4017流水燈畢業(yè)設計報告

.PAGE.CD4017流水燈電路設計摘要：隨著LED技術的不斷發(fā)展以及LED在低功耗、長壽命、環(huán)保等方面的優(yōu)勢,LED應用領域逐漸增多。同時,許多國家在看到LED巨大的市場潛力后,紛紛出臺各項鼓勵措施大力推動LED在各領域中的應用。目前,LED的應用已經從最初的指示燈應用轉向更具發(fā)展?jié)摿Φ娘@示屏,景觀照明、背光源、汽車車燈、交通燈、照明等領域,LED應用正呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展趨勢。本次畢業(yè)設計就是用小功率LED作為發(fā)光體替代實驗室中價格昂貴的鈉光燈或白熾燈。并利用555定時器、可變電阻普通電阻、電解電容以及普通電容構成可調驅動電路,驅動CD4017計數(shù)器構成的譯碼電路,使LED依次循環(huán)發(fā)光,從而組成循環(huán)流水燈。關鍵詞：CD4017555定時器LED目錄設計任務和要求31.引言42.總體設計方案選擇與說明52.1方案選擇52.2電路工作原理：53.單元硬件設計說明53.1555定時器63.2自激多諧振蕩器103.3十進制計數(shù)／分頻器CD4017113.3.1CD4017內容說明：113.3.2CD4017十進制計數(shù)器內部電路圖：123.3.3CD4017時序波形圖：133.3.4CD4017引腳圖如下：143.3.5CD4017引腳功能：143.4發(fā)光二極管〔LED153.4.1LED特點133.4.2LED光源的特點163.5元件明細表174.軟件說明184.1Protel99簡介184.2Proteus簡介195.安裝調試方法195.1安裝方法195.2調試方法206.總結207.致謝218.參考文獻22附錄一23附錄二24附錄三25附錄四26設計任務和要求設計任務:以CD4017計數(shù)器為基礎設計一燈組流動速度和亮度均可調的循環(huán)流水燈。要求：獨立完成設計任務,通過課程設計,鍛煉自己綜合運用所學知識的能力,并初步掌握電子技術設計的方法和步驟。熟悉電子線路Protel99軟件及電子線路仿真Proteus軟件的使用方法。學會查閱資料和手冊,學會選用各種電子元器件。掌握安裝電子線路的基本技能和調試方法。設計時盡量使用廉價環(huán)保元件。設計產品必須是燈組流動速度和亮度均可調的。1.引言隨著電子科學技術的飛躍發(fā)展以及生活水平的提高,娛樂場所越來越多,如酒吧、舞廳、KTV等。我們在這些地方看到的循環(huán)彩燈就是最原始的循環(huán)流水燈演變而來的,而這些燈幾乎用的都是低功耗、長壽命、環(huán)保等特征的LED。在新興應用市場不斷出現(xiàn)的帶動下,近些年LED市場規(guī)?？焖偬嵘?0XX中國LED的產量已經達到262.1億只,市場規(guī)模更是突破百億元大關達到114.9億元。

LED的應用領域已經從最初簡單的電器指示燈、LED顯示屏發(fā)展到LCD背光源、景觀照明、室內裝飾燈等其他領域。而由于LED具有的長壽命、無污染、低功耗的特性,未來LED還將逐步替代熒光燈、白熾燈成為下一代綠色照明光源。為此,美國、韓國、歐盟、中國XX都制定了適合各國國情的半導體照明計劃,大力推進LED燈進入普通照明燈具市場。室內照明將是LED最具市場規(guī)模和發(fā)展?jié)摿Φ膽?。從?shù)量上看,憑借著國內強大的制造能力,指示燈依舊是LED的使用大戶,其用量占據(jù)LED市場消耗量的半壁江山。但由于指示燈多為普通亮度LED,經過多年的發(fā)展產量很大早已形成買方市場,供過于求的市場現(xiàn)狀導致價格持續(xù)下跌,嚴重影響了指示燈領域的LED市場規(guī)模增長。LED指示燈市場規(guī)模只保持了一位數(shù)增長,但是隨著價格的進一步滑落,LED指示燈市場規(guī)模很難在維持正增長,預計從20XX起,該市場將呈現(xiàn)出負增長。對于進入通用照明市場而言,功率白光LED除面臨著諸如發(fā)光效率低、散熱不好、成本過高等問題外,還將面臨到光學、機構與電控等的整合以及LED照明產品通用標準的制定。解決上述問題需要很長的一段時間,賽迪顧問預計LED在20XX前還不能進入通用照明市場。由于酒店、商務會館、高檔商用寫字樓等商用場所相對于價格的敏感度低。同時這些高檔場所更注重于彰顯品味與尊貴的地位,對于新興產品抱有更大的興趣度。這些都降低了LED照明進入的門檻。賽迪顧問預計LED照明將率先進入商用市場,逐步向民用市場擴展。2.總體設計方案選擇與說明2.1方案選擇根據(jù)課程設計的要求：用4017芯片設計一流水燈。我的總體設計方案如下：由于4017芯片本身是一十進制計數(shù)器〔分配器,所以只需在CLK端口〔15腳接入一時鐘信號且Q0至Q9端〔1至7腳和9、10、11腳接十只發(fā)光體就可得到一組流水燈。其時鐘信號可用時鐘信號發(fā)生器產生,也可用簡單的芯片和元件組合成一多諧振蕩電路產生,發(fā)光體可用鈉光燈、白熾燈、發(fā)光二極管等。但從功耗高低、壽命長短、價格、環(huán)保等方面考慮,其時鐘信號我采用由555定時器組成的多諧振蕩器輸出的周期性矩形波,發(fā)光體采用發(fā)光二極管〔LED。4017芯片會以輸入信號的高電平為1低電平為0組成以二進制數(shù)再轉化成十進制數(shù)分配給Q0至Q9端,從而使各發(fā)光二極管依次發(fā)光,若輸入信號不間斷,發(fā)光二極管循環(huán)發(fā)光。2.2電路工作原理：流水燈由555組成的多諧振蕩器和CD4017十進制計數(shù)器電路組成。當?shù)谝粋€脈沖到來時Q0輸出高電平,LED1亮,第二個脈沖到來時,Q1輸出高電平,LED2亮,…,直到Q9輸出高電平,LED10亮,接著進行下一輪輸出。改變多諧振蕩器的振蕩周期就可以改變燈組的流動速度,改變電流的大小可改變燈光的亮暗程度,所以本次課程設計以4017芯片為前提設計的流水燈其速度和亮度都是可調的。電路原理圖見附頁。3.單元硬件設計說明在進行單元硬件設計時,必須對所選的器件了解清楚后。下面是對所有選擇的器件進行簡單的說明和分析：3.1555定時器555定時器是一種中規(guī)模集成電路,外形為雙列直插8腳結構,體積很小,使用起來方便。只要在外部配上幾個適當?shù)淖枞菰?就可以構成史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及自激多諧振蕩器等脈沖信號產生與變換電路。它在波形的產生與變換、測量與控制、定時電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應用。表3.1<a>雙極性型5G555的主要性能參數(shù)參數(shù)名稱表3.1<a>雙極性型5G555的主要性能參數(shù)參數(shù)名稱符號單位參數(shù)電源電壓VCCV5~16電源電流ICCmA10閾值電壓VTHVVCC觸發(fā)電壓VTRVVCC輸出低電平VOLV1輸出高電平VOHV13.3最大輸出電流IOMAXmA≤200最高振蕩頻率fMAXKHz≤300時間誤差△tnS≤5VTH即Vi1,VTR即Vi2。<b>CMOS型7555的主要性能參數(shù)參數(shù)名稱符號單位參數(shù)電源電壓VCCV3~18電源電流ICCμA60閾值電壓VTHVVDD觸發(fā)電壓VTRVVDD輸出低電平VV0.1輸出高電平VV14.8最大輸出電流IOMAXmA≤200最高振蕩頻率fMAXKHz≥500時間誤差△tnS圖3.1555定時器內部結構555定時器的內部電路框圖及邏輯符號和管腳排列分別如圖3.1和圖3.2。圖3.1555定時器內部結構引腳功能：Vi1〔TH：高電平觸發(fā)端,簡稱高觸發(fā)端,又稱閾值端,標志為TH。Vi2〔：低電平觸發(fā)端,簡稱低觸發(fā)端,標志為。圖3.2555定時器邏輯符號和引腳VCO：控制電壓端。圖3.2555定時器邏輯符號和引腳VO：輸出端。Dis：放電端。：復位端。555定時器內含一個由三個阻值相同的電阻R組成的分壓網絡,產生VCC和VCC兩個基準電壓；兩個電壓比較器C1、C2；一個由與非門G1、G2組成的基本RS觸發(fā)器〔低電平觸發(fā)；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。是復位端,低電平有效。復位后,基本RS觸發(fā)器的端為1〔高電平,經反相緩沖器后,輸出為0〔低電平。分析圖8.1的電路：在555定時器的VCC端和地之間加上電壓,并讓VCO懸空,則比較器C1的同相輸入端接參考電壓VCC,比較器C2反相輸入端接參考電壓VCC,為了學習方便,我們規(guī)定：當TH端的電壓>VCC時,寫為VTH=1,當TH端的電壓<VCC時,寫為VTH=0。當端的電壓>VCC時,寫為VTR=1,當端的電壓<VCC時,寫為VTR=0。低觸發(fā)：當輸入電壓Vi2<VCC且Vi1<VCC時,VTR=0,VTH=0,比較器C2輸出為低電平,C1輸出為高電平,基本RS觸發(fā)器的輸入端=0、=1,使Q＝1,＝0,經輸出反相緩沖器后,VO＝1,T截止。這時稱555定時器"低觸發(fā)"；保持：若Vi2>VCC且Vi1<VCC,則VTR=1,VTH=0,==1,基本RS觸發(fā)器保持,VO和T狀態(tài)不變,這時稱555定時器"保持"。高觸發(fā)：若Vi1>VCC,則VTH=1,比較器C1輸出為低電平,無論C2輸出何種電平,基本RS觸發(fā)器因=0,使＝1,經輸出反相緩沖器后,VO＝0；T導通。這時稱555定時器"高觸發(fā)"。555定時器的"低觸發(fā)"、"高觸發(fā)"和"保持"三種基本狀態(tài)和進入狀態(tài)的條件〔即VTH、VTR的"0"、"1"必須牢牢掌握。VCO為控制電壓端,在VCO端加入電壓,可改變兩比較器C1、C2的表3.2555定時器控制功能表表3.2555定時器控制功能表輸入輸出THVODis×<VCC<VCC>VCC×<VCC>VCC×LHHHLH不變L導通截止不變導通參考電壓。正常工作時,要在VCO和地之間接0．01μF〔電容量標記為103電容。放電管Tl的輸出端Dis為集電極開路輸出。555定時器的控制功能說明見表3.2。根據(jù)555定時器的控制功能,可以制成各種不同的脈沖信號產生與處理電路電路,例如,史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、自激多諧振蕩器等。圖3.3自激多諧振蕩器電路和波形圖3.2自激多諧振蕩器圖3.3自激多諧振蕩器電路和波形圖圖3.3所示為自激多諧振蕩器電路和波形圖。自激多諧振蕩器用于產生連續(xù)的脈沖信號。電路采用電阻、電容組成RC定時電路,用于設定脈沖的周期和寬度。調節(jié)RW或電容C,可得到不同的時間常數(shù)；還可產生周期和脈寬可變的方波輸出。脈沖寬度計算公式：Tw≈0.7<R1+RW+R2>C振蕩周期計算公式：T≈0.7<R1+RW+2R2>C電容器C的充電電阻是R1+RW+R2,放電電阻是R2。當VC是低電平時,555定時器低觸發(fā),VO為高電平,放電管T截止,電容器經〔R1+RW+R2充電,當充電至VC=VTH>VCC時,電路高觸發(fā),輸出VO變?yōu)榈碗娖?放電管T導通,電容器經R2放電,當放電至VC=VTR<VCC時,電路又進入低觸發(fā),VO變?yōu)楦唠娖?如此周而復始,循環(huán)不止,輸出連續(xù)脈沖信號。3.3十進制計數(shù)／分頻器CD40173.3.1CD4017內容說明：CD4017是5位Johnson計數(shù)器,具有10個譯碼輸出端,CP、CR、INH輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能,對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制。INH為低電平時,計數(shù)器在時鐘上升沿計數(shù)；反之,計數(shù)功能無效。CR為高電平時,計數(shù)器清零。Johnson計數(shù)器,提供了快速操作、2輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。防鎖選通,保證了正確的計數(shù)順序。譯碼輸出一般為低電平,只有在對應時鐘周期內保持高電平。在每10個時鐘輸入周期CO信號完成一次進位,并用作多級計數(shù)鏈的下級脈動時鐘。CD4017提供了16引線多層陶瓷雙列直插<D>、熔封陶瓷雙列直插<J>、塑料雙列直插<P>和陶瓷片狀載體<C>4種封裝形式。3.3.2CD4017十進制計數(shù)器內部電路圖：圖3.4數(shù)字電路CD4017是十進制計數(shù)／分頻器,它的內部由計數(shù)器及譯碼器兩部分組成,由譯碼輸出實現(xiàn)對脈沖信號的分配,整個輸出時序就是Q0、Q1、Q2、…、Q9依次出現(xiàn)與時鐘同步的高電平,寬度等于時鐘周期。CD4017有10個輸出端〔Q0～Q9和1個進位輸出端～Q5-9。每輸入10個計數(shù)脈沖,～Q5-9就可得到1個進位正脈沖,該進位輸出信號可作為下一級的時鐘信號。CD4017有3個輸〔MR、CP0和~CP1,MR為清零端,當在MR端上加高電平或正脈沖時其輸出Q0為高電平,其余輸出端〔Q1～Q9均為低電平。CP0和～CPl是2個時鐘輸入端,若要用上升沿來計數(shù),則信號由CP0端輸入；若要用下降沿來計數(shù),則信號由～CPl端輸入。設置2個時鐘輸入端,級聯(lián)時比較方便,可驅動更多二極管發(fā)光。由此可見,當CD4017有連續(xù)脈沖輸入時,其對應的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài),故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。CD4017有兩個時鐘端CP和EN,若用時鐘脈沖的上沿計數(shù),則信號從CP端輸入；若用下降沿計數(shù),則信號從EN端輸入。設置兩個時鐘端是為了級聯(lián)方便。3.3.3CD4017時序波形圖：圖3.53.3.4CD4017引腳圖如下：圖3.6引出端功能符號說明：TC：進位脈沖輸淵CP：時鐘輸入端MR：清除端CE：禁止端Q0-Q9計數(shù)脈沖輸出端VCC：正電源GND：地表3.33.3.5CD4017引腳功能：

CD4017內部是除10的計數(shù)器及二進制對10進制譯碼電路。CD4017有16支腳,除電源腳VCC及GND為電源接腳,輸入電壓范圍為3–15V之外,其余接腳為：

<1>、頻率輸入腳：CLOCK<Pin14>,為頻率信號的輸入腳。

〔2、數(shù)據(jù)輸出腳：

1、Q1-Q9<Pin3,2,4,7,10,1,5,6,9,11>,為解碼后的時進制輸出接腳,被計數(shù)到的值,其輸出為Hi,其余為Lo電位。2、CARRYOUT〔Pin12,進位腳,當4017計數(shù)10個脈沖之后,CARRYOUT將輸出一個脈波,代表產生進位,共串級計數(shù)器使用。表3.3〔3、控制腳：

1>、CLEAR<Pin15>：清除腳或稱復位<Reset>腳,當此腳為Hi時,會使CD4017的Q0為"1",其余Q1-Q9為"0"。

2、CLOCKENABLE<Pin13>,時序允許腳,當此腳為低電位,CLOCK輸入脈波在正緣時,會使CD4017計數(shù),并改變Q1-Q9的輸出狀態(tài)。3.4發(fā)光二極管〔LEDLED〔LightEmittingDiode,發(fā)光二極管,是一種固態(tài)的半導體器件,它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片,晶片的一端附在一個支架上,一端是負極,另一端連接電源的正極,使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成,一部分是P型半導體,在它里面空穴占主導地位,另一端是N型半導體,在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候,它們之間就形成一個"P-N結"。當電流通過導線作用于這個晶片的時候,電子就會被推向P區(qū),在P區(qū)里電子跟空穴復合,然后就會以光子的形式發(fā)出能量,這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色,是由形成P-N結的材料決定的。3.4.1LED特點LED的內在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源,它有著廣泛的用途。體積小：LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面,所以它非常的小,非常的輕。耗電量低：LED耗電非常低,一般來說LED的工作電壓是2-3.6V。工作電流是0.02-0.03A。這就是說：它消耗的電不超過0.1W。使用壽命長：在恰當?shù)碾娏骱碗妷合?LED的使用壽命可達10萬小時。高亮度、低熱量：比HID或白熾燈更少的熱輻射。環(huán)保：LED是由無毒的材料作成,不像熒光燈含水銀會造成污染,同時LED也可以回收再利用。紅光LED含有大量的As〔砷,劇毒堅固耐用：LED是被完全的封裝在環(huán)氧樹脂里面,它比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內也沒有松動的部分,這些特點使得LED可以說是不易損壞的?？煽匦詮姡嚎梢詫崿F(xiàn)各種顏色的變化。3.4.2LED光源的特點1.電壓：led使用低壓電源,供電電壓在6-24v之間,根據(jù)產品不同而異,所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源,特別適用于公共場所。2.效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%3.適用性：很小,每個單元led小片是3-5mm的正方形,所以可以制備成各種形狀的器件,并且適合于易變的環(huán)境4.穩(wěn)定性：10萬小時,光衰為初始的50%5.響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級,led燈的響應時間為納秒級6.對環(huán)境污染：無有害金屬汞7.顏色：改變電流可以變色,發(fā)光二極管方便地通過化學修飾方法,調整材料的能帶結構和帶隙,實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED,隨著電流的增加,可以依次變?yōu)槌壬?黃色,最后為綠色8.價格：led的價格比較昂貴,較之于白熾燈,幾只led的價格就可以與一只白熾燈的價格相當,而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構成。參數(shù)表表3.43.5元件明細表PartTypeDesignatorFootprint2U2/16VC110KR247KR356R1100R4103C2220U/16VC3555U1DIP-84007D14017U2DIP-16表3.54.軟件說明4.1Protel99簡介Protel99SE是Protel公司近10年來致力于Windows平臺開發(fā)的最新結晶,能實現(xiàn)從電學概念設計到輸出物理生產數(shù)據(jù),以及這之間的所有分析、驗證和設計數(shù)據(jù)管理。因而今天的Protel最新產品已不是單純的PCB〔印制電路板設計工具,而是一個系統(tǒng)工具,覆蓋了以PCB為核心的整個物理設計。最新版本的Protel軟件可以毫無障礙地讀Orcad、Pads、Accel<PCAD>等知名EDA公司設計文件,以便用戶順利過渡到新的EDA平臺。Protel99SE共分5個模塊,分別是原理圖設計、PCB設計〔包含信號完整性分析、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設計。以下介紹一些Protel99SE的部分最新功能：◆可生成30多種格式的電氣連接網絡表;◆強大的全局編輯功能;◆在原理圖中選擇一級器件,PCB中同樣的器件也將被選中;◆同時運行原理圖和PCB,在打開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網絡◆既可以進行正向注釋元器件標號〔由原理圖到PCB,也可以進行反向注釋〔由PCB到原理圖,以保持電氣原理圖和PCB在設計上的一致性;◆滿足國際化設計要求〔包括國標標題欄輸出,GB4728國標庫;*方便易用的數(shù)模混合仿真〔兼容SPICE3f5;◆支持用CUPL語言和原理圖設計PLD,生成標準的JED下載文件;*PCB可設計32個信號層,16個電源-地層和16個機加工層;◆強大的"規(guī)則驅動"設計環(huán)境,符合在線的和批處理的設計規(guī)則檢查;◆智能覆銅功能,覆鈾可以自動重鋪;◆提供大量的工業(yè)化標準電路板做為設計模版;◆放置漢字功能;◆可以輸入和輸出DXF、DWG格式文件,實現(xiàn)和AutoCAD等軟件的數(shù)據(jù)交換;◆智能封裝導航〔對于建立復雜的PGA、BGA封裝很有用;◆方便的打印預覽功能,不用修改PCB文件就可以直接控制打印結果;◆獨特的3D顯示可以在制板之前看到裝配事物的效果;◆強大的CAM處理使您輕松實現(xiàn)輸出光繪文件、材料清單、鉆孔文件、貼片機文件、測試點報告等;◆經過充分驗證的傳輸線特性和仿真精確計算的算法,信號完整性分析直接從PCB啟動;◆反射和串擾仿真的波形顯示結果與便利的測量工具相結合。4.2Proteus簡介Proteus軟件已有20多年的歷史,采用PC進行虛擬仿真實驗要比采用單片機實驗箱更為有效,因為用戶可以根據(jù)需要隨時對原理電路圖進行修改,并立即獲得仿真結果。由于在PC上修改原理電路圖要比在實驗箱上修改硬件電路容易得多,而且還可以根據(jù)設計要求采用不同元器件,或者修改元器件參數(shù)以獲得不同輸出結果,在成功進行虛擬仿真并獲得期望結果的條件下,再制作實際硬件進行在線調試,可以獲得事半功倍的效果。5.安裝調試方法5.1安裝方法現(xiàn)在電路板上畫好實物電路圖,然后將實物一一對應地安裝在上面焊接。電路板制作方法如下：將敷銅板裁成電路圖所需尺寸。把蠟紙放在鋼板上,用筆將電路圖按1:1刻在蠟紙上,并把刻在蠟紙上的電路圖按電路板尺寸剪下,剪下的蠟紙放在所印敷銅板上。取少量油漆與滑石粉調成稀稠合適的印料,用毛刷蘸取印料,均勻地涂到蠟紙上,反復幾遍,印制板即可印上電路。這種刻板可反復使用,適于小批量制作。

以氯酸鉀1克,濃度15％的鹽酸40毫升的比例配制成腐蝕液,抹在電路板上需腐蝕的地方進行腐蝕。將腐蝕好的印制板反復用水清洗。用香蕉水擦掉油漆,再清洗幾次,使印制板清潔,不留腐蝕液。抹上一層松香溶液待干后鉆孔。5.2調試方法實物元件安裝焊接好以后接入電源進行調試。由于此次設計所用元件都是一些低功耗元件,所以調試電源采用9-12v之間的電壓。由于焊接時比較細心,所以沒有出現(xiàn)錯誤一次調試成功。調試時發(fā)現(xiàn)調試電壓越大LED越亮且改變可變電阻R3的大小燈組流動速度也跟著改變,此實驗現(xiàn)象與理論