基于555和CD4017的流水燈課程設(shè)計

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。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時，電路的狀態(tài)在這兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號。用555定時器構(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（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（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。輸出高電平時間T1=(R1+R2)Cln2輸出低電平時間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)，為頻率信號的輸入腳。

Q1-Q9(Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，為*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。

CO（Pin12），進位腳，當(dāng)4017計數(shù)10個脈沖之后，CARRY

OUT將輸出一個脈波，代表產(chǎn)生進位，共串級計數(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，會使CD4017的Q0為”1”，其余Q1-Q9為”0”。

INH(Pin13)，時序允許腳，當(dāng)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)。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，輸出端Q0為高電平，其余9個輸出端Q0～Q9均為低電平。時鐘輸出端CP對輸入時鐘脈沖的上升沿計數(shù)，INH則對時鐘脈沖的下降沿計數(shù)。Q0～Q9這10個輸出端的輸出狀態(tài)分別與輸入的時鐘個數(shù)相對應(yīng)。如從0開始計數(shù)，則輸入到第1個時鐘脈沖時，Q1就變成高電平，輸入第2個時鐘脈沖時，Q2變成高電平……直到輸入第10個時鐘脈沖，Q0變?yōu)楦唠娖?。同時，進位端C0就輸出一個進位脈沖，作為下一級計數(shù)的時鐘信號。CR為復(fù)位端，也為清零端。當(dāng)CR輸入高電平時，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腳送來的二進制信號不消失，CD4017將二進制信號轉(zhuǎn)換為十進制信號的計碼工作就會反復(fù)進行下去。

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)計算1.3.1、555參數(shù)計算由圖1-3可知對于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，則輸出高電平時間T1=(R1+R2)Cln2=（2.2+47）*1*ln2=0.034s輸出低電平時間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)通時電壓V≈2V發(fā)光二極管導(dǎo)通時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)說明2.1、總體電路圖圖2-SEQ圖\*ARABIC\s31總體電路原理圖說明：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為點解電容。計算機仿真及相關(guān)說明3.1、計算機仿真電路圖3-1仿真例圖（1）圖3-2仿真例圖（2）圖3-3仿真例圖（3）說明：圖3-1、3-2、3-3都為multisim軟件仿真過程截圖，以三盞燈點亮?xí)r的截屏代表所有燈被依次點亮。3.2計算機仿真波形圖圖3-4示波器的仿真波形說明：圖3-4為仿真中的示波器的波形。通道A接CD4017的14號腳，通道B接CD40173號腳。分別表示CD4017的時鐘信號及LED2的輸入信號。3.3仿真結(jié)果開啟仿真后，通過示波器顯示NE555輸出方波，正常工作。發(fā)光二極管依次點亮，通過萬用表測得其導(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、元件引腳識別4.2.1、芯片管腳識別對于直插式封裝的芯片（在本次實驗中即555芯片及CD4017芯片）來說，從芯片正面看，把芯片的半圓凹陷處當(dāng)作上方，從左上角開始為一號管腳，右上角為最后一個管腳（555為8號、CD4017為16號）。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別對于其他器件來說，管腳同樣需要識別。對于電阻R1~R12及瓷片電容C1來說，它們都是無極性器件，管腳沒有正負(fù)之分，可隨意連接。對于點解電容C2及發(fā)光二極管D1~D10來說，它們都是有極性器件，其中長管腳為正極，短管腳為負(fù)極，在識別及接線時需注意。4.3、元件的檢測在焊接之前，我們需要檢測器件是否能正常工作，本次實驗中則主要是檢查電阻及LED。通過萬用表的不同點阻擋，將表筆接在電阻兩端確認(rèn)各個阻值的電阻是否正常；通過萬用表的蜂鳴檔，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，用萬用表蜂鳴檔檢測各電路是否像電路圖一樣連接沒有通斷異常，檢測電路中極性電容，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NE555的輸出波形是方波確定NE555正常工作，并通過萬用表檢測發(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)試完成后上電時實驗現(xiàn)象應(yīng)該是發(fā)光二極管依次正常點亮，形成流水燈的效果。如果沒有正常工作，檢查元件的極性是否和電路圖上的一致，若流水燈點亮的頻率過快或過慢，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改變NE555的輸出方波的脈沖頻率。如果發(fā)光二極管點亮?xí)r發(fā)的光過亮或過暗，就需要更換發(fā)光二極管所連的下拉電阻的阻值來調(diào)整發(fā)光二極管的亮度。4.5、所用儀器儀表萬用表x1；示波器x1；直流電源x1；4.6、實物圖圖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5.1、13048119心得體會經(jīng)過這次電子課程設(shè)計，我們學(xué)到了許多知識，像NE555的多諧振蕩器電路，十位計數(shù)器CD4017的使用，對于知識的積累有很大的幫助。在原理設(shè)計過程中我們提高了自己查找資料并進行設(shè)計的能力，并設(shè)計了原理電路，而在之后的仿真過程中，我們學(xué)會使用Multisim軟件來仿真，并通過仿真來調(diào)整自己的原理電路，對原本設(shè)置不合理的元件參數(shù)進行修正,還因為是用1個下拉電阻一條主路還是10個下拉電阻分別接在支路兩種方案進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來制作原理圖和PCB板圖。在理論步奏完成后，我們開始焊接電路，雖然電路圖比較簡單，但要使發(fā)光二極管依次點亮達(dá)到流水燈的效果，因CD4017管腳的排布讓我們動了一番腦筋才盡量減少了CD4017到發(fā)光二極管的跳線問題。焊接過程的時間在整個課設(shè)中花了比較長的時間才焊好，其中還因為元件的替換返工了幾次，不過努力總有回報，耐心的焊接過程使得我們在調(diào)試過程相對輕松一些，上電后測得得幾個參數(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，我們心滿意足地實現(xiàn)了預(yù)期的實驗現(xiàn)象，達(dá)成的預(yù)定的目標(biāo)，而在這過程中，我們發(fā)現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的重要性：將所學(xué)習(xí)的電子知識有效的運用在實際的電路中并實現(xiàn)預(yù)期的目的。這對于今后的學(xué)習(xí)、實踐都有很大的幫助。5.2、13048115心得體會這是我們做的第一次課程設(shè)計，感受到了很多跟平時做實驗的時候不一樣的東西。之前也不是沒有做過流水燈，不過都是用單片機做的，感覺很簡單，編一下程序燒錄進去然后接下線就搞定了。這次是第一次用其他芯片來做。剛開始的時候感覺無從下手，不知道該怎么做，后來到網(wǎng)上查了資料才知道其實并不會很難并且確定了方案。方案確定后就是做做仿真及設(shè)計板子。在這過程中使用了Altiumdesigner畫圖，Protues作仿真。出于節(jié)省器材的想法，我開始把10個LED的限流電阻都公用一個300歐的。在Protues上沒出現(xiàn)什么問題，但在換了Mlutisim仿真時則出現(xiàn)了燈在切換的時候會全部亮的問題，在十盞燈都加上限流電阻的時候這個問題就消失了?？赡苁荘rotues的仿真精度不高的原因，所以之前并沒有發(fā)現(xiàn)什么問題。在焊電路板的時候，雖然圖上比較簡單，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，在這里著實費了一番功夫，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，并沒有什么錯誤，當(dāng)時就覺得很開心，總算沒白費功夫。經(jīng)過這次課設(shè)，我能夠明顯的感受到自己在各