CD4017流水灯

1、 数字电路课程设计题 目： CD4017流水灯 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 10081413 学生姓名： 李陈伟指导教师： 金信鸿二O一 三年 6 月17测试与光电工程学院课程设计任务书 测控技术与仪器 系 100814班 李陈伟 学生：课题名称： CD4017流水灯 课题要求：1要独立完成设计任务，通过课程设计，锻炼自己综合运用所学知识的能力，并初步掌握电子技术设计的方法和步骤。2熟悉电子线路Protel 99 软件及电子线路仿真Proteus软件的使用方法。3学会查阅资料和手册，学会选用各种电子元器件。4掌握常用的电子仪器仪表使用，如直流稳压电源、直流

2、电压、电流表、信号源、示波器等。5学会掌握安装电子线路的基本技能和调试方法，善于在调试中发现问题和解决问题。6能够写出完整的课程设计总结报告。主要参考资料：1 阎石主编 数字电子技术基础 第5版 高等教育出版社2 电子 技术课程设计指导 湖南大学 彭介华 主编 高等教育出版社3 数字电路实验与课程设计修订版 吕思忠 施齐云 编著 哈尔滨工程大学出版社4 Proteus教程电子线路设计、制版与仿真 朱清惠 张凤蕊 王志奎编 清华大学出版社 指导教师： 金信鸿 时间： 2013年 5 月 29 日 CD4017流水灯 学生姓名：李陈伟 班级：100814 指导老师：金信鸿摘要:随着电子技术的快速发

3、展尤其是数字技术的突飞猛进，多功能流水灯凭着简易，高效，稳定等特点得到普遍的应用。在各种娱乐场所、店铺门面装饰、家居装潢、城市墙壁更是随处可见，与此同时，还有一些城市采用不同的流水灯打造属于自己的城市文明，塑造自己的城市魅力。目前，多功能流水灯的种类已有数十种，如家居装饰灯、店铺招牌灯等等。所以，多功能流水灯的设计具有相当的代表性，；利用单片机也可实现流水灯功能，但电路较复杂，费用较高，综合考虑，利用CD4017设计流水灯具有其优势。多功能流水灯，就是要具有一定的变化各种图案的功能，主要涉及了数字电路中一些编码译码、计数器原理，555定时器构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲，设计过程中了解

4、相关芯片（NE555、CD4017）的具体功能，引脚图，真值表。本文用NE555定时器，CD4017十进制计数器，外加辅助电阻电容实现流水灯功能，利用protues仿真，焊接电路板，在制作的过程中，用到了万用表，本文着重分析NE555定时器发出方波脉冲的原理与CD4017计数器工作原理，同时也介绍制作中会遇到的问题以及解决方案，改变部分电阻，电容值探究电路运行的可靠性与实用性。 关键词：NE555,CD4017，Proteus仿真，原理 指导老师签字： 1 引言 城市的霓虹灯将夜晚装点的绚丽多彩，这些霓虹灯即是由很多的流水灯组合而成的，流水灯的亮暗由电路控制，作为一名学习测控技术与仪器的大三本

5、科生，有义务掌握这些原理，更应该将此应用于实践，为以后服务社会做准备，所以学习与尝试利用NE555定时器与CD4017制作流水灯，并取得了良好效果，此方法简单易行，虽不能实现复杂的功能，但对于流水灯探索打下了基础。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。CD4017为十进制计数器，对接收到的电信号计数，并输出高电平做标记。二者与部分电阻电容，二极管的组合使用可以实现流水灯功能5。2 电路设计与原理分析，下图为总电路图（见图1） 图 1 总

6、电路图 2、1 NE555定时器部分 555定时器的内部电路由分压器。电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放点三极管T以及缓冲器G组成，其内部结构图如图（2）所示。 三个5K的电阻串联组成分压器，为比较器C1、C2提供参考电压。当控制端电压（5）悬空时（可对地接上0.01uF左右的滤波电容），比较器C2和C2的基准电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。 6脚是比较器C1的信号输入端，称为阈值输入端；2脚是比较器C2的信号输入端，称为触发输入端。如果控制电压端（5）外接电压Vic，则比较器C1、C2的基准电压就变为Vic和1/2Vic。比较器C1、C2的输出控制SR锁存器和放电三极管T的状态。

7、 放电三极管T为外接电路提供放电通路，在使用定时器是，该三极管的集电极（7）一般都要外接上拉电阻。 当V62/3Vcc,V21/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，简单SR锁存器Q端置0，放点三极管T导通，输出端Vo为低电平。 当V62/3Vcc,V21/3Vcc时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，简单SR锁存器Q端置1，放点三极管T截止，输出端Vo为高电平。 当V61/3Vcc时，简单SR锁存器R=1，S=1，锁存器状态不变，电路保持原状态不变1。 图2 555定时器的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端3脚：输出端

8、Vo4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表61示。下表为 555定时器

9、的功能表清零端高触发端TH低触发端Q放电管T功能00导通直接清零101x保持上一状态保持上一状态1101截止置11001截止置11110导通清零 下图为NE555定时器外围连接电路见图（3） 图3 接通电源后，电容C1被充电，当V2上升到2/3Vcc时，使V3为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C1通过R3和T放电，V2下降。当V2下降到1/3Vcc时，V3翻转为高电平。电容器C3的放电时间为 Tpl=R3*C1*Ln2.（2、1.1） 当放电结束时，T截止，Vcc将通过R2、R3向电容器C1充电，V2由1/2Vcc是个上升到2/3Vcc所需时间为 Tph=（R2+R3）*C1*Ln2.（

10、2、1.2）当V2上升到2/3Vcc时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波6。依据公式2、1.1和2、1.2和图3电路图中的数据我们可计算出输出端3输出的方波的低电平时间为 Tpl=37000*0.7*2.2*10-6 =57ms输出方波的高电平时间为 Tph=（37000+1000）*0.7*2.2*10-6 =58.5ms所以频率 F=1/(Tpl+Tph)=8.7HZ下图为仿真出的波形（见图4） 图4 由上论述可知3脚将向CD4017发送方波，此方波会被CD4017计数，从而控制发光二极管亮暗，形成流水灯。2、2 CD4017部分 CD4017

11、实现的功能是对555定时器发来的信号采集，也即对高低电平的方波进行计数，然后输出计数结果。 CD4017：十进制计数器/脉冲分配器，CD4017 是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输 cd4017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，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零引出端功能符号CO：进位脉冲输出 CD4017引脚图CP：时钟输入端CR：清除端INH：禁止端Q0-Q9 计数脉冲输出端VDD：正电源VSS：地下图为CD4017接入电路的情况（见图5）

12、 图5 如图5所述，14脚接定时器的3脚，13脚接地，每当方波由低电平变为高电平的上升沿是计时器加1，Q0-Q9脚对应计数的0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，CO脚是进位脚，当计数到10时就进位，例如计数2次，则Q2端口输出高电平，计数4次则Q4端口输出高电平，电压在3.5V左右，发光二极管需接一电阻起限压作用。 这样由555定时器发来的方波每个周期计数一次，就有一个灯被点亮，当方波持续则灯依次被点亮形成流水状，实现流水灯的功能。3 电路图仿真与调试仿真需用到仿真软件protues，下面对其做简单介绍 Proteus 软件是由英国 Labcenter Electronics 公司开发的E

13、DA工具软件，已有近20年的历史，在全球得到了广泛应用。Proteus 软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路2。Proteus具有和其他EDA工具一样的原理图编辑、印刷电路板(PCB)设计及电路仿真功能，最大的特色是其电路仿真的交互化和可视化，如图2-1所示。通过Proteus软件的VSM(虚拟仿真模式)，用户可以对模拟电路、数字电

14、路、模数混合电路、单片机及外围元器件等电子线路进行系统仿真。其中Proteus软件由ISIS和ARES两部分构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统原理设计和仿真平台软件，ARES是一款高级的PCB布线编辑软件。Proteus ISIS是一种操作简便而又功能强大的原理图编辑工具，它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，该软件的特点有： 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真的结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真等功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生

15、器等。 支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。 提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。 具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的电路设计和仿真软件，功能极其强大。3.1 元件的查找和放置点击Component Mode按钮

16、拾取元件，从元件库中查找所需元件。如图6所示 图6放置元件 单击左键即可放置 图73.2 对所放置的元件进行连线 用鼠标点击元件的端口进行连线 如图8 图8然后依次将所有的端口连线 如图9 图9通过Proteus我们可以方便的对所制作的电源原理图进行仿真，直观的观察到仿真结果。Proteus ISIS的VSM(Virtual Simulation Mode，虚拟仿真模式)，包括交互式动态仿真和基于图表的静态仿真。前者用于即时观看电路的仿真结果，仿真结果在仿真运行结束后即消失；后者的仿真结果可随时刷新3，以图表的形式保留在图中，可供以后分析或随图纸一起打印输出。点击Proteus的play按钮，

17、在逐一将错误改正之后，我们可以看到电路图的仿真效果。见图 10 图10通过实时调节滑动变阻器，我们可以看到流水灯灯组的流动速度改变。至此，仿真完毕。4 元器件焊接入电路板与实物调试我们依据电路图将元器件全部焊接入电路板上，为其提供5V电压，看到了流水灯效果，但在焊接过程中，我将电源线正负极接反，这样有可能在没看清正负极时将电源极性接反，但只要稍加注意，应该可以避免，可是在接反二次后，二极管不再亮了，用万用表检查发现555定时器的3脚电压为5V，正常情况下应该是2.5V左右，所以我认为应该是555定时器被烧坏了，更换定时器后实现功能。下图为我们制作的实物（图11） 图115 结论 我依据原理，首

18、先在protues上将电路图仿真成功，然后将元器件焊接上电路板，实现了流水灯的功能，通过改变电阻R3的阻值可以控制流水灯的流速，如果应用若干CD4017芯片则可以驱动更多的发光二极管，流水灯将更加绚丽多彩，但此方法做出的流水灯只能以一种方式流动，这一点和单片机控制的流水灯有差距，作者设想如果加入开关，增加555定时器的数量可以实现花样流水灯，更加接近实用4。通过这次课设的写作与动手实验使我明白了如何将课本中的知识应用于实践，更加明白555定时器的功能，为以后的研究与应用打下了基础。6致谢本设计的完成是在我们指导老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了老师很多的宝贵时间和精力，在此向老师表示衷心地感谢！老师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使我受益终生！还要感谢和我同一设计小组的几位同学，是你们在我平时设计中