基于555和CD4017的流水灯课程设计

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VCC—R1—R2—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C—R2—T—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STYLEREF3\s0-3555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，CARRY

OUT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SEQ图表\*ARABIC1-1CD4017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Q0～Q9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。Q0～Q9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，Q1～Q9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1-5CD4017内部结构图图1-6CD4017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300Ω，则发光二极管导通时电压V≈2V发光二极管导通时D1~D10的电流Io=（5-2）/300=10mA1.4、总体电路草图图1-7总体电路草图总体电路图及印刷版图及相关说明2.1、总体电路图图2-SEQ图\*ARABIC\s31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，R3~R12阻值为300Ω。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-SEQ图\*ARABIC\s31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。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。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。 安装调试4.1、元件清单元器件封装参数标识数量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R1~R12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D1~D10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）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AltiumDesigner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Altiumdesigner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