流水灯毕业设计方案报告.doc

CD4017流水灯电路设计

摘要：随着LED技术不断发展以及LED在低功耗、长寿命、环保等方面优势，LED应用领域逐渐增多。同步，许多国家在看到LED巨大市场潜力后，纷纷出台各项勉励办法大力推动LED在各领域中应用。当前，LED应用已经从最初批示灯应用转向更具发展潜力显示屏，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作为发光体代替实验室中价格昂贵钠光灯或白炽灯。并运用555定期器、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计数器构成译码电路，使LED依次循环发光，从而构成循环流水灯。
核心词： CD4017 555定期器 LED

目录

设计任务和规定 3
1.引言 4
2.总体设计方案选取与阐明 5
2.1 方案选取 5
2.2 电路工作原理： 5
3.单元硬件设计阐明 5
3.1 555定期器 6
3.2 自激多谐振荡器 10
3.3 十进制计数／分频器CD4017 11
3.3.1 CD4017内容阐明： 11
3.3.2 CD4017十进制计数器内部电路图： 12
3.3.3 CD4017时序波形图： 13
3.3.4 CD4017引脚图如下： 14
3.3.5 CD4017引脚功能： 14
3.4 发光二极管（LED） 15
3.4.1 LED 特点 ...............................................13
3.4.2 LED光源特点 16
3.5 元件明细表 17
4.软件阐明 18
4.1 Protel99简介 18
4.2 Proteus简介 19
5.安装调试办法 19
5.1 安装办法 19
5.2 调试办法 20
6.总结 20
7.道谢 21
8.参照文献 22
附录一 23
附录二 24
附录三 25
附录四 26

设计任务和规定
设计任务:
以CD4017计数器为基本设计一灯组流动速度和亮度均可调循环流水灯。
规定：
（1） 独立完毕设计任务，通过课程设计，锻炼自己综合运用所学知识能力，并初步掌握电子技术设计办法和环节。
（2） 熟悉电子线路Protel99软件及电子线路仿真Proteus软件用法。
（3） 学会查阅资料和手册，学会选用各种电子元器件。
（4） 掌握安装电子线路基本技能和调试办法。
（5） 设计时尽量使用便宜环保元件。
（6） 设计产品必要是灯组流动速度和亮度均可调。

1.引言
随着电子科学技术奔腾发展以及生活水平提高，娱乐场合越来越多，如酒吧、舞厅、KTV等。咱们在这些地方看到循环彩灯就是最原始循环流水灯演变而来，而这些灯几乎用都是低功耗、长寿命、环保等特性LED。
在新兴应用市场不断浮现带动下，近些年LED市场规模迅速提高。中华人民共和国LED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应用领域已经从最初简朴电器批示灯、LED显示屏发展到LCD背光源、景观照明、室内装饰灯等其她领域。而由于LED具备长寿命、无污染、低功耗特性，将来LED还将逐渐代替荧光灯、白炽灯成为下一代绿色照明光源。为此，美国、韩国、欧盟、中华人民共和国台湾都制定了适合各国国情半导体照明筹划，大力推动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应用。
从数量上看，凭借着国内强大制造能力，批示灯仍旧是LED使用大户，其用量占据LED市场消耗量半壁江山。但由于批示灯多为普通亮度LED，通过近年发展产量很大早已形成买方市场，供过于求市场现状导致价格持续下跌，严重影响了批示灯领域LED市场规模增长。LED批示灯市场规模只保持了一位数增长，但是随着价格进一步滑落，LED批示灯市场规模很难在维持正增长，预测从起，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、机构与电控等整合以及LED照明产品通用原则制定。解决上述问题需要很长一段时间，赛迪顾问预测LED在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合相对于价格敏感度低。同步这些高档场合更注重于彰显品味与尊贵地位，对于新兴产品抱有更大兴趣度。这些都减少了LED照明进入门槛。赛迪顾问预测LED照明将率先进入商用市场，逐渐向民用市场扩展。
2.总体设计方案选取与阐明
2.1 方案选取
依照课程设计规定：用4017芯片设计一流水灯。我总体设计方案如下：
由于4017芯片自身是一十进制计数器（分派器），因此只需在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，也可用简朴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定期器构成多谐振荡器输出周期性矩形波，发光体采用发光二极管（LED）。4017芯片会以输入信号高电平为1低电平为0构成以二进制数再转化成十进制数分派给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构成多谐振荡器和CD4017十进制计数器电路构成。当第一种脉冲到来时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。变化多谐振荡器振荡周期就可以变化灯组流动速度，变化电流大小可变化灯光亮暗限度，因此本次课程设计以4017芯片为前提设计流水灯其速度和亮度都是可调。电路原理图见附页。
3.单元硬件设计阐明
在进行单元硬件设计时，必要对所选器件理解清晰后。下面是对所有选取器件进行简朴阐明和分析：
3.1 555定期器
555定期器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚构造，体积很小，使用起来以便。只要在外部配上几种恰当阻容元件，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。它在波形产生与变换、测量与控制、定期电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛应用。
表3.1 (a)双极性型5G555重要性能参数
参数名称
符号
单位
参数
电源电压
VCC
V
5~16
电源电流
ICC
mA
10
阈值电压
VTH
V
VCC
触发电压
VTR
V
VCC
输出低电平
VOL
V
1
输出高电平
VOH
V
13.3
最大输出电流
IOMAX
mA
≤200
最高振荡频率
fMAX
KHz
≤300
时间误差
△t
nS
≤5
① VTH即Vi1 ,VTR即Vi2 。
(b) CMOS型7555重要性能参数
参数名称
符号
单位
参数
电源电压
VCC
V
3~18
电源电流
ICC
μA
60
阈值电压
VTH
V
VDD
触发电压
VTR
V
VDD
输出低电平
V
V
0.1
输出高电平
V
V
14.8
最大输出电流
IOMAX
mA
≤200
最高振荡频率
fMAX
KHz
≥500
时间误差
△t
nS

集成555定期器有双极性型和CMOS型两种产品。普通双极性型产品型号最后三位数都是555，CMOS型产品型号最后四位数都是7555.它们逻辑功能和外部引线排列完全相似。器件电源电压推荐为4．5～12V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。其重要参数见表3.1。
图3.1 555定期器内部构造
555定期器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定期器逻辑符号和引脚
VCO：控制电压端。

VO：输出端。

Dis：放电端。
：复位端。
555定期器内含一种由三个阻值相似电阻R构成分压网络，产生VCC和VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一种由与非门G1、G2构成基本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电路：在555定期器VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1同相输入端接参照电压VCC，比较器C2反相输入端接参照电压VCC ，为了学习以便，咱们规定：
当TH端电压>VCC时，写为VTH=1，当TH端电压<VCC时，写为VTH=0。
当端电压>VCC时，写为VTR=1，当端电压<VCC时，写为VTR=0。
① 低触发：当输入电压Vi2<VCC 且Vi1<VCC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触发器输入端=0、=1，使Q＝1，＝0，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。这时称555定期器“低触发”；
② 保持：若Vi2>VCC 且Vi1<VCC，则VTR=1，VTH=0，==1，基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定期器“保持”。
③ 高触发：若Vi1>VCC，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定期器“高触发”。
555定期器“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态条件（即VTH、VTR“0”、“1”）必要牢牢掌握。
VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可变化两比较器C1、C2

表3.2 555定期器控制功能表
输 入
输 出
TH

VO
Dis
×
<VCC
<VCC
>VCC
×
<VCC
>VCC
×
L
H
H
H
L
H
不变
L
导通
截止
不变
导通

参照电压。正常工作时，要在VCO和地之间接0．01μF（电容量标记为103）电容。放电管Tl输出端Dis为集电极开路输出。555定期器控制功能阐明见表3.2。
依照555定期器控制功能，可以制成各种不同脉冲信号产生与解决电路电路，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持续脉冲信号。电路采用电阻、电容构成RC定期电路，用于设定脉冲周期和宽度。调节RW或电容C，可得到不同步间常数；还可产生周期和脉宽可变方波输出。
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
电容器C充电电阻是R1+RW+R2 ，放电电阻是R2 。当VC是低电平时，555定期器低触发，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>VCC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<VCC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，输出持续脉冲信号。
3.3 十进制计数／分频器CD4017
3.3.1 CD4017内容阐明：
CD4017 是5 位Johnson 计数器，具备10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输
入端斯密特触发器具备脉冲整形功能，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，提供了迅速操作、2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了
对的计数顺序。译码输出普通为低电平，只有在相应时钟周期内保持高电平。在每10 个
时钟输入周期CO 信号完毕一次进位，并用作多级计数链下级脉动时钟。
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，它内部由计数器及译码器两某些构成，由译码输出实现对脉冲信号分派，整个输出时序就是Q0、Q1、Q2、…、Q9依次浮现与时钟同步高电平，宽度等于时钟周期。
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，别的输出端（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。设立2个时钟输入端，级联时比较以便，可驱动更多二极管发光。 由此可见，当CD4017有持续脉冲输入时，其相应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。设立两个时钟端是为了级联以便。
3.3.3 CD4017时序波形图：

图3.5
3.3.4 CD4017引脚图如下：

图3.6
引出端功能符号阐明：
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3.3
3.3.5 CD4017引脚功能：
CD4017内部是除10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，输入电压范畴为3–15V之外，别的接脚为：
(1)、频率输入脚：CLOCK(Pin14)，为频率信号输入脚。
（2）、数据输出脚：
1）、Q1-Q9(Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，为解码后时进制输出接脚，被计数到值，其输出为Hi，别的为Lo 电位。
2）、CARRY OUT（Pin12），进位脚，当4017计数10个脉冲之后，CARRY OUT将输出一种脉波，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CD4017Q0为”1”，别的Q1-Q9为”0”。
2）、CLOCK ENABLE(Pin13)，时序容许脚，当此脚为低电位，CLOCK输入脉波在正缘时，会使CD4017计数，并变化Q1-Q9输出状态。
3.4 发光二极管（LED）
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED心脏是一种半导体晶片，晶片一端附在一种支架上，一端是负极，另一端连接电源正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两某些构成，一某些是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，在这边重要是电子。但这两种半导体连接起来时候，它们之间就形成一种“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子形式发出能量，这就是LED发光原理。而光波长也就是光颜色，是由形成P-N结材料决定。 3.4.1 LED特点
LED内在特性决定了它是最抱负光源去代替老式光源，它有着广泛用途。
体积小：LED基本上是一块很小晶片被封装在环氧树脂里面，因此它非常小，非常轻。
耗电量低：LED耗电非常低，普通来说LED工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说：它消耗电不超过0.1W。
使用寿命长：在恰当电流和电压下，LED使用寿命可达10万小时。
高亮度、低热量：比HID或白炽灯更少热辐射。
环保：LED是由无毒材料作成，不像荧光灯含水银会导致污染，同步LED也可以回收再运用。红光LED具有大量As（砷），剧毒
结实耐用：LED是被完全封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都结实。灯体内也没有松动某些，这些特点使得LED可以说是不易损坏。
可控性强：可以实现各种颜色变化。
3.4.2 LED光源特点
1.电压： led使用低压电源，供电电压在6-24v之间，依照产品不同而异，因此它是一种比使用高压电源更安全电源，特别合用于公共场合。
2. 效能：消耗能量较同光效白炽灯减少 80%
3. 合用性：很小，每个单元 led小片是3-5mm正方形，因此可以制备成各种形状器件，并且适合于易变环境
4. 稳定性： 10万小时，光衰为初始50%
5. 响应时间：其白炽灯响应时间为毫秒级， led灯响应时间为纳秒级
6. 对环境污染：无有害金属汞
7. 颜色：变化电流可以变色，发光二极管以便地通过化学修饰办法，调节材料能带构造和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色 LED，随着电流增长，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色
8.价格：led价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只led价格就可以与一只白炽灯价格相称，而普通每组信号灯需由上300～500只二极管构成。
参数表 表3.4

3.5 元件明细表
Part Type
Designator
Footprint
2U2/16V
C1

10K
R2

47K
R3

56
R1

100
R4

103
C2

220U/16V
C3

555
U1
DIP-8
4007
D1

4017
U2
DIP-16

表3.5
4.软件阐明
4.1 Protel99简介
Protel99SE是Protel公司近来致力于Windows平台开发最新结晶,能实现从电学概念设计到输出物理生产数据,以及这之间所有分析、验证和设计数据管理。因而今天Protel最新产品已不是单纯PCB（印制电路板）设计工具,而是一种系统工具,覆盖了以PCB为核心整个物理设计。 最新版本Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文献,以便顾客顺利过渡到新EDA平台。

Protel99 SE共分5个模块,分别是原理图设计、PCB设计（包括信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。 如下简介某些Protel99SE某些最新功能：
◆可生成30各种格式电气连接网络表;
◆强大全局编辑功能;
◆在原理图中选取一级器件,PCB中同样器件也将被选中；　
　 ◆同步运营原理图和PCB,在打开原理图和PCB图间容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在设计上一致性；　　
◆满足国际化设计规定（涉及国标标题栏输出,GB4728国标库）；* 以便易用数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）;
◆支持用CUPL语言和原理图设计PLD,生成原则JED下载文献；* PCB可设计32个信号层,16个电源-地层和16个机加工层;
◆强大“规则驱动”设计环境,符合在线和批解决设计规则检查；　
◆智能覆铜功能,覆铀可以自动重铺；　
◆提供大量工业化原则电路板做为设计模版；　
◆放置中文功能；　　
◆可以输入和输出DXF、DWG格式文献,实现和AutoCAD等软件数据互换；　　
◆智能封装导航（对于建立复杂PGA、BGA封装很有用）；　　
◆以便打印预览功能,不用修改PCB文献就可以直接控制打印成果；　　◆独特3D显示可以在制板之前看到装配事物效果；　　
◆强大CAM解决使您轻松实现输出光绘文献、材料清单、钻孔文献、贴片机文献、测试点报告等；　　
◆通过充分验证传播线特性和仿真精准计算算法,信号完整性分析直接从PCB启动；　
◆反射和串扰仿真波形显示成果与便利测量工具相结合。　　
4.2 Proteus简介
Proteus软件已有20近年历史，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，由于顾客可以依照需要随时对原理电路图进行修改，并及时获得仿真成果。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，并且还可以依照设计规定采用不同元器件，或者修改元器件参数以获得不同输出成果，在成功进行虚拟仿真并获得盼望成果条件下，再制作实际硬件进行在线调试，可以获得事半功倍效果。
5.安装调试办法
5.1 安装办法
当前电路板上画好实物电路图，然后将实物一一相应地安装在上面焊接。电路板制作办法如下：
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，并把刻在蜡纸上电路图按电路板尺寸剪下，剪下蜡纸放在所印敷铜板上。取少量油漆与滑石粉调成稀稠适当印料，用毛刷蘸取印料，均匀地涂到蜡纸上，重复几遍，印制板即可印上电路。这种刻板可重复使用，适于小批量制作。 
3. 以氯酸钾1克，浓度15％盐酸40毫升比例配制成腐蚀液，抹在电路板上需腐蚀地方进行腐蚀。
4. 将腐蚀好印制板重复用水清洗。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 调试办法
实物元件安装焊接好后来接入电源进行调试。由于本次设计所用元件都是某些低功耗元件，因此调试电源采用9-12v之间电压。由于焊接时比较细心，因此没有浮现错误一次调试成功。调试时发现调试电压越大LED越亮且变化可变电阻R3大小灯组流动速度也跟着变化，此实验现象与理论相吻合，再次证明了本次设计是相称成功。
6.总结
电子电路课程设计是建立在已学模仿电子技术和数字电子技术课程后来，综合运用这两门课程所学理论知识，实际进行一次课题设计、安装和调试，其目有一下几种方面：
（1） 通过对电子技术综合运用，使学到理论知识互相融会贯通，在结识上产生一种奔腾。课程设计是实际电路装置，它涉及知识面广，需要综合运用所学知识，它普通没有固定答案、需要从实际出发、通过调查研究，查询资料、方案比较及设计、计算等环节，才干得到一种较抱负设计方案，更重要是，它不光是停留在理论设计和书面答案上，而要做出符合设计规定实际电路，因此说，课程设计是一门知识应用、综合、智力开发创新、工程技能训练、理论性和实际性极强课程。
（2） 初步掌握普通电子电路设计办法，得到某些工程设计初步训练，并为后来毕业设计奠定良好基本。
（3） 培养自学能力，独立分析问题、解决问题能力。对设计中遇到问题，通过独立思考、查找工具书、参照文献、谋求对的答案；对实验中遇到某些问题，能通过观测、分析、判断、改正、再实验、再分析等基本办法去解决。
（4） 通过课程设计这一教学环节，树立严肃认真，文明仔细，实事求是科学作用，树立生产观点，经济观点和全局观点。
通过这次课设，锻炼了咱们综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题能力。这次课设在教师指引下以及咱们全组人员共同努力下，顺利地完毕 ，这次课设，虽然只有4周时间，但就在这4周时间里，不但提高了咱们个人动手能力，更培养了咱们团队精神，让咱们在独立思考解决问题同步，又互相配合，以致顺利完毕课程设计。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，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才干提高自己实际动手能力和独立思考能力。
7.道谢
道谢
这次课设可以这样顺利地就完毕，更重要是教师指引。
本课程设计过程中得到了张教师悉心指引。论文行文过程中，张教师多次协助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃时候予以我最大支持和勉励。张教师严谨求实治学态度，踏实坚韧工作精神，将使我终身受益。再多华丽言语也显苍白。在此，谨向张教师致以诚挚谢意和崇高敬意。

8.参照文献
[1].吉雷主编. Protel99 从入门到精通. 西安电子科技大学出版社，.10
[2].康华光主编. 电子技术基本（模仿某些第五版）.高等教诲出版社，1999.6
[3].康华光主编. 电子技术基本（数字某些第五版）.高等教诲出版社，.7
[4].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，.5

附录一
元件清单：

附录二

原理图：

附录三

仿真图：