流水灯设计报告

1、目目 录录前前 言言.2工程概况工程概况.31. lsd-10 流水灯的设计方案及框图流水灯的设计方案及框图.31.1.基本要求设计方案.31.2.设计框图.32. lsd-10 流水灯电路的设计流水灯电路的设计.42.1.lsd-10 流水灯电路的设计原理:.42.2.主要芯片介绍：.52.2.1.ne555 时钟信号：.52.2.2.cd4017 十进制计时器：.72.2.3 光源电路.92.3.电路原理图:.92.3.1. 如下图图 6 所示的电路原理图： .92.3.2.元器件清单如下图 7:.113. 电路板的调试与可能问题的预设处理电路板的调试与可能问题的预设处理.123.1 电路

2、板的调试.123.2 可能问题的预设处理.123.3 功能扩展.134.4.课程设计小结课程设计小结.13致致 谢谢.13参考文献参考文献.14 塔里木大学信息工程学院课程设计共 15 页第 2 页前前 言言当今的社会是一个新技术层出不穷的时代，科技迅速发展，在电子领域的发展更是迅速，同时也在影响着我们的生活。随着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。例如：在人流拥挤繁忙的交通路段，闪烁着的流水交通灯，提醒着我们要遵纪交通规则，在霓虹闪烁的繁华大街上，闪烁的流水灯无不吸引过路人的眼球，甚至在一些大型商场大厦的自动门上都装有自动流水灯，告诉人们的时间和日期。通常的流水灯是应

3、用单片机设计的，而单片机的设计成本较高，对编程的要求也比较高，由于我们学习了数字电路，所以采用了小型集成电路设计流水灯。摘要：摘要：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 led 灯的流向、间歇等，led 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 振荡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。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

4、电路由振荡电路、译码电路和光源电路组成，电路的组成包括 2 个电容、3 个电阻器和 1 个 cd4017 计时器及 1 个 ne555 定时器等元器件构成。 塔里木大学信息工程学院课程设计共 15 页第 3 页工程概况工程概况我们本次的数字电路课程设计选题为：lsd-10 流水灯设计，我们设计的这个流水灯主要采用 ne555 多谐振荡器和 cd4017 计数器为核心的时钟发生器电路和十进制计数器电路构成，并且使用滑动变阻器来调节 led 灯的流动速度。我们小组成员分别由：齐婷、张森荣、曹海朋。任务分工：齐婷主要负责论文的撰写，张森荣主要是焊接电路板，曹海朋主要负责收集材料，分析电路图。课程设计

5、时间：2012 年 6 月 26 日星期二至 2012 年 6 月 29 日星期五，历时一周。课程设计地点：逸夫楼 303 机房。指导老师：孟洪兵1. lsd-10 流水灯的设计方案及框图流水灯的设计方案及框图1.1.1.1.基本要求设计方案基本要求设计方案1) 设计一个流水灯控制电路。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灯的流向、间歇等。2) 通过利用中规模集成电路中计数器、振荡器来实现流水灯的控制。1.2.1.2.设计框图设计框图基本原理设计框图如下图图 1 所示:时钟信号十进制计数器/分频器光源电路 塔里木大学信息工程学院课程设计共 15 页第 4 页

6、图 1 基本原理图2. lsd-10 流水灯电路的设计流水灯电路的设计2.1.lsd-102.1.lsd-10 流水灯电路的设计原理流水灯电路的设计原理: :本套件主要由时钟发生电路和十进制计数器电路构成。由 ne555 为核心的自激多谐振荡器,电源通过 r2,r1,vr1 向电容 c2 充电,当 c2 刚开始充电时,u1 的 2 脚还处于低电平,故输出端 3脚呈高电平,当电源经 r2,r1,vr1 向 c2 充电到 2/3 电源电压时,输出端 3 脚电平由高变低,u1 内部放电管导通,电容 c2 经 vr1,r1,u1 的7 脚放电,直到 c2 两端的电压低于 1/3 电源电压时,u1 的

7、3 脚电平又由低电平变为高电平.c1 又再次充电,如此循环形成了振荡。充电时间为：0.695(r2+r1+vr1)c2,放电时间为：0.695(vr1+r1)c2,调节vr1 可以控制振荡器的输出频率，u1 的时钟振荡信号不断的加在u2 的 14 脚，在 u2 的 10 个输出端上接有 10 只 led,当 u2 的 10 个输出端在时钟信号作用下轮流产生高电平，则 d1-d10 依次被点亮，从而形成流水灯效果。调节 vr1 即可调节 led 灯的流动速度。若想得到为 1 秒的闪烁频率，根据公式 vr1=(1/0.7/c1)-(r1+2r2)由于这次课程设计所用的元件中，r1=47k,r2=2

8、.2k,vr1max=47.7kohm,vr1min=0 ohm所以本次课程设计的 555 可能的脉冲频率在 0.067s0.134s 之间，流水灯的闪烁频率在 0.67s1.34s 之间。 塔里木大学信息工程学院课程设计共 15 页第 5 页2.2.2.2.主要芯片介绍：主要芯片介绍：2.2.1.ne555 时钟信号：ne555 大约在 1971由 signetics corporation 发布，在当时是唯一非常快速且商业化的 timer ic，在往后的 30来非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电，尽管近cmos 技术版本的timer ic 如 motorola 的 mc1455 已被大的

9、使用，但原规格的ne555 依然正常的在市场上供应，尽管新版 ic 在功能上有部份的改善，但其脚位功能并没变化，所以到目前可直接的代用。图 2 ne555ne555 是属于 555 系列的计时 ic 的其中的一种型号， 555 系列 ic 的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555 是一个用途很广且相当普遍的计时 ic，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率 的脉波讯号。 a. ne555 的特点有： 1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 塔里木大学信

10、息工程学院课程设计共 15 页第 6 页2.它的操作电源范围极大，可与 ttl，cmos 等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 b. ne555 引脚位配置说明 如图 3 所示： 图 3 ne555 脚接图pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 pin 2 (触发点) -这个脚位是触发 ne555 使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于 2/3 vcc，下缘须低于 1/3 vcc 。 pin 3 (输出

11、) -当时间周期开始 555 的输出输出脚位，移至比电源电压少 1.7 伏的高电位。周期的结束输出回到 o 伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 ma 。 pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置 定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 塔里木大学信息工程学院课程设计共 15 页第 7 页pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下 ,这输入能用来改变或调整输出频率。 pin 6 (重置锁定) - pin 6 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从 1/3 vcc 电压以下移至

12、2/3 vcc 以上时启动这个动作。 pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为 on 时为 low，对地为低阻抗，当输出为 off时为 high，对地为高阻抗。 pin 8 (v +) -这是 555 个计时器 ic 的正电源电压端。供应电压的范围是 +4.5 伏特(最小值)至+16 伏特(最大值)。 参数功能特性： 供应电压 4.5-18v 供应电3-6 ma 输出电225ma (max) 上升/下时间 100 ns .ne555 的相关应用: ne555 的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器及无稳态多谐振荡器 。2.2.2.cd4017 十进

13、制计时器：cd4017 是5 位johnson 计算器，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，计算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， 塔里木大学信息工程学院课程设计共 15 页第 8 页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。如下图4、5 cd4017 的引

14、脚图： 图4 cd4017 引脚图 图5 图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vdd 及vss 为电源接脚，输入电压范围为315v之外，其余接脚为：a、频率输入脚：clock(pin14)，为频率信号的输入脚。b、数据输出脚：a、q1-q9(pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，为时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为高电平，其余为低电平电位。b、carry out（pin12），进位脚，当4017 计数10 个脉冲之后， 塔里木大学信息工程学院课程设计共 15 页第 9 页carryo

15、ut 将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。d、控制脚：a、clear(pin15)：清除脚或称复位(reset)脚，当此脚为高电平时，会使cd4017 的q0 为”1”，其余q1-q9 为”0”。b、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。2.2.32.2.3 光源电路光源电路 通过焊接组装元件成功后，接通电源，led 灯开始依次闪烁，这时我们可以通过调节可变电阻器来控制 led 灯的闪烁频率。2.3.2.3.电路原理图电路原理图: :2.3.1. 如下图图 6 所示的

16、电路原理图：123456abcd654321dcbatitlen um berrevisionsizebd ate:21-m ar-2012sheet of file:f:【.d dbd raw n by:72615384u 1n e555r22.2kr147kc21ufc110412345678910111413121516u 2cd4017v r150kr3r4r5r6r7r8r9r10r11r12d 1d 2d 3d 4d 5d 6d 7d 8d 9d 10bt13-4.5v 图 6 电路原理图我们小组对 lsd-10 流水灯设计的分析是：此次课程设计中我们主要用的元器件是 ne555

17、自激多谐振荡器（u1）、cd4017 计数器 塔里木大学信息工程学院课程设计共 15 页第 10 页（u2）、电阻为 1.2k 十个（r3-r12）、电阻 2.2k 一个（r2），以及电阻为 47k 一个（r1），可调变阻器一个，led 灯 10 个（d1-d10），电容 104p（c1）和电容 1uf/50v（c2 相当于一个定时开关）。其中以 ne555 和 cd4017 为核心。ne555 有 8 个引脚其中他们的功能为：p1 为接地引脚，在这次设计电路中我们连接到电路共同接地的地方。p2 是触发点，这个脚位是触发 ne555 使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 vcc，

18、下缘须低于 1/3 vcc 。p3 为输出脚位，与 cd4017 的 p14引脚相连接，cd4017 的 p14 引脚的功能为时钟输入端，p4 为重置端 ，一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它接到正电源与 p8 相连接。 p5 为控制端，这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。设计中我们把计时器稳定或振荡的运作方式下,用它来调整输出频率，也就是发光二级管闪烁的频率。p6 为重置锁定，p6 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 vcc 电压以下移至 2/3 vcc 以上时启动这个动作。 p7 为放电端，这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力， p

19、8 是计时器ic 的正电源电压端，我们所使用的电压是 3-4.5v。 cd4017 计数器总共有 16 个引脚，其中它有 10 个引脚是输出端，在设计中一次将 r3-r12 分别与引脚p3、p2、p4、p7、p10、p1、p5、p6、p9、p11 相连接，p8 为电源负极(vcc)，p16 为电源正极（vdd），p12 为级联进位输出端，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，p13 为时钟 塔里木大学信息工程学院课程设计共 15 页第 11 页输入端，脉冲输入端，脉冲下降沿有效，p15 为清零输入端，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“

20、0”，在译码器中，只有对应“0”状态的输出端 3 脚为高电平。当电源通过 r2,r1,vr1 向电容 c2 充电时,ne555 的 p2 引脚处于低电平,故输出端 p3 引脚呈高电平,当电源经 r2,r1,vr1 向 c2 充电达到 2/3 电源电压时,输出端 3 脚电平由高变低,ne555 内部放电管导通,电容 c2 经 vr1,r1,u1 的 p7 脚放电,直到 c2 两端的电压低于 1/3电源电压时,ne555 的 p3 脚电平又由低电平变为高电平.c1 又再次充电,如此循环形成了振荡。充电时间为：0.695(r2+r1+vr1)c2,放电时间为：0.695(vr1+r1)c2,调节可调

21、变阻器（r1）可以控制振荡器的输出频率，ne555 的时钟振荡信号不断的加在 cd4017 的 p14引脚上，在 cd4017 的 10 个输出端上接有 10 只 led,如果 10 个输出端在时钟信号作用下轮流产生高电平，则 d1-d10 依次被点亮，从而形成流水灯效果。调节变阻器就可以调节 led 灯的流动速度。2.3.2.元器件清单如下图 7:序号名称型号/规格编号序号名称型号/规格编号01电阻1.2kr3-r1209ic 座8pinu1022.2kr21016pinu20347kr111电位器50k 卧式vr104电容104pc112接线端xh2.54 2p 卧式j1051uf/50v

22、c213pcb板88*25mm fr-41 塔里木大学信息工程学院课程设计共 15 页第 12 页06集成电路ne555u114电源线xh2.54 2p 单头107cd4017u215说明书a4108ledf5 红发红d1-d1016图 7 元件清单3. 电路板的调试与可能问题的预设处理电路板的调试与可能问题的预设处理3.13.1 电路板的调试电路板的调试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

23、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。3.23.2 可能问题的预设处理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 塔里木大学信息工程学院课程设计共 15 页第 13 页是否反接或毁坏，反接则调换引脚，毁坏则更换电容；若不是电容