完整版)LED骰子電路設(shè)計

1、目錄第一章 設(shè)計方案 11.1 設(shè)計思路 1第二章 元器件及參數(shù)的選擇 22.1 標(biāo)稱值 . 22.1.1 電容標(biāo)稱值 22.2 色環(huán)電阻的識別 . 22.2.1 四環(huán)電阻 . 32.2.2 五環(huán)電阻 . 32.3 電容. 42.4 二極管 42.4.1 二極管的分類 . 42.4.2 二極管的極性判別 . 42.5 555 定時器 52.5.1 特點功能 52.5.2 555 定時器構(gòu)成多諧振蕩器 . 52.6 CD4017 計數(shù)器 52.6.1 功能符號 6第三章 單元電路設(shè)計方案 73.1 多諧振蕩器 73.2 計數(shù)器部分 . 73.3 LED 顯示部分 7第四章 電路仿真調(diào)試及分析 8

2、4.1 電路仿真 . 84.2 硬件調(diào)試 . 94.2.1 調(diào)試過程 9第五章 總結(jié) 10第一章設(shè)計方案1.1設(shè)計思路骰子是有六個面的正面體，分別刻有 16的數(shù)字?，F(xiàn)在，我們撇開骰子的形狀和和使用 方法來抽象的評價它的功能，那么骰子就是一種從16中隨機的選擇1個數(shù)字的選擇裝置。即我們現(xiàn)在設(shè)計的電骰子。簡單的說，就是當(dāng)按下開關(guān)時，它能夠從16中隨機選擇一個數(shù)字。本系統(tǒng)以NE555勾成的多諧振蕩器和CD4017十進制計數(shù)器/脈沖分配器組成。7顆發(fā)光 二極管模擬骰子的點數(shù)，當(dāng)按下啟動鍵 1秒以上，發(fā)光二極管安骰子的不同點數(shù)高速循環(huán)點 亮，幾秒鐘后循環(huán)速度減慢并最終隨機停止于某個點上。骰子只處理從16

3、的數(shù)字，但是根據(jù)骰子點數(shù)的形狀需要配置 7個LED通過其中某幾個 LED發(fā)光，表現(xiàn)骰子的點數(shù)。7個LED的位置分別用ag字母表示。7個LED發(fā)光的所有組合形式計算起來非常多。 這里僅把其中發(fā)光組合相同的 LED進行分組，表1是LED燈的分組情況。從這個結(jié)構(gòu)看出可 以分成4個組。從表中可以看出如果骰子的3, 4, 5, 6點數(shù)發(fā)光必須要有a和g這兩個LED表1 LED分組情況表編號數(shù)字a4,5,6b6c2,3d1,3,5e2,4,6f6g5,6所以，我們就需要計數(shù)器來控制 LED燈的亮滅。計數(shù)器的計數(shù)動作（計算數(shù)字）由輸入時鐘來決定。就是說，給計數(shù)器輸入時鐘的時間 相當(dāng)于骰子搖動的時間。摁下開關(guān)

4、相當(dāng)于搖動骰子的動作，在時鐘的作用下啟動計數(shù)器，只 有在時鐘控制電路的輸出為“ T時計數(shù)器的輸出才發(fā)生變化。此時骰子在經(jīng)過計數(shù)器的輸出 作用下使LED發(fā)光，10第二章元器件及參數(shù)的選擇2.1標(biāo)稱值標(biāo)稱值的定義是用以標(biāo)志或識別元件、器件或設(shè)備的適當(dāng)近似值”而額定值的定義是一 般由制造廠為元件、器件或設(shè)備在特定運行條件下所規(guī)定的量值”以鉛酸蓄電池為例，其標(biāo)稱 值是ZV標(biāo)稱值:標(biāo)稱在電阻器上的電阻值稱為電阻標(biāo)稱值.單位：Q , k Q , M Q.標(biāo)稱值是根據(jù)國家制定的標(biāo)準(zhǔn)系列標(biāo)注的，不是生產(chǎn)者任意標(biāo)定的.因電阻生產(chǎn)出的實測值與標(biāo)稱值必然有一定的上下偏差，所以不是所有阻值的電阻器都存在.而是規(guī)定了一

5、定的系列值。2.1.1電容標(biāo)稱值【單位pF】39 P 43 P 47 P 51 P 56 P 62 P 68 P 75 P 82 P 91 P 100 P 120 P 150 P180 P 200 P 220 P 240 P 270 P 300 P 330 P 360 P 390 P 470 P 560 P 620 P680 P 750 P【單位nF】1.0 1.2 1.5 1.8 2.2 2.7 3.3 3.9 4.7 5.6 10 15 18 22 27 33 39 56 68 82【單位uF】0.1 0.15 0.22 0.33 0.47 1.0 (1.5) 2.2 2.2色環(huán)電阻的識別

6、色環(huán)電阻是應(yīng)用于各種電子設(shè)備的最多的電阻類型，無論怎樣安裝，維修者都能方便的 讀出其阻值，便于檢測和更換。但在實踐中發(fā)現(xiàn)，有些色環(huán)電阻的排列順序不甚分明，往往 容易讀錯，在識別時，可運用如下技巧加以判斷：技巧1:先找標(biāo)志誤差的色環(huán)，從而排定色環(huán)順序。最常用的表示電阻誤差的顏色是： 金、銀、棕，尤其是金環(huán)和銀環(huán)，一般絕少用做電阻色環(huán)的第一環(huán)，所以在電阻上只要有金 環(huán)和銀環(huán)，就可以基本認(rèn)定這是色環(huán)電阻的最末一環(huán)。技巧2:棕色環(huán)是否是誤差標(biāo)志的判別。棕色環(huán)既常用做誤差環(huán)，又常作為有效數(shù)字環(huán), 且常常在第一環(huán)和最末一環(huán)中同時出現(xiàn)，使人很難識別誰是第一環(huán)。在實踐中，可以按照色 環(huán)之間的間隔加以判別：比如

7、對于一個五道色環(huán)的電阻而言，第五環(huán)和第四環(huán)之間的間隔比 第一環(huán)和第二環(huán)之間的間隔要寬一些，據(jù)此可判定色環(huán)的排列順序。2.2.1四環(huán)電阻四個色環(huán)的其中第一、二環(huán)分別代表阻值的前兩位數(shù)；第三環(huán)代表倍率；第四環(huán)代表誤 差。快速識別的關(guān)鍵在于根據(jù)第三環(huán)的顏色把阻值確定在某一數(shù)量級范圍內(nèi)，例如是幾點幾 K還是幾十幾K的，再將前兩環(huán)讀出的數(shù)代進去，這樣就可很快讀出數(shù)來。第一色環(huán)是十位數(shù)，第二色環(huán)是個位數(shù)，第三色環(huán)是應(yīng)乘顏色次幕顏色次，第四色環(huán)是 誤差率對于4色環(huán)電阻，其阻值計算方法位：阻值=（第1色環(huán)數(shù)值*10+第2色環(huán)數(shù)值）*第3位色環(huán)代表之所乘數(shù)例子： 棕紅紅金其阻值為12X 10A2=1.2K誤差為

8、土 5%誤差表示電阻數(shù)值，在標(biāo)準(zhǔn)值1200上下波動（5%X 1200）都表示此電阻是可以接受的, 即在1140-1260之間都是好的電阻。2.2.2五環(huán)電阻五色環(huán)電阻最后一環(huán)為誤差，前三環(huán)數(shù)值乘以第四環(huán)的10顏色次幕顏色次，其電阻為220X 10A1=2.2K 誤差為土 5%第一色環(huán)是百位數(shù)，第二色環(huán)是十位數(shù)，第三色環(huán)是個位數(shù)，第四色環(huán)是應(yīng)乘顏色次幕顏色次，第五色環(huán)是誤差率。首先，從電阻的底端，找出代表公差精度的色環(huán)，金色的代表5%銀色的代表10% 再從電阻的另一端，找出第一條、第二條色環(huán)，讀取其相對應(yīng)的數(shù)字，以下圖為例，前兩條色 環(huán)都為紅色，故其對應(yīng)數(shù)字為紅 2、紅2,其有效數(shù)是22。再讀取

9、第三條倍數(shù)色環(huán)，黑1。所 以，我們得到的阻值是22x仁22Q。如果第三條倍數(shù)色環(huán)為金色，則將有效數(shù)乘以 0.1。如 果第三條倍數(shù)色環(huán)為銀色，則乘以 0.01 o色環(huán)標(biāo)示主要應(yīng)用圓柱型的電阻器上，如：碳膜電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、 保險絲電阻、繞線電阻。 在早期，一般當(dāng)電阻的表面不足以用數(shù)字表示法時，就會用色環(huán)標(biāo) 示法來表示電阻的阻值、公差、規(guī)格。色環(huán)主要分成兩部分：第一部分：靠近電阻前端的一組是用來表示阻值。兩位有效數(shù)的電阻值，用前三個色環(huán)來代表其阻值，如：39Q, 39KQ, 39血。三位有效數(shù)的電阻值，用前四個色環(huán)來代表其阻值，如：69.8 Q, 698Q, 69.8KQ，般用于精

10、密電阻的表示。第二部分：靠近電阻后端的一條色環(huán)用來代表公差精度。第一部分的每一條色環(huán)都是等距，自成一組，容易和第二部分的色環(huán)區(qū)分。五個色環(huán)電 阻的識別：第一、二、三環(huán)分別代表三位有效數(shù)的阻值；第四環(huán)代表倍率；第五環(huán)代表誤差。 如果第五條色環(huán)為黑色，一般用來表示為繞線電阻器，第五條色環(huán)如為白色，一般用來表示 為保險絲電阻器。如果電阻體只有中間一條黑色的色環(huán)，則代表此電阻為零歐姆電阻。2.3電容常用電容的種類：電解電容、瓷片電容、貼片電容、獨石電容、鉭電容和滌綸電容等。 識別方法：電容的識別方法與電阻的識別方法基本相同，分直標(biāo)法、色標(biāo)法和數(shù)標(biāo)法3種。電容的基本單位用法拉（F）表示，其它單位還有：毫

11、法（mF、微法（uF）、納法（nF）、皮 法（pF）。其中：1法拉=103毫法=106微法=109納法=1012皮法我們常用的電容有：1、 電解電容：多數(shù)在1yF以上，直接用數(shù)字表示。如：4.7卩F、100卩F、220 F等等。 這種電容的兩極有正負(fù)之分，長腳是正極。2、 瓷片電容：多數(shù)在1小 以下，直接用數(shù)字表示。如：10、22、0.047、0.1等等，這里 要注意的是單位。凡用整數(shù)表示的，單位默認(rèn) pF;凡用小數(shù)表示的，單位默認(rèn) 卩F。如以上 例子中，分別是10P、22P、0.047卩F、0.1小等?，F(xiàn)在國際上流行另一種類似色環(huán)電阻的表示方法（單位默認(rèn)pF）：如：“473” 即 47000

12、pF=0.047 卩 F“ 103” 即 10000pF=0.01 H 等等，“xxx第一、二個數(shù)字是有效數(shù)字，第三個數(shù)字代表后面添加0的個數(shù)。這種表示法已經(jīng)相當(dāng)普遍。2.4二極管 2.4.1二極管的分類一構(gòu)造分類二極管1點接觸型二極管2鍵型二極管3合金型二極管4擴散型二極管5臺面型二極管6平面型二極管7合金擴散型二極管8外延型二極管二用途分類二極管1檢波用二極管 2整流用二極管 3限幅用二極管 調(diào)制用二極管 5混頻用二極管 6放 大用二極管7開關(guān)用二極管 8變?nèi)荻O管9頻率倍增用二極管10穩(wěn)壓二極管11發(fā)光二 極管2.4.2二極管的極性判別二極管引腳有正、負(fù)之分，在電路亂接則不能正常工作，重

13、則損壞。二極管判斷方法有:1、根據(jù)標(biāo)注或外形判斷極性。2、用萬用表判斷。2.5 555 定時器2.5.1 特點功能555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀 表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放 電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的 電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為 VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于 VCC

14、/3， 則比較器C2的輸出為0,可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的 電壓大于2VCC/3,同時TR端的電壓大于VCC /3,貝U C1的輸出為0 , C2的輸出為1，可 將 RS 觸發(fā)器置 0 ，使輸出為低電平。2.5.2 555 定時器構(gòu)成多諧振蕩器多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài),只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在電路處 于某一暫穩(wěn)態(tài)后,經(jīng)過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換 而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。接通電源后, 輸出假定是高電平, 則 T 截止,電容 C 充電。充電回路是 VC C R 1 R2 C 地，按指數(shù)

15、規(guī)律上升，當(dāng)上升到2VCC/3時(TH端電平大于Vc),輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。Vo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 Vcc/3時(TH端電平小于Vc),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，經(jīng)分析可得輸出高電平時間 T=(R1+R2)Cln2輸出低電平時間 T=R2Cln2振蕩周期 T=(R1+2R2)Cln22.6 CD4017 計數(shù)器CD4017 是 5 位 Johnson 計數(shù)器，具有 10 個譯碼輸出端， CP、 C R、 INH 輸入端。時 鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時

16、間無限制。INH為低電平時，計數(shù)器在時鐘上升沿計數(shù)；反之，計數(shù)功能無效。 CR 為高電平時，計數(shù)器清 零。譯碼輸出一般為低電平，只有在對應(yīng)時鐘周期內(nèi)保持高電平。在每 10 個時鐘輸入周期 CO 信號完成一次進位，并用作多級計數(shù)鏈的下級脈動時鐘。2.6.1功能符號引出端功能符號：CO:進位脈沖輸出；CP :時鐘輸入端；CR :清除端；INH :禁止端；Q0-Q9計數(shù)脈沖輸出端；VDD:正電源社VSS:地。CD4017 弓腳圖如圖1:Y5 116 VlD1 2和CRY0 3r 14 cpY2 413 INH134017Y6 512 COY7 ft11 Y9YS 71 10 Y4V； 59 YS圖1

17、 CD4017引腳圖第三章 單元電路設(shè)計方案3.1 多諧振蕩器由555定時器和外接元件R1, R2, C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有 穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過 R1,R2向C充電以及 C通過R2向放電端Ct放電，使電路產(chǎn)生振蕩。輸出信號的時間參數(shù)是： T=0.7(R1+2R2)C外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性， 555定時器配以少量的元件即可獲得較高 精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力。因此這種形式的多諧振蕩器應(yīng)用很廣。本次試驗中C為1卩F，R1為10KQ, R2為470KQ，所以，T=0.665s。3.2 計數(shù)器部分CD40

18、17是5位Johnson計數(shù)器，具有10個譯碼輸出端，是十進制計數(shù)器。但是我們只 需要六個狀態(tài)的輸出，這個時候就需要把 Q6接復(fù)位端，此時的CD4017就相當(dāng)于是一個六進 制計數(shù)器。計數(shù)器在CP脈沖上升沿有效時，從000狀態(tài)計數(shù)到101,依此給予Q0Q5高電平。3.3 LED 顯示部分骰子只處理從I到6的數(shù)字。但是根據(jù)LED的配置和骰子點數(shù)的形狀必須有 7個LED 通過其中某幾個LED發(fā)光，表現(xiàn)骰子的點數(shù)。LED的發(fā)光使用CD4017計數(shù)器給予高低電平。當(dāng)加邏輯“ 1”電平時，這個IC的輸出晶 體管導(dǎo)通(“0”電平)。+5V通過LED和電阻接到驅(qū)動IC上。由于使用了 470Q和100Q的限 流

19、電阻，所以流過LED的電流約為6mA第四章電路仿真調(diào)試及分析4.1電路仿真以只對電骰子電路的部分電路進行仿真。其電路仿真是采用Proteus仿真軟件進行的，其仿真電路圖如圖2所示，仿真波形如圖3所示。圖3上為NE555產(chǎn)生的波形，下為CD4017 計數(shù)器的輸出波形圖3仿真波形圖4.2硬件調(diào)試圖4硬件電路實物圖4.2.1調(diào)試過程打開電源開關(guān)提供+5V電壓，接通開關(guān)LED燈循環(huán)閃爍，當(dāng)斷開開關(guān)后 LED陣列顯示電 骰子16之間任意數(shù)(如“ 2”，與設(shè)想結(jié)果相符。如果LED得發(fā)光和骰子的點數(shù)不一致，可以認(rèn)為是譯碼器邏輯的連接錯誤或者計數(shù)器復(fù)位電 路出現(xiàn)錯誤。如果LED得閃光過快或者過慢，可以通過改變 555振蕩電路R1(10k)、R2 (470k)或者 電容C2( 1uF)的值進行調(diào)節(jié)。希望改變從斷開開關(guān)到LED停止閃光的時間時，可以通過改變時鐘開關(guān)電路的R3電阻(470k，或者C5電容(470uF)來實現(xiàn)。電阻和電容的值越大，延 遲時間越長。第五章總結(jié)從本次