基于555和CD4017的流水燈課程設(shè)計(jì)

1.2.2、555工作方式與接線555芯片的工作方式為多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器?！岸嘀C”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在工作時(shí)，電路的狀態(tài)在這兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間自動(dòng)地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號(hào)，常用作脈沖信號(hào)源及時(shí)序電路中的時(shí)鐘信號(hào)。用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖1-3所示：接通電源后，假定是高電平，則T截止，電容C充電。充電回路是VCC—R1—R2—C—地，按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)上升到時(shí)（TH、端電平大于），輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。是低電平，T導(dǎo)通，C放電，放電回路為C—R2—T—地，按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到時(shí)（TH、端電平小于），輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。輸出高電平時(shí)間T1=(R1+R2)Cln2輸出低電平時(shí)間T2=R2Cln2振蕩周期T=(R1+2R2)Cln2輸出方波的占空比為圖STYLEREF3\s0-3555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器圖1-4多諧振蕩器電容充、放電及輸出波形1.2.3、CD4017管腳參數(shù)CP(Pin14)，為頻率信號(hào)的輸入腳。

Q1-Q9(Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，為*后的時(shí)進(jìn)制輸出接腳，被計(jì)數(shù)到的值，其輸出為Hi，其余為L(zhǎng)o

電位。

CO（Pin12），進(jìn)位腳，當(dāng)4017計(jì)數(shù)10個(gè)脈沖之后，CARRY

OUT將輸出一個(gè)脈波，代表產(chǎn)生進(jìn)位，共串級(jí)計(jì)數(shù)器使用。

D、

控制腳：

CR(Pin15)：清除腳或稱復(fù)位(Reset)腳，當(dāng)此腳為Hi時(shí)，會(huì)使CD4017的Q0為”1”，其余Q1-Q9為”0”。

INH(Pin13)，時(shí)序允許腳，當(dāng)此腳為低電位，CLOCK輸入脈波在正緣時(shí)，會(huì)使CD4017計(jì)數(shù)，并改變Q1-Q9的輸出狀態(tài)。1.2.4、CD4017直流電氣特性表SEQ圖表\*ARABIC1-1CD4017直流電氣特性表1.2.5、CD4017工作方式與接線CD4017的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。當(dāng)復(fù)位端CR加上高電平和正脈沖時(shí)，輸出端Q0為高電平，其余9個(gè)輸出端Q0～Q9均為低電平。時(shí)鐘輸出端CP對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖的上升沿計(jì)數(shù)，INH則對(duì)時(shí)鐘脈沖的下降沿計(jì)數(shù)。Q0～Q9這10個(gè)輸出端的輸出狀態(tài)分別與輸入的時(shí)鐘個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)。如從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，則輸入到第1個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，Q1就變成高電平，輸入第2個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，Q2變成高電平……直到輸入第10個(gè)時(shí)鐘脈沖，Q0變?yōu)楦唠娖?。同時(shí)，進(jìn)位端C0就輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖，作為下一級(jí)計(jì)數(shù)的時(shí)鐘信號(hào)。CR為復(fù)位端，也為清零端。當(dāng)CR輸入高電平時(shí)，電路復(fù)位，即輸出端Q0為高電平，Q1～Q9為低電平。如此反復(fù)，只要555芯片的3腳送來(lái)的二進(jìn)制信號(hào)不消失，CD4017將二進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制信號(hào)的計(jì)碼工作就會(huì)反復(fù)進(jìn)行下去。

由此可知，CD4017的接線方式如圖1-6所示：14腳接555芯片的3腳，13、15、16腳接地，1、2、3、4、5、6、7、9、10、11腳接LED燈正極，12腳懸空。圖1-5CD4017內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖1-6CD4017連線圖1.3、元器件的選擇及參數(shù)計(jì)算1.3.1、555參數(shù)計(jì)算由圖1-3可知對(duì)于555芯片需要確定的主要參數(shù)為R1、R2的阻值以及電容C的容值。在這里我們?nèi)1=2.2K，R2=47K，C=1uF，則輸出高電平時(shí)間T1=(R1+R2)Cln2=（2.2+47）*1*ln2=0.034s輸出低電平時(shí)間T2=R2Cln2=47*1*ln2=0.033s振蕩周期T=(R1+2R2)Cln2=（2.2+2*47）*1*ln2=0.067s輸出方波的占空比為D=Tph/T=(R1+R2)/(R1+2R2)=(2.2+47)/(2.2+2*47)=0.511.3.2、CD4017參數(shù)計(jì)算由表1-1可知，在VDD=5V的情況下，CD4017的輸出電壓也約為5V。為了保護(hù)LED不被燒毀，需要串聯(lián)限流電阻，我們?nèi)‰娮枳柚禐?00Ω，則發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)電壓V≈2V發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)D1~D10的電流Io=（5-2）/300=10mA1.4、總體電路草圖圖1-7總體電路草圖總體電路圖及印刷版圖及相關(guān)說(shuō)明2.1、總體電路圖圖2-SEQ圖\*ARABIC\s31總體電路原理圖說(shuō)明：所用芯片為NE555P及CD4017BMJ。R1阻值為2.2K，R2阻值為47K，R3~R12阻值為300Ω。C1是容值為1uF的瓷片電容，C2是容值為0.01uF的電解電容。2.2、印刷電路板圖圖2-SEQ圖\*ARABIC\s31印刷電路板圖說(shuō)明：U1為555芯片，封裝為P008；2為CD4017芯片，封裝為J16A；C1為瓷片電容，C2為點(diǎn)解電容。計(jì)算機(jī)仿真及相關(guān)說(shuō)明3.1、計(jì)算機(jī)仿真電路圖3-1仿真例圖（1）圖3-2仿真例圖（2）圖3-3仿真例圖（3）說(shuō)明：圖3-1、3-2、3-3都為multisim軟件仿真過(guò)程截圖，以三盞燈點(diǎn)亮?xí)r的截屏代表所有燈被依次點(diǎn)亮。3.2計(jì)算機(jī)仿真波形圖圖3-4示波器的仿真波形說(shuō)明：圖3-4為仿真中的示波器的波形。通道A接CD4017的14號(hào)腳，通道B接CD40173號(hào)腳。分別表示CD4017的時(shí)鐘信號(hào)及LED2的輸入信號(hào)。3.3仿真結(jié)果開(kāi)啟仿真后，通過(guò)示波器顯示NE555輸出方波，正常工作。發(fā)光二極管依次點(diǎn)亮，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)得其導(dǎo)通壓降1V，導(dǎo)通電流為21mA，CD4017也正常工作。 安裝調(diào)試4.1、元件清單元器件封裝參數(shù)標(biāo)識(shí)數(shù)量CapRAD-0.31uFC11CapPol2RB5-10.50.01uFC21LED0LED-0—D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9,D1010Res2AXIAL-0.42.2K*147K*1300*10R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10,R11,R1212NE555PP008—U11CD4017BMJJ16A—U21表4-1元器件清單表4.2、元件引腳識(shí)別4.2.1、芯片管腳識(shí)別對(duì)于直插式封裝的芯片（在本次實(shí)驗(yàn)中即555芯片及CD4017芯片）來(lái)說(shuō)，從芯片正面看，把芯片的半圓凹陷處當(dāng)作上方，從左上角開(kāi)始為一號(hào)管腳，右上角為最后一個(gè)管腳（555為8號(hào)、CD4017為16號(hào)）。圖1-1和1-2分別為555芯片及CD4017芯片引腳圖。4.2.2、其他元器件的管腳識(shí)別對(duì)于其他器件來(lái)說(shuō)，管腳同樣需要識(shí)別。對(duì)于電阻R1~R12及瓷片電容C1來(lái)說(shuō)，它們都是無(wú)極性器件，管腳沒(méi)有正負(fù)之分，可隨意連接。對(duì)于點(diǎn)解電容C2及發(fā)光二極管D1~D10來(lái)說(shuō)，它們都是有極性器件，其中長(zhǎng)管腳為正極，短管腳為負(fù)極，在識(shí)別及接線時(shí)需注意。4.3、元件的檢測(cè)在焊接之前，我們需要檢測(cè)器件是否能正常工作，本次實(shí)驗(yàn)中則主要是檢查電阻及LED。通過(guò)萬(wàn)用表的不同點(diǎn)阻擋，將表筆接在電阻兩端確認(rèn)各個(gè)阻值的電阻是否正常；通過(guò)萬(wàn)用表的蜂鳴檔，將紅表筆接LED正極，黑表筆接LED負(fù)極，確認(rèn)LED能正常發(fā)光。4.4、調(diào)試步驟在焊接完成之后，用萬(wàn)用表蜂鳴檔檢測(cè)各電路是否像電路圖一樣連接沒(méi)有通斷異常，檢測(cè)電路中極性電容，發(fā)光二極管的極性是否連接正確。然后通電，用示波器檢測(cè)充放電電容C1兩端的波形確定其能正常充放電，并用示波器檢測(cè)NE555的輸出波形是方波確定NE555正常工作，并通過(guò)萬(wàn)用表檢測(cè)發(fā)光二極管兩端的電壓、電流確定發(fā)光二極管是否在額定的狀態(tài)下工作。調(diào)試完成后上電時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象應(yīng)該是發(fā)光二極管依次正常點(diǎn)亮，形成流水燈的效果。如果沒(méi)有正常工作，檢查元件的極性是否和電路圖上的一致，若流水燈點(diǎn)亮的頻率過(guò)快或過(guò)慢，就需要更換NE555連接的電阻的阻值以及充放電電容的容值來(lái)改變NE555的輸出方波的脈沖頻率。如果發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r發(fā)的光過(guò)亮或過(guò)暗，就需要更換發(fā)光二極管所連的下拉電阻的阻值來(lái)調(diào)整發(fā)光二極管的亮度。4.5、所用儀器儀表萬(wàn)用表x1；示波器x1；直流電源x1；4.6、實(shí)物圖圖4-1電路板背面圖圖4-2電路板正面圖（1）圖4-3電路板正面圖（2）圖4-4電路板正面圖（3）心得體會(huì)5.1、13048119心得體會(huì)經(jīng)過(guò)這次電子課程設(shè)計(jì)，我們學(xué)到了許多知識(shí)，像NE555的多諧振蕩器電路，十位計(jì)數(shù)器CD4017的使用，對(duì)于知識(shí)的積累有很大的幫助。在原理設(shè)計(jì)過(guò)程中我們提高了自己查找資料并進(jìn)行設(shè)計(jì)的能力，并設(shè)計(jì)了原理電路，而在之后的仿真過(guò)程中，我們學(xué)會(huì)使用Multisim軟件來(lái)仿真，并通過(guò)仿真來(lái)調(diào)整自己的原理電路，對(duì)原本設(shè)置不合理的元件參數(shù)進(jìn)行修正,還因?yàn)槭怯?個(gè)下拉電阻一條主路還是10個(gè)下拉電阻分別接在支路兩種方案進(jìn)行仿真最終選擇了更穩(wěn)定的后者，仿真完成后我們還使用了AltiumDesigner來(lái)制作原理圖和PCB板圖。在理論步奏完成后，我們開(kāi)始焊接電路，雖然電路圖比較簡(jiǎn)單，但要使發(fā)光二極管依次點(diǎn)亮達(dá)到流水燈的效果，因CD4017管腳的排布讓我們動(dòng)了一番腦筋才盡量減少了CD4017到發(fā)光二極管的跳線問(wèn)題。焊接過(guò)程的時(shí)間在整個(gè)課設(shè)中花了比較長(zhǎng)的時(shí)間才焊好，其中還因?yàn)樵奶鎿Q返工了幾次，不過(guò)努力總有回報(bào)，耐心的焊接過(guò)程使得我們?cè)谡{(diào)試過(guò)程相對(duì)輕松一些，上電后測(cè)得得幾個(gè)參數(shù)都基本符合理論值，NE555能夠正常輸出方波，而CD4017所連接的發(fā)光二極管也能夠正常地工作，我們心滿意足地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，達(dá)成的預(yù)定的目標(biāo)，而在這過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性：將所學(xué)習(xí)的電子知識(shí)有效的運(yùn)用在實(shí)際的電路中并實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目的。這對(duì)于今后的學(xué)習(xí)、實(shí)踐都有很大的幫助。5.2、13048115心得體會(huì)這是我們做的第一次課程設(shè)計(jì)，感受到了很多跟平時(shí)做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候不一樣的東西。之前也不是沒(méi)有做過(guò)流水燈，不過(guò)都是用單片機(jī)做的，感覺(jué)很簡(jiǎn)單，編一下程序燒錄進(jìn)去然后接下線就搞定了。這次是第一次用其他芯片來(lái)做。剛開(kāi)始的時(shí)候感覺(jué)無(wú)從下手，不知道該怎么做，后來(lái)到網(wǎng)上查了資料才知道其實(shí)并不會(huì)很難并且確定了方案。方案確定后就是做做仿真及設(shè)計(jì)板子。在這過(guò)程中使用了Altiumdesigner畫圖，Protues作仿真。出于節(jié)省器材的想法，我開(kāi)始把10個(gè)LED的限流電阻都公用一個(gè)300歐的。在Protues上沒(méi)出現(xiàn)什么問(wèn)題，但在換了Mlutisim仿真時(shí)則出現(xiàn)了燈在切換的時(shí)候會(huì)全部亮的問(wèn)題，在十盞燈都加上限流電阻的時(shí)候這個(gè)問(wèn)題就消失了?？赡苁荘rotues的仿真精度不高的原因，所以之前并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么問(wèn)題。在焊電路板的時(shí)候，雖然圖上比較簡(jiǎn)單，但是布線還是很麻煩的，如果不好好布置的話，需要跳很多根線，在這里著實(shí)費(fèi)了一番功夫，最后的成品上跳線的根數(shù)還是不多的。雖然焊板子花了不少功夫，但是結(jié)果還是很好的，我們的板子一次成功，并沒(méi)有什么錯(cuò)誤，當(dāng)時(shí)就覺(jué)得很開(kāi)心，總算沒(méi)白費(fèi)功夫。經(jīng)過(guò)這次課設(shè)，我能夠明顯的感受到自己在各