基于NECD流水彩灯的设计和实现的专业课程设计.doc

课程设计说明书

题 目： 基于 NE555 + CD 4017
流水彩灯设计和实现

摘 要

当今社会是一个新技术层出不穷时代，科技快速发展，在电子领域发展更是快速，同时也在影响着我们生活。伴随人民生活水平提升，流水灯在现实生活中所起作用越来越关键。比如：在人流拥挤繁忙交通路段，闪烁着流水交通灯，提醒着我们要遵纪交通规则，在霓虹闪烁繁荣大街上，闪烁流水灯无不吸引过路人眼球，甚至在部分大型商场大厦自动门上全部装有自动流水灯，告诉大家时间和日期。
流水灯设计要求在预定时间到来时，会产生一个控制信号控制LED灯流向、间歇等，LED灯流向能够伴随电路改变而改变，并含有自控、手控、流向控制功效等。关键参考数字电路中计数器原理。NE555振荡器作用等相关知识在设计过程中需要了解相关芯片（CD4017、NE555）具体功效。

关键词：流水灯；NE555振荡器；CD4017；电子线路

目 录

1 绪论 1
1.1 背景 1
1.2 设计课题任务 1
2 设计方案简述 1
2.1 方案原理 1
2.2 方案总体框图 2
3 单元模块设计 2
3.1 NE555时基电路 2
3.1.1 NE555芯片 3
3.2 译码电路 4
3.2.1 CD4017芯片 4
4 设计总方案 5
4.1 设计关键点 5
4.2 方案总体电路图 6
4.3 元件清单 6
4.4 PCB图 7
5 电路调试 7
5.1 电路板调试 7
5.2 碰到问题及其处理 8
6 设计总结 8
参考文件 9
附录 10

1 绪论

1.1 背景
伴随人类社会进步和科学技术迅猛发展，彩灯已经成为各个大小节日、多种宴会场所必备娱乐用具，它不仅能够发出不一样颜色灯光来点缀场地，还能够调动起现场大家情绪，使宴会气氛上涨。另外还能够搭配任何摆设，配以缤纷颜色围成多种形状，来进行装饰。流水彩灯工作原理和彩灯大致相同它拆装方便，易于收藏，安全环境保护，消耗低，含有较大开发潜力；结构简单，所用原理也较简单，有较大市场需求量，若批量生产，可获较大利益，含有很好商业潜力。
1.2 设计课题任务
设计一个基于NE555+CD4017流水彩灯控制电路，要求电路开启后，多种颜色灯在时钟信号作用下按以下规律转换状态。电路开启后，要求多种颜色灯在脉冲作用下次序，循环点亮。改变脉冲频率时，多种颜色灯转换速度对应发生改变。

2 设计方案简述

2.1 方案原理
该十路流水灯控制器可控制10个灯轮番循环流水发光，流水速度能够调整。NE555时基电路组成振荡电路，电源VCC经过电阻R2、RP1向电容C1充电，当充电到一定程度后，2、6脚电压升高，当2、6脚电压升高到2/3VCC后，3脚输出为低电平，7脚对地呈低阻态，电容C1经过电位器和7脚对地放电，当放电至使2、6脚电压低于1/3VCC时，3脚输出为高电平，7脚对地呈高阻态，VCC经过RP1又开始对电容C1充电，周而复始。经过调整RP1阻值，能够改变电容充放电时间常数,从而改变3脚输出脉冲频率。从3脚输出振荡脉冲作为CD4017工作时钟脉冲，在时钟脉冲作用下，CD4017十进制计数器开始计数，从10个输出端依次输出高电平，不停循环。10只发光二极管被依次点亮。整个电路能够采取3-12V直流供电。

2.2 方案总体框图

图1
3 单元模块设计
3.1 NE555时基电路
NE555时基电路组成多谐振荡电路，电源VCC经过电阻R2、RP1向电容C1充电，当充电到一定程度后，2、6脚电压升高，当2、6脚电压升高到2/3VCC后，3脚输出为低电平，7脚对地呈低阻态，电容C1经过电位器和7脚对地放电，当放电至使2、6脚电压低于1/3VCC时，3脚输出为高电平，7脚对地呈高阻态，VCC经过RP1又开始对电容C1充电，周而复始。经过调整RP1阻值，能够改变电容充放电时间常数从而改变3脚输出脉冲频率。

图2 图3

3.1.1 NE555芯片

图4 图5

NE555 引脚功效介绍:
1脚：公共地端为负极。
2脚：低触发端TRIG,低于1/3电源电压时即导通。
3脚：输出端OUT，电流可达200mA。
4脚：强制复位端RESET,不用时可和电源正极相连或悬空。
5脚：用来调整比较器基准电路，简称控制端CONT，不用时可悬空，或经过0.01uF电容器接地
6脚：高触发端THRES，也称阈值端，高于2/3电源电压时即截止。
7脚：发电端DISCH。
8脚：电源正极VDD。
应用十分广泛，可装以下多个电路：1.单稳类电路 作用：定延时，消抖动，分频，脉冲输出等；2.双稳类电路 作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等：3.无稳类电路 作用：方波输出，电源变换，音响报警，玩具等。

3.2 译码电路
译码电路由一块CD4017芯片组成。Q0～Q9这10个输出端输出状态分别和输入时钟个数相对应。如从0开始计数，则输入到第1个时钟脉冲时，Q1就变成高电平，输入第2个时钟脉冲时，Q2变成高电平……直到输入第10个时钟脉冲，Q0变为高电平。同时，进位端C0就输出一个进位脉冲，作为下一级计数时钟信号。Cr为复位端，也为清零端。当Cr输入高电平时，电路复位，即输出端Q0为高电平，Q1～Q9为低电平。如此反复，只要NE555芯片3脚送来二进制信号不消失，CD4017芯片将二进制信号转换为十进制信号计码工作就会反复进行下去。
3. 2. 1 CD4017芯片
CD4017 是5 位Johnson 计数器，含有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输入端斯密特触发器含有脉冲整形功效，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，计数功效无效。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，确保了正确计数次序。译码输出通常为低电平，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，并用作多级计数链下级脉动时钟。CD4017管脚排列和功效表分别以下图所表示：

图6 图7

CD4017时序工作图：

图8

4 设计总方案

4.1 设计关键点
因为循环彩灯对频率要求不高，只要能产生高低电平就能够了，且脉冲信号频率可调，所以采取555定时器组成振荡器其输出脉冲作为下一级时钟信号。计数器是用来累计和寄存输入脉冲个数时序逻辑部件。在此电路中采取十进制计数分频器4017它是一个用途很广泛电路。其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分配，整个输出时序就是O0O2….O9依次出现和时钟同时高电平，宽度等于时钟周期。显示电路关键由发光二极管组成，当4017输出依次输出高电平时，驱动发光二极管也依次点亮，产生一个流动改变效果。

4.2 方案总体电路图

图9

4.3 元件清单

图10

4.4 PCB图

图11

5 电路调试
5.1 电路板调试
1） 检验电路设计原理图即导线链接，并确定导线链接和电路原理图一致。
2) 检验导线链接，并检验导线是否断路，依据电路原理图，用数字万用表打到适宜档位，测试各导线对应按点是否导通。
3) 检验试验仪器和器材是否完好，电源5V直流电压输出正常。发光二极管全部能够正常发光，电阻和电容全部正常，电位器能够正常调整。芯片CD4017和定位器NE555工作正常。当接通电源，流水灯能够正常顺畅流动。

5.2 碰到问题及其处理
1）流水灯只有部分闪烁，有一个灯不亮。检验电路板发觉有虚焊，将虚焊地方焊接好
检验以后重新测试。
2）流水灯没有正常流动，调整滑动变阻器发觉流水灯没有依次循环现象。经过观察发觉时变阻器阻值不够大，后换了一个阻值较大滑动变阻器。
3）只有一个灯光被点亮且不闪烁，检验发觉和NE555相连电解电容反接，调换引脚。

6 设计总结

经过此次课程设计学习，收获匪浅，使我知道了理论和实际相结合是很关键，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识和实践相结合起来，从而提升自己实际动手能力和独立思索能力。首先，经过学习使自己对书本上知识能够应用于实际，使理论和实际相结合，加深自己对书本知识愈加好了解，同时实习也段练了我个人动手能力，能够充足利用图书馆去查阅资料，增加了很多书本以外知识。能对Altium designer软件实际操作，达成学以致用。再者，经过对实现功效要求，对各元器件引脚功效、真值表分析、并设计其原理图，还有画原理图PCB图也是对实际动手能力一大考验，因为之前还没学到EDA这门课试验知识，所以只能自己去查阅资料和下载软件一步一步弄懂来，在这过程中收获很大。
在设计过程中碰到很多问题，这毕竟第一次做，难免会碰到过多种多样问题，同时在设计过程中发觉了自己不足之处，对以前所学过知识了解得不够深刻，掌握得不够牢靠。这次课程设计同时表明，任何实践活动，全部不可能闭门造车，是必需去吸收前人实践经验，这就要求在课程设计过程中，从网络上，从图书馆，借寻相关资料书籍等，有力地指导课程设计。经过这次课程设计，我拓宽了知识面，锻
炼了能力，综合素质得到较大提升。在此过程中，感谢老师了解和帮助，再次十分感谢老师！

参考文件
[1] 阎石. 数字电子技术基础-5版[M]. 高等教育出版社,
[2] 谢自美. 电子线路设计-试验-测试[M]. 华中科技大学出版社,
[3] 高有堂. EDA技术及应用实践 .清华大学出版社,
[4] 穆秀春，訾鸿. 轻松实现从Protel到Altium Designer. 电子工业出版社,
[5] 肖利民. CD4017原理和应用. 电子制作，
[6] 杨欣、王玉凤.电子技术从零开始.清华大学出版社，
[7] 童诗白.模拟电子技术基础-4版[M].高等教育出版社，