+RW+R2,放电电阻是R2。
当VC是低电平时,555定时器低触发,VO为高电平,放电管T截止,电容器经(R1+RW+R2)充电,当充电至VC=VTH>
2/3Vcc时,电路高触发,输出VO变为低电平,放电管T导通,电容器经R2放电,当放电至VC=VTR<
1/3Vcc时,电路又进入低触发,VO变为高电平,如此周而复始,循环不止,输出连续脉冲信号。
4.3十进制计数分频器CD4017
CD4017是5位Johnson计数器,具有10个译码输出端,CP、CR、INH输入端。
时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能,对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。
INH为低电平时,计数器在时钟上升沿计数;
反之,计数功能无效。
CR为高电平时,计数器清零。
Johnson计数器,提供了快速操作、2输入译码选通和无毛刺译码输出。
防锁选通,保证了正确的计数顺序。
译码输出一般为低电平,只有在对应时钟周期内保持高电平。
在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位,并用作多级计数链的下级脉动时钟。
CD4017提供了16引线多层陶瓷双列直插(D)、熔封陶瓷双列直插(J)、塑料双列直插(P)和陶瓷片状载体(C)4种封装形式。
CD4017采用标准的双列直插式脚塑封,它的引脚如下所示:
图4-64017引脚
1脚:
第5输出端
2脚:
第1输出端
3脚:
第0输出端,电路清零时,该端为高电平
4脚:
第2输出端
5脚:
第6输出端
6脚:
第7输出端
7脚:
第3输出端
8脚:
电源负极
9脚:
第8输出端
10脚:
第4输出端
11脚:
第9输出端
12脚:
级联进位输出端,每输入10个时钟脉冲时,就可以得到一个计数器的时钟信号
13脚:
时钟输入端,脉冲输入端,脉冲下降沿有效
14脚:
时钟输入端,脉冲上升沿有效
15脚:
清零输入端,在该管脚加高电平或正脉冲时,CD4017计数器中,各计数单元输出低电平“0”,在译码器中,只有对应“0”状态的输出端3脚为高电平
16脚:
电源正极,可以使用3~18V直流电源供电
输入
CP
INH
CR
Q0~Q9
CO
Q0
计数脉冲为
Q0~Q4时:
CO=H
计数
保持
Q5~Q9时:
CO=L
图4-7CD4017的逻辑功能表
4.3CD4017介绍
数字电路CD4017是十进制计数/分频器,它的内部由计数器及译码器两部分组成,由译码输出实现对脉冲信号的分配,整个输出时序就是Q0、Q1、Q2、…、Q9依次出现与时钟同步的高电平,宽度等于时钟周期。
图4-8CD4017十进制计数器内部电路图
CD4017有10个输出端(Q0~Q9)和1个进位输出端~Q5-9。
每输入10个计数脉冲,~Q5-9就可得到1个进位正脉冲,该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
CD4017有3个输(MR、CP0和~CP1),MR为清零端,当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出Q0为高电平,其余输出端(Q1~Q9)均为低电平。
CP0和~CPl是2个时钟输入端,若要用上升沿来计数,则信号由CP0端输入;
若要用下降沿来计数,则信号由~CPl端输入。
设置2个时钟输入端,级联时比较方便,可驱动更多二极管发光。
由此可见,当CD4017有连续脉冲输入时,其对应的输出端依次变为高电平状态,故可直接用作顺序脉冲发生器。
CD4017有两个时钟端CP和EN,若用时钟脉冲的上沿计数,则信号从CP端输入;
若用下降沿计数,则信号从EN端输入。
设置两个时钟端是为了级联方便。
图4-9CD4017时序波形图
4.4LED介绍
LED(LightEmittingDiode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。
LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N结”。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。
LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源,它有着广泛的用途。
体积小:
LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面,所以它非常的小,非常的轻。
耗电量低:
LED耗电非常低,一般来说LED的工作电压是2-3.6V。
工作电流是0.02-0.03A。
这就是说:
它消耗的电不超过0.1W。
使用寿命长:
在恰当的电流和电压下,LED的使用寿命可达10万小时。
高亮度、低热量:
比HID或白炽灯更少的热辐射。
环保:
LED是由无毒的材料作成,不像荧光灯含水银会造成污染,同时LED也可以回收再利用。
红光LED含有大量的As(砷),剧毒
坚固耐用:
LED是被完全的封装在环氧树脂里面,它比灯泡和荧光灯管都坚固。
灯体内也没有松动的部分,这些特点使得LED可以说是不易损坏的。
可控性强:
可以实现各种颜色的变化。
5电路板的组装与调试
5.1组装电路及调试
(1)检查电路设计的原理图即导线的链接,并确定导线的链接与电路原理图一致。
(2)检查导线的链接,并检查导线是否断路,根据电路原理图,用数字万用表打到合适的档位,测试各导线对应的按点是否导通。
(3)检查试验仪器和器材是否完好,电源5V直流电压输出正常。
发光二极管全部可以正常发光,电阻和电容全部正常,电位器可以正常调节。
芯片CD4017和定位器NE555工作正常。
当接通电源,流水灯可以正常顺畅的流动。
5.2可能问题的预设处理
(1)若流水灯没有正常流动,首先检查电路板是否有虚焊或短路,检查之后重新测试;
若仍有问题,检查原件是否有错误焊接,并进行修正。
(2)若流水灯只有部分闪烁,使用万用表检查没有闪烁,LED灯管是否正确安装或是毁坏,如果反接则重新连接如果毁坏则替换灯管,检查相关电路连接部分的焊接以及所连接电阻是否存在问题。
(3)若只有一个灯光被点亮且不闪烁,检查NE555相连电解电容是否反接或毁坏,反接则调换引脚,毁坏则更换电容;
若不是电容问题,考虑是否为NE555的连接上存在问题或NE555本身出现问题,若是连接上的问题进行调整,若是元件问题向老师索要新元件进行替换。
(4)若通电时电路板出现冒烟或元件爆裂,及时切断电源连接,检查电路板状况,检查出现问题的原因看是否可以继续使用。
6总结
此课题主要考察了对数字电路部分知识的理解和应用,理论结合实践,使得对以前学习的数字电路有了进一步的认识和学习,为以后的学习打下了坚实的基础,并且对本专业产生了浓厚的兴趣。
通过这次课设,锻炼了我们综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题的能力。
这次课设在老师的指导下以及我们全组人员的共同努力下,顺利地完成,这次课设,虽然只有1周时间,但就在这1周时间里,不仅提高了我们个人的动手能力,更培养了我们团队精神,让我们在独立思考解决问题的同时,又相互配合,以致顺利完成课程设计。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
本设计主要运用编码、译码和555定时器完成的多功能流水灯。
但由于时间的不够充分和本人理论知识的单薄,这次设计的电路并不完善,对于自动控制方面设计的还不够完美。
但是,通过这次试验,和同组同学的交流与讨论,不仅提高了自己的理论知识基础,还锻炼了自己的动手能力。
在课程设计中,通过和同组同学的共同努力,排除了实验过程中的诸多困难,最终成功的完成了课题的设计。
在体会到设计电路艰辛的同时,更能体会到成功的喜悦和快乐。
参考文献
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6.康华光主编.电子技术基础(数字部分第五版).高等教育出版社,2005.7
7.孙余凯等编著.电子元件检测.选用.代换手册.电子工业出版社,2007.5
原理图和仿真图
原理图
仿真图
实物图
元器件清单
序号
元件类型
标识符
数量
1
2U2/16V
C1
2
10K
R2
3
47K
R3
4
56
R1
5
100
R4
6
103
C2
7
220U/16V
C3
8
555
U1
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