4017流水灯毕业设计报告 CD4017流水灯电路设计.doc

CD4017流水灯电路设计 摘要：随着LED技术的不断发展以及LED在低功耗、长寿命、环保等方面的优势，LED应用领域逐渐增多。同时，许多国家在看到LED巨大的市场潜力后，纷纷出台各项鼓励措施大力推动LED在各领域中的应用。目前，LED的应用已经从最初的指示灯应用转向更具发展潜力的显示屏，景观照明、背光源、汽车车灯、交通灯、照明等领域，LED应用正呈现出多样化发展趋势。本次毕业设计就是用小功率LED作为发光体替代实验室中价格昂贵的钠光灯或白炽灯。并利用555定时器、可变电阻普通电阻、电解电容以及普通电容构成可调驱动电路，驱动CD4017计数器构成的译码电路，使LED依次循环发光，从而组成循环流水灯。 关键词： CD4017 555定时器 LED 目录设计任务和要求31.引言42.总体设计方案选择与说明52.1 方案选择52.2 电路工作原理：53.单元硬件设计说明53.1 555定时器63.2 自激多谐振荡器103.3 十进制计数分频器CD4017113.3.1 CD4017内容说明：113.3.2 CD4017十进制计数器内部电路图：123.3.3 CD4017时序波形图：133.3.4 CD4017引脚图如下：143.3.5 CD4017引脚功能：143.4 发光二极管（LED）15 3.4.1 LED 特点 .133.4.2 LED光源的特点163.5 元件明细表174.软件说明184.1 Protel99简介184.2 Proteus简介195.安装调试方法195.1 安装方法195.2 调试方法206.总结207.致谢218.参考文献22附录一23附录二24附录三25附录四26设计任务和要求设计任务:以CD4017计数器为基础设计一灯组流动速度和亮度均可调的循环流水灯。要求：（1） 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。（2） 熟悉电子线路Protel99软件及电子线路仿真Proteus软件的使用方法。（3） 学会查阅资料和手册，学会选用各种电子元器件。（4） 掌握安装电子线路的基本技能和调试方法。（5） 设计时尽量使用廉价环保元件。（6） 设计产品必须是灯组流动速度和亮度均可调的。1.引言随着电子科学技术的飞跃发展以及生活水平的提高，娱乐场所越来越多，如酒吧、舞厅、KTV等。我们在这些地方看到的循环彩灯就是最原始的循环流水灯演变而来的，而这些灯几乎用的都是低功耗、长寿命、环保等特征的LED。在新兴应用市场不断出现的带动下，近些年LED市场规模快速提升。2005年中国LED的产量已经达到262.1亿只，市场规模更是突破百亿元大关达到114.9亿元。 LED的应用领域已经从最初简单的电器指示灯、LED显示屏发展到LCD背光源、景观照明、室内装饰灯等其他领域。而由于LED具有的长寿命、无污染、低功耗的特性，未来LED还将逐步替代荧光灯、白炽灯成为下一代绿色照明光源。为此，美国、韩国、欧盟、中国台湾都制定了适合各国国情的半导体照明计划，大力推进LED灯进入普通照明灯具市场。室内照明将是LED最具市场规模和发展潜力的应用。从数量上看，凭借着国内强大的制造能力，指示灯依旧是LED的使用大户，其用量占据LED市场消耗量的半壁江山。但由于指示灯多为普通亮度LED，经过多年的发展产量很大早已形成买方市场，供过于求的市场现状导致价格持续下跌，严重影响了指示灯领域的LED市场规模增长。LED指示灯市场规模只保持了一位数增长，但是随着价格的进一步滑落，LED指示灯市场规模很难在维持正增长，预计从2006年起，该市场将呈现出负增长。对于进入通用照明市场而言，功率白光LED除面临着诸如发光效率低、散热不好、成本过高等问题外，还将面临到光学、机构与电控等的整合以及LED照明产品通用标准的制定。解决上述问题需要很长的一段时间，赛迪顾问预计LED在2010年前还不能进入通用照明市场。由于酒店、商务会馆、高档商用写字楼等商用场所相对于价格的敏感度低。同时这些高档场所更注重于彰显品味与尊贵的地位，对于新兴产品抱有更大的兴趣度。这些都降低了LED照明进入的门槛。赛迪顾问预计LED照明将率先进入商用市场，逐步向民用市场扩展。2.总体设计方案选择与说明2.1 方案选择 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。2.2 电路工作原理：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。电路原理图见附页。3.单元硬件设计说明在进行单元硬件设计时，必须对所选的器件了解清楚后。下面是对所有选择的器件进行简单的说明和分析：3.1 555定时器555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。表3.1 (a)双极性型5G555的主要性能参数参数名称符号单位参数电源电压VCCV516电源电流ICCmA10阈值电压VTHVVCC触发电压VTRVVCC输出低电平VOLV1输出高电平VOHV13.3最大输出电流IOMAXmA200最高振荡频率fMAXKHz300时间误差tnS5 VTH即Vi1 ,VTR即Vi2 。 (b) CMOS型7555的主要性能参数参数名称符号单位参数电源电压VCCV318电源电流ICCA60阈值电压VTHVVDD触发电压VTRVVDD输出低电平VV0.1输出高电平VV14.8最大输出电流IOMAXmA200最高振荡频率fMAXKHz500时间误差tnS集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4512V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。其主要参数见表3.1。图3.1 555定时器内部结构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3.1和图3.2。引脚功能：Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（）：低电平触发端，简称低触发端，标志为。图3.2 555定时器逻辑符号和引脚VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。：复位端。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VCC和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。是复位端，低电平有效。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）。分析图8.1的电路：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VCC，比较器C2反相输入端接参考电压VCC ，为了学习方便，我们规定：当TH端的电压VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压VCC时，写为VTR=1，当端的电压VCC时，写为VTR=0。 低触发：当输入电压Vi2VCC 且Vi1VCC 且Vi1VCC，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，VO0；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。 VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的表3.2 555定时器控制功能表输 入输 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不变L导通截止不变导通参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接001F（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。555定时器的控制功能说明见表3.2。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。图3.3自激多谐振荡器电路和波形图3.2 自激多谐振荡器图3.3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：Tw0.7 (R1+RW+R2) C 振荡周期计算公式：T0.7 (R1+RW+2R2) C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=VTHVCC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=VTRVCC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。3.3 十进制计数分频器CD40173.3.1 CD4017内容说明：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。3.3.2 CD4017十进制计数器内部电路图： 图3.4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。 CD4017有10个输出端（Q0Q9）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（Q1Q9）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。3.3.3 CD4017时序波形图： 图3.53.3.4 CD4017引脚图如下： 图3.6引出端功能符号说明：TC：进位脉冲输渊CP：时钟输入端MR：清除端CE：禁止端Q0-Q9 计数脉冲输出端VCC：正电源GND：地表3.33.3.5 CD4017引脚功能：CD4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。CD4017有16支脚，除电源脚VCC及GND为电源接脚，输入电压范围为315V之外，其余接脚为：(1)、频率输入脚：CLOCK(Pin14)，为频率信号的输入脚。（2）、数据输出脚： 1）、Q1-Q9(Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，为解码后的时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为Hi，其余为Lo 电位。 2）、CARRY OUT（Pin12），进位脚，当4017计数10个脉冲之后，CARRY OUT将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。（3）、控制脚：1)、CLEAR(Pin15)：清除脚或称复位(Reset)脚，当此脚为Hi时，会使CD4017的Q0为”1”，其余Q1-Q9为”0”。2）、CLOCK ENABLE(Pin13)，时序允许脚，当此脚为低电位，CLOCK输入脉波在正缘时，会使CD4017计数，并改变Q1-Q9的输出状态。3.4 发光二极管（LED）LED（Light Emitting Diode），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。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 3.4.1 LED特点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。3.4.2 LED光源的特点1.电压： led使用低压电源，供电电压在6-24v之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% 3. 适用性：很小，每个单元 led小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 4. 稳定性： 10万小时，光衰为初始的50% 5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级， led灯的响应时间为纳秒级 6. 对环境污染：无有害金属汞 7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色 8.价格：led的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只led的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300500只二极管构成。参数表 表3.43.5 元件明细表Part TypeDesignatorFootprint2U2/16VC110KR247KR356R1100R4103C2220U/16VC3555U1DIP-84007D14017U2DIP-16 表3.54.软件说明4.1 Protel99简介Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶,能实现从电学概念设计到输出物理生产数据,以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具,而是一个系统工具,覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。 最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文件,以便用户顺利过渡到新的EDA平台。Protel99 SE共分5个模块,分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。 以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：可生成30多种格式的电气连接网络表;强大的全局编辑功能;在原理图中选择一级器件,PCB中同样的器件也将被选中; 同时运行原理图和PCB,在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络 既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB）,也可以进行反向注释（由PCB到原理图）,以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性; 满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出,GB4728国标库）; * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）;支持用CUPL语言和原理图设计PLD,生成标准的JED下载文件; * PCB可设计32个信号层,16个电源-地层和16个机加工层;强大的“规则驱动”设计环境,符合在线的和批处理的设计规则检查; 智能覆铜功能,覆铀可以自动重铺; 提供大量的工业化标准电路板做为设计模版; 放置汉字功能; 可以输入和输出DXF、DWG格式文件,实现和AutoCAD等软件的数据交换; 智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）; 方便的打印预览功能,不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果; 独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果; 强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等; 经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法,信号完整性分析直接从PCB启动; 反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合。4.2 Proteus简介Proteus软件已有20多年的历史，采用PC进行虚拟仿真实验要比采用单片机实验箱更为有效，因为用户可以根据需要随时对原理电路图进行修改，并立即获得仿真结果。由于在PC上修改原理电路图要比在实验箱上修改硬件电路容易得多，而且还可以根据设计要求采用不同元器件，或者修改元器件参数以获得不同输出结果，在成功进行虚拟仿真并获得期望结果的条件下，再制作实际硬件进行在线调试，可以获得事半功倍的效果。5.安装调试方法5.1 安装方法现在电路板上画好实物电路图，然后将实物一一对应地安装在上面焊接。电路板制作方法如下：1. 将敷铜板裁成电路图所需尺寸。2. 把蜡纸放在钢板上，用笔将电路图按1:1刻在蜡纸上，并把刻在蜡纸上的电路图按电路板尺寸剪下，剪下的蜡纸放在所印敷铜板上。取少量油漆与滑石粉调成稀稠合适的印料，用毛刷蘸取印料，均匀地涂到蜡纸上，反复几遍，印制板即可印上电路。这种刻板可反复使用，适于小批量制作。3. 以氯酸钾1克，浓度15的盐酸40毫升的比例配制成腐蚀液，抹在电路板上需腐蚀的地方进行腐蚀。4. 将腐蚀好的印制板反复用水清洗。用香蕉水擦掉油漆，再清洗几次，使印制板清洁，不留腐蚀液。抹上一层松香溶液待干后钻孔。5.2 调试方法实物元件安装焊接好以后接入电源进行调试。由于此次设计所用元件都是一些低功耗元件，所以调试电源采用9-12v之间的电压。由于焊接时比较细心，所以没有出现错误一次调试成功。调试时发现调试电压越大LED越亮且改变可变电阻R3的大小灯组流动速度也跟着改变，此实验现象与理论相吻合，再次证明了此次设计是相当成功的。6.总结电子电路课程设计是建立在已学的模拟电子技术和数字电子技术课程以后，综合运用这两门课程所学的理论知识，实际的进行一次课题的设计、安装和调试，其目的有一下几个方面：（1） 通过对电子技术的综合运用，使学到的理论知识相互融会贯通，在认识上产生一个飞跃。课程设计是实际的电路装置，它涉及的知识面广，需要综合运用所学的知识，它一般没有固定的答案、