基于555和CD4017的流水灯课程设计

电子技术基础 课程设计任务书20152016学年 第一学期第17周18周题目用555与CD4017制作循环彩灯内容及要求 1、要求用555芯片和CD4017芯片 2、10个发光二极管依次发光进度安排1、方案论证 2天2、分析、设计、 3天3、焊接、调试、实现 3天4、检查、整理、写设计报告、小结 2天学生姓名：蒋焱、付士山村指导时间12月28日29日1月4日7日指导地点： F 楼 308室任务下达2015年12月28日任务完成2016年1月8日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师系（部）主任注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。4一、 总体的设计方案与选择1 1.1、原理方案的构思1 1.1.1、555原理简介1 1.1.2、CD4017简介1 1.2、总体方案的确定2 1.2.1、555管脚参数2 1.2.2、555工作方式与接线3 1.2.3、CD4017管脚参数3 1.2.4、CD4017直流电气特性4 1.2.5、CD4017工作方式与接线4 1.3、元器件的选择及参数计算6 1.3.1、555参数计算6 1.3.2、CD4017参数计算6 1.4、总体电路草图6二、 总体电路图及印刷版图及相关说明7 2.1、总体电路图7 2.2印刷电路板图8三、 计算机仿真及相关说明8 3.1、计算机仿真电路8 3.2计算机仿真波形图10 3.3仿真结果10四、 安装调试11 4.1、元件清单11 4.2、元件引脚识别11 4.3、元件的检测11 4.4、调试步骤13 4.5、所用仪器仪表14 4.6、实物图14五、 心得体会16 5.1、13048119心得体会16 5.2、13048115心得体会17六、 参考文献181、 总体的设计方案与选择1.1、原理方案的构思 1.1.1、555原理简介555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件,芯片如图1-1所示。一般用双极型（TTL）工艺制作的称为 555，用 互补金属氧化物（CMOS ）工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多种功能。555芯片的基本功能有多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。本次实验使用的功能为多谐振荡器输出矩形波信号。 图 0-1 555芯片 图 0-2 CD4017芯片 1.1.2、CD4017简介CD4017是5位Johnson计算器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端,芯片如图1-2所示。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH为低电平时，计算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，提供了快速操作，2输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，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，并用作多级计数链的下级脉动时钟。本次实验将555芯片的输出端与CD4017的时钟端相连，将555芯片输出的矩形波信号作为CD4017的时钟信号。1.2、总体方案的确定 1.2.1、555管脚参数Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin 8 (V +)-这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。参数功能供应电压4.5-18V供应电流10-15ma输出电流225mA (max)上升/下降时间100 ns 1.2.2、555工作方式与接线555芯片的工作方式为多谐振荡器。多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。用555定时器构成的多谐振荡器电路如图1-3所示：接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是VCCR1R2 C地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，T导通，C放电，放电回路为CR2T地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡。输出高电平时间 T1=(R1+R2)Cln2 输出低电平时间T2=R2Cln2 振荡周期 T=(R1+2R2)Cln2 输出方波的占空比 为 图 0-3 555定时器构成的多谐振荡器 图 1-4 多谐振荡器电容充、放电及输出波形 1.2.3、CD4017管脚参数CP (Pin14)，为频率信号的输入脚。Q1-Q9 (Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，为*后的时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为Hi，其余为Lo电位。CO（Pin12），进位脚，当4017计数10个脉冲之后，CARRYOUT将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。D、控制脚：CR (Pin15)：清除脚或称复位(Reset)脚，当此脚为Hi时，会使CD4017的Q0为”1”，其余Q1-Q9为”0”。INH (Pin13)，时序允许脚，当此脚为低电位，CLOCK输入脉波在正缘时，会使CD4017计数，并改变Q1-Q9的输出状态。 1.2.4、CD4017直流电气特性表 1-1 CD4017直流电气特性表 1.2.5、CD4017工作方式与接线CD4017的内部结构如图1-5所示。当复位端CR加上高电平和正脉冲时，输出端Q0为高电平，其余9个输出端Q0Q9均为低电平。时钟输出端CP对输入时钟脉冲的上升沿计数，INH则对时钟脉冲的下降沿计数。Q0Q9这10个输出端的输出状态分别与输入的时钟个数相对应。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，作为下一级计数的时钟信号。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，Q1Q9为低电平。如此反复，只要555芯片的3脚送来的二进制信号不消失，CD4017将二进制信号转换为十进制信号的计码工作就会反复进行下去。由此可知，CD4017的接线方式如图1-6所示：14脚接555芯片的3脚，13、15、16脚接地，1、2、3、4、5、6、7、9、10、11脚接LED灯正极，12脚悬空。 图 1-5 CD4017内部结构图图 1-6 CD4017连线图1.3、元器件的选择及参数计算 1.3.1、555参数计算由图1-3可知对于555芯片需要确定的主要参数为R1、R2的阻值以及电容C的容值。在这里我们取R1=2.2K，R2=47K，C=1uF，则输出高电平时间 T1=(R1+R2)Cln2=（2.2+47）*1* ln2=0.034s 输出低电平时间 T2=R2Cln2 =47*1* ln2=0.033s振荡周期 T=(R1+2R2)Cln2=（2.2+2*47）*1* ln2=0.067s输出方波的占空比为D=Tph/T=(R1+R2)/(R1+2R2)=(2.2+47)/(2.2+2*47)=0.511.3.2、CD4017参数计算由表1-1可知，在VDD=5V的情况下，CD4017的输出电压也约为5V。为了保护LED不被烧毁，需要串联限流电阻，我们取电阻阻值为300，则发光二极管导通时电压V 2V发光二极管导通时D1D10的电流Io=（5-2）/300=10mA1.4、总体电路草图图 1-7 总体电路草图2、 总体电路图及印刷版图及相关说明2.1、总体电路图图 2-1 总体电路原理图说明：所用芯片为NE555P及CD4017BMJ。R1阻值为2.2K，R2阻值为47K，R3R12阻值为300。C1是容值为1uF的瓷片电容，C2是容值为0.01uF的电解电容。2.2、印刷电路板图图 2-1 印刷电路板图说明：U1为555芯片，封装为P008；2为CD4017芯片，封装为J16A；C1为瓷片电容，C2为点解电容。3、 计算机仿真及相关说明3.1、计算机仿真电路图 3-1 仿真例图（1）图 3-2 仿真例图（2）图 3-3 仿真例图（3）说明：图3-1、3-2、3-3都为multisim软件仿真过程截图，以三盏灯点亮时的截屏代表所有灯被依次点亮。4、 3.2计算机仿真波形图 图 3-4 示波器的仿真波形说明：图3-4为仿真中的示波器的波形。通道A接CD4017的14号脚，通道B接CD40173号脚。分别表示CD4017的时钟信号及LED2的输入信号。3.3仿真结果开启仿真后，通过示波器显示NE555输出方波，正常工作。发光二极管依次点亮，通过万用表测得其导通压降1V，导通电流为21mA，CD4017也正常工作。 5、 安装调试4.1、元件清单元器件封装参数标识数量CapRAD-0.31uFC11Cap Pol2RB5-10.50.01uFC21LED0LED-0D1, 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, R1212NE555PP008U11CD4017BMJJ16AU21表 4-1 元器件清单表4.2、元件引脚识别 4.2.1、芯片管脚识别对于直插式封装的芯片（在本次实验中即555芯片及CD4017芯片）来说，从芯片正面看，把芯片的半圆凹陷处当作上方，从左上角开始为一号管脚，右上角为最后一个管脚（555为8号、CD4017为16号）。图1-1和1-2分别为555芯片及CD4017芯片引脚图。 4.2.2、其他元器件的管脚识别对于其他器件来说，管脚同样需要识别。对于电阻R1R12及瓷片电容C1来说，它们都是无极性器件，管脚没有正负之分，可随意连接。对于点解电容C2及发光二极管D1D10来说，它们都是有极性器件，其中长管脚为正极，短管脚为负极，在识别及接线时需注意。4.3、元件的检测在焊接之前，我们需要检测器件是否能正常工作，本次实验中则主要是检查电阻及LED。通过万用表的不同点阻挡，将表笔接在电阻两端确认各个阻值的电阻是否正常；通过万用表的蜂鸣档，将红表笔接LED正极，黑表笔接LED负极，确认LED能正常发光。4.4、调试步骤在焊接完成之后，用万用表蜂鸣档检测各电路是否像电路图一样连接没有通断异常，检测电路中极性电容，发光二极管的极性是否连接正确。然后通电，用示波器检测充放电电容C1两端的波形确定其能正常充放电，并用示波器检测NE555的输出波形是方波确定NE555正常工作，并通过万用表检测发光二极管两端的电压、电流确定发光二极管是否在额定的状态下工作。调试完成后上电时实验现象应该是发光二极管依次正常点亮，形成流水灯的效果。如果没有正常工作，检查元件的极性是否和电路图上的一致，若流水灯点亮的频率过快或过慢，就需要更换NE555连接的电阻的阻值以及充放电电容的容值来改变NE555的输出方波的脉冲频率。如果发光二极管点亮时发的光过亮或过暗，就需要更换发光二极管所连的下拉电阻的阻值来调整发光二极管的亮度。4.5、所用仪器仪表万用表x1；示波器x1；直流电源x1；4.6、实物图图 4-1 电路板背面图图 4-2 电路板正面图（1）图 4-3 电路板正面图（2）图 4-4 电路板正面图（3）5、 心得体会5.1、 13048119心得体会经过这次电子课程设计，我们学到了许多知识，像NE555的多谐振荡器电路，十位计数器CD4017的使用，对于知识的积累有很大的帮助。在原理设计过程中我们提高了自己查找资料并进行设计的能力，并设计了原理电路，而在之后的仿真过程中，我们学会使用Multisim软件来仿真，并通过仿真来调整自己的原理电路，对原本设置不合理的元件参数进行修正,还因为是用1个下拉电阻一条主路还是10个下拉电阻分别接在支路两种方案进行仿真最终选择了更稳定的后者，仿真完成后我们还使用了Altium Designer来制作原理图和PCB板图。在理论步奏完成后，我们开始焊接电路，虽然电路图比较简单，但要使发光二极管依次点亮达到流水灯的效果，因CD4017管脚的排布让我们动了一番脑筋才尽量减少了CD4017到发光二极管的跳线问题。焊接过程的时间在整个课设中花了比较长的时间才焊好，其中还因为元件的替换返工了几次，不过努力总有回报，耐心的焊接过程使得我们在调试过程相对轻松一些，上电后测得得几个参数都基本符合理论值，NE555能够正常输出方波，而CD4017所连接的发光二极管也能够正常地工作，我们心满意足地实现了预期的实验现象，达成的预定的目标，而在这过程中，我们发现理论与实践相结合的重要性：将所学习的电子知识有效的运用在实际的电路中并实现预期的目的。这对于今后的学习、实践都有很大的帮助。5.2、13048115心得体会这是我们做的第一次课程设计，感受到了很多跟平时做实验的时候不一样的东西。之前也不是没有做过流水灯，不过都是用单片机做的，感觉很简单，编一下程序烧录进去然后接下线就搞定了。这次是第一次用其他芯片来做。刚开始的时候感觉无从下手，不知道该怎么做，后来到网上查了资料才知道其实并不会很难并且确定了方案。方案确定后就是做做仿真及设计板子。在这过程中使用了Altium designer画图，Protues作仿真。出于节省器材的想法，我开始把10个LED的限流电阻都公用一个300欧的。在Protues上没出现什么问题，但在换了Mlutisim仿真时则出现了灯在切换的时候会全部亮的问题，在十盏灯都加上限流电阻的时候这个问题就消失了。可能是Protues的仿真精度不高的原因，所以之前并没有发现什么问题。在焊电路板的时候，虽然图上比较简单，但是布线还是很麻烦的，如果不好好布置的话，需要跳很多根线，在这里着实费了一番功夫，最后的成品上跳线的根数还是不多的。虽然焊板子花了不少功夫，但是结果还是很好的，我们的板子一次成功，并没有什么错误，当时就觉得很开心，总算没白费功夫。经过这次课设，我能够明显的感受到自己在各方面都有了一定的提升，同时也体会到了课设对于我们的重要性。通过课设，我们能够把平时学到的理论知识运用到实际，为我们以后走向社会做好准备。6、 参考文献1、电子技术课程设计指导 彭介华 主编 北京：高等教育出版社 1997；2、国产集成电路应用500例 周 仲 主编 北京：电子工业出版社 1992；3、555时基电路原理、设计与应用 陈有卿、叶桂娟 主编 北京：电子工业出版社 2007；4、常用电子元件简明手册 于洪珍 主编；20