LED骰子電路設(shè)計(jì)

1、目錄第一章 設(shè)計(jì)方案11.1設(shè)計(jì)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(shí)器52.5.1 特點(diǎn)功能52.5.2 555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器52.6 CD4017計(jì)數(shù)器52.6.1 功能符號6第三章 單元電路設(shè)計(jì)方案73.1多諧振蕩器73.2 計(jì)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84.1 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(jì)方案1.1設(shè)計(jì)

2、思路 骰子是有六個(gè)面的正面體，分別刻有16的數(shù)字。現(xiàn)在，我們撇開骰子的形狀和和使用方法來抽象的評價(jià)它的功能，那么骰子就是一種從16中隨機(jī)的選擇1個(gè)數(shù)字的選擇裝置。即我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)的電骰子。簡單的說，就是當(dāng)按下開關(guān)時(shí)，它能夠從16中隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)字。本系統(tǒng)以NE555構(gòu)成的多諧振蕩器和CD4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器脈沖分配器組成。7顆發(fā)光二極管模擬骰子的點(diǎn)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(diǎn)數(shù)高速循環(huán)點(diǎn)亮，幾秒鐘后循環(huán)速度減慢并最終隨機(jī)停止于某個(gè)點(diǎn)上。骰子只處理從16的數(shù)字，但是根據(jù)骰子點(diǎn)數(shù)的形狀需要配置7個(gè)LED。通過其中某幾個(gè)LED發(fā)光，表現(xiàn)骰子的點(diǎn)數(shù)。7個(gè)LED的位置分別用ag字母表

3、示。7個(gè)LED發(fā)光的所有組合形式計(jì)算起來非常多。這里僅把其中發(fā)光組合相同的LED進(jìn)行分組，表1是LED燈的分組情況。從這個(gè)結(jié)構(gòu)看出可以分成4個(gè)組。從表中可以看出如果骰子的3，4，5，6點(diǎn)數(shù)發(fā)光必須要有a和g這兩個(gè)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(jì)數(shù)器來控制LED燈的亮滅。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)動作（計(jì)算數(shù)字）由輸入時(shí)鐘來決定。就是說，給計(jì)數(shù)器輸入時(shí)鐘的時(shí)間相當(dāng)于骰子搖動的時(shí)間。摁下開關(guān)相當(dāng)于搖動骰子的動作，在時(shí)鐘的作用下啟動計(jì)數(shù)器，只有在時(shí)鐘控制電路的輸出為“1”時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出才發(fā)生變化。此時(shí)骰子在經(jīng)過計(jì)數(shù)器的輸出作用下使

4、LED發(fā)光， 1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(yùn)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: , k, M.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(shí)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

5、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) 2.22.2 色環(huán)電阻的識別色環(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(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，有些色環(huán)電阻的排列順序不

6、甚分明，往往容易讀錯(cuò)，在識別時(shí)，可運(yùn)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(shí)出現(xiàn)，使人很難識別誰是第一環(huán)。在實(shí)踐中，可以按照色環(huán)之間的間隔加以判別：比如對于一個(gè)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。22.2.1四環(huán)電阻 四個(gè)色環(huán)的其中第一、

7、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?？焖僮R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(diǎn)幾K、還是幾十幾K的，再將前兩環(huán)讀出的數(shù)"代"進(jìn)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(gè)位數(shù)，第三色環(huán)是應(yīng)乘顏色次冪顏色次，第四色環(huán)是誤差率對于4色環(huán)電阻，其阻值計(jì)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12×102=1.2K 誤差為±5%誤差表示電阻數(shù)值，在標(biāo)準(zhǔn)值1200上下波動（5%×1200）都表示此電阻是可以接受的，即在114

8、0-1260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顏色次冪顏色次，其電阻為 220×101=2.2K 誤差為±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(gè)位數(shù)，第四色環(huán)是應(yīng)乘顏色次冪顏色次，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。再讀取第三條倍數(shù)色環(huán)，黑1。所以，我們得到的阻值是22x1=22。 如果第三條倍數(shù)色環(huán)為金色，則

9、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。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(xiǎn)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(shí)，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(gè)色環(huán)來代表其阻值，如：39，39K，39M。三位有效數(shù)的電阻值，用前四個(gè)色環(huán)來代表其阻值，如：69.8，698，69.8K，一般用于精密電阻的表示。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

10、的色環(huán)區(qū)分。五個(gè)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(xiǎn)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。32.3 電容常用電容的種類：電解電容、瓷片電容、貼片電容、獨(dú)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

11、我們常用的電容有： 1、 電解電容：多數(shù)在1F以上，直接用數(shù)字表示。如：4.7F、100F、220F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1F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)F。如以上例子中，分別是10P、22P、0.047F、0.1F等。 現(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47000pF=0.047F “103”即10000pF=0.01F等等， “XXX”第一、二個(gè)數(shù)字是有效數(shù)字，第三個(gè)數(shù)字代表后面添加0的個(gè)數(shù)。

12、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)造分類二極管點(diǎn)接觸型二極管 鍵型二極管 合金型二極管 擴(kuò)散型二極管 臺面型二極管 平面型二極管 合金擴(kuò)散型二極管 外延型二極管二 用途分類二極管檢波用二極管 整流用二極管 限幅用二極管 調(diào)制用二極管 混頻用二極管 放大用二極管 開關(guān)用二極管 變?nèi)荻O管 頻率倍增用二極管 穩(wěn)壓二極管 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。42.5 555定時(shí)器2.5.1 特點(diǎn)功能 555定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電

13、阻、電容，就可以實(shí)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(shí)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(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)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(shí)，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 /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(shí) TR 端的電壓大于VCC /3，則 C

14、1 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(shí)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(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過一段時(shí)間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個(gè)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VCCR1R2C地，按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)上升到2Vcc/3時(shí)（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CR2T地，按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到Vcc/3時(shí)（TH、端電平小于Vc），

15、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(shí)間 T=(R1+R2)Cln2輸出低電平時(shí)間T=R2Cln2振蕩周期 T=(R1+2R2)Cln22.6 CD4017計(jì)數(shù)器CD4017 是5 位Johnson 計(jì)數(shù)器，具有10 個(gè)譯碼輸出端，CP、CR、INH 輸入端。時(shí)鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無限制。INH 為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)；反之，計(jì)數(shù)功能無效。CR 為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。譯碼輸出一般為低電平，只有在對應(yīng)時(shí)鐘周期內(nèi)保持高電平。在每10 個(gè)時(shí)鐘輸入周期CO 信號完成一次進(jìn)位，并用作多級計(jì)

16、數(shù)鏈的下級脈動時(shí)鐘。52.6.1 功能符號 引出端功能符號：CO：進(jìn)位脈沖輸出；CP：時(shí)鐘輸入端；CR：清除端；INH：禁止端；Q0-Q9 計(jì)數(shù)脈沖輸出端；VDD：正電源；VSS：地。CD4017引腳圖如圖1：圖1 CD4017引腳圖6第三章 單元電路設(shè)計(jì)方案3.1多諧振蕩器 由555定時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)器配以少

17、量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強(qiáng)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(yàn)中C為1F，R1為10K，R2為470K，所以，T=0.665s。3.2 計(jì)數(shù)器部分 CD4017 是5 位Johnson 計(jì)數(shù)器，具有10 個(gè)譯碼輸出端，是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。但是我們只需要六個(gè)狀態(tài)的輸出，這個(gè)時(shí)候就需要把Q6接復(fù)位端，此時(shí)的CD4017就相當(dāng)于是一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器在CP脈沖上升沿有效時(shí)，從000狀態(tài)計(jì)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l到6的數(shù)字。但是根據(jù)LED的配置和骰子點(diǎn)數(shù)的形狀必須有7個(gè)LED。通過其中某幾個(gè)LED發(fā)光，表現(xiàn)骰子的

18、點(diǎn)數(shù)。LED的發(fā)光使用CD4017計(jì)數(shù)器給予高低電平。當(dāng)加邏輯“1”電平時(shí)，這個(gè)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470和100的限流電阻，所以流過LED的電流約為6mA。7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(jìn)行仿真。其電路仿真是采用Proteus仿真軟件進(jìn)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(jì)數(shù)器的輸出波形。圖2 仿真電路圖圖3 仿真波形圖84.2 硬件調(diào)試圖4 硬件電路實(shí)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(diǎn)數(shù)不一致，可以認(rèn)為是譯碼器邏輯的連接錯(cuò)誤或者計(jì)數(shù)器復(fù)位電路出現(xiàn)錯(cuò)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(jìn)行調(diào)節(jié)。希望改變從斷開開關(guān)到LED停止閃光的時(shí)間時(shí)，可以通過改變時(shí)鐘開關(guān)電路的R3電阻（470k）或者C5電容（470uF）來實(shí)現(xiàn)。電阻和電容的值越大，延遲時(shí)間越長。9第五章 總結(jié)從本次課程設(shè)計(jì)中，我們