基于555和CD4017的流水燈課程設(shè)計

1、電子技術(shù)基礎(chǔ) 課程設(shè)計任務(wù)書20152016學(xué)年 第一學(xué)期第17周18周題目用555與CD4017制作循環(huán)彩燈內(nèi)容及要求 1、要求用555芯片和CD4017芯片 2、10個發(fā)光二極管依次發(fā)光進度安排1、方案論證 2天2、分析、設(shè)計、 3天3、焊接、調(diào)試、實現(xiàn) 3天4、檢查、整理、寫設(shè)計報告、小結(jié) 2天學(xué)生姓名：蔣焱、付士山村指導(dǎo)時間12月28日29日1月4日7日指導(dǎo)地點： F 樓 308室任務(wù)下達2015年12月28日任務(wù)完成2016年1月8日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4.其它指導(dǎo)教師系（部）主任注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課

2、程設(shè)計結(jié)束后與“課程設(shè)計小結(jié)”、“學(xué)生成績單”一并交院教務(wù)存檔。4一、 總體的設(shè)計方案與選擇1 1.1、原理方案的構(gòu)思1 1.1.1、555原理簡介1 1.1.2、CD4017簡介1 1.2、總體方案的確定2 1.2.1、555管腳參數(shù)2 1.2.2、555工作方式與接線3 1.2.3、CD4017管腳參數(shù)3 1.2.4、CD4017直流電氣特性4 1.2.5、CD4017工作方式與接線4 1.3、元器件的選擇及參數(shù)計算6 1.3.1、555參數(shù)計算6 1.3.2、CD4017參數(shù)計算6 1.4、總體電路草圖6二、 總體電路圖及印刷版圖及相關(guān)說明7 2.1、總體電路圖7 2.2印刷電路板圖8三

3、、 計算機仿真及相關(guān)說明8 3.1、計算機仿真電路8 3.2計算機仿真波形圖10 3.3仿真結(jié)果10四、 安裝調(diào)試11 4.1、元件清單11 4.2、元件引腳識別11 4.3、元件的檢測11 4.4、調(diào)試步驟13 4.5、所用儀器儀表14 4.6、實物圖14五、 心得體會16 5.1、13048119心得體會16 5.2、13048115心得體會17六、 參考文獻181、 總體的設(shè)計方案與選擇1.1、原理方案的構(gòu)思 1.1.1、555原理簡介555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件,芯片如圖1-1所示。一般用雙極型（TTL）工藝制作的稱為 555，用 互補金屬氧化物（CMOS ）

4、工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應(yīng)的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。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)多種功能。555芯片的基本功能有多諧振蕩器、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。本次實驗使用的功能為多諧振蕩器輸出矩形波信號。 圖 0-1 555芯片 圖 0-2 CD4017芯片 1.1.2、

5、CD4017簡介CD4017是5位Johnson計算器，具有10個譯碼輸出端，CP，CR，INH輸入端,芯片如圖1-2所示。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間無限制。INH為低電平時，計算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。Johnson計數(shù)器，提供了快速操作，2輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。防鎖選通，保證了正確的計數(shù)順序。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。本次實驗將555芯片的輸出端與CD4017的時鐘端相連，將555芯片輸出的矩

6、形波信號作為CD4017的時鐘信號。1.2、總體方案的確定 1.2.1、555管腳參數(shù)Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。Pin 2 (觸發(fā)點) -這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。Pin 3 (輸出) -當(dāng)時間周期開始555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 (控

7、制) -這個接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。Pin 7 (放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。Pin 8 (V +)-這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。參數(shù)功能供應(yīng)電壓4.5-18V供應(yīng)電流10-15ma輸出電流22

8、5mA (max)上升/下降時間100 ns 1.2.2、555工作方式與接線555芯片的工作方式為多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器?！岸嘀C”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在工作時，電路的狀態(tài)在這兩個暫穩(wěn)態(tài)之間自動地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號，常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號。用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如圖1-3所示：接通電源后，假定是高電平，則T截止，電容C充電。充電回路是VCCR1R2 C地，按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)上升到時（TH、端電平大于），輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。是低電平，T導(dǎo)通，

9、C放電，放電回路為CR2T地，按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到時（TH、端電平小于），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。輸出高電平時間 T1=(R1+R2)Cln2 輸出低電平時間T2=R2Cln2 振蕩周期 T=(R1+2R2)Cln2 輸出方波的占空比 為 圖 0-3 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器 圖 1-4 多諧振蕩器電容充、放電及輸出波形 1.2.3、CD4017管腳參數(shù)CP (Pin14)，為頻率信號的輸入腳。  Q1-Q9 (Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，為*后的時進制輸出接腳，被計數(shù)到的值，其輸出為Hi，其余為

10、Lo 電位。 CO（Pin12），進位腳，當(dāng)4017計數(shù)10個脈沖之后，CARRY OUT將輸出一個脈波，代表產(chǎn)生進位，共串級計數(shù)器使用。 D、 控制腳： CR (Pin15)：清除腳或稱復(fù)位(Reset)腳，當(dāng)此腳為Hi時，會使CD4017的Q0為”1”，其余Q1-Q9為”0”。 INH (Pin13)，時序允許腳，當(dāng)此腳為低電位，CLOCK輸入脈波在正緣時，會使CD4017計數(shù)，并改變Q1-Q9的輸出狀態(tài)。 1.2.4、CD4017直流電氣特性表 1-1 CD4017直流電氣特性表 1.2.5、CD4017工作方式與接線

11、CD4017的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。當(dāng)復(fù)位端CR加上高電平和正脈沖時，輸出端Q0為高電平，其余9個輸出端Q0Q9均為低電平。時鐘輸出端CP對輸入時鐘脈沖的上升沿計數(shù)，INH則對時鐘脈沖的下降沿計數(shù)。Q0Q9這10個輸出端的輸出狀態(tài)分別與輸入的時鐘個數(shù)相對應(yīng)。如從0開始計數(shù)，則輸入到第1個時鐘脈沖時，Q1就變成高電平，輸入第2個時鐘脈沖時，Q2變成高電平直到輸入第10個時鐘脈沖，Q0變?yōu)楦唠娖健Ｍ瑫r，進位端C0就輸出一個進位脈沖，作為下一級計數(shù)的時鐘信號。CR為復(fù)位端，也為清零端。當(dāng)CR輸入高電平時，電路復(fù)位，即輸出端Q0為高電平，Q1Q9為低電平。如此反復(fù)，只要555芯片的3腳送來的二進制信

12、號不消失，CD4017將二進制信號轉(zhuǎn)換為十進制信號的計碼工作就會反復(fù)進行下去。  由此可知，CD4017的接線方式如圖1-6所示：14腳接555芯片的3腳，13、15、16腳接地，1、2、3、4、5、6、7、9、10、11腳接LED燈正極，12腳懸空。 圖 1-5 CD4017內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖 1-6 CD4017連線圖1.3、元器件的選擇及參數(shù)計算 1.3.1、555參數(shù)計算由圖1-3可知對于555芯片需要確定的主要參數(shù)為R1、R2的阻值以及電容C的容值。在這里我們?nèi)1=2.2K，R2=47K，C=1uF，則輸出高電平時間 T1=(R1+R2)Cln2=（2.2+47）*1

13、* ln2=0.034s 輸出低電平時間 T2=R2Cln2 =47*1* ln2=0.033s振蕩周期 T=(R1+2R2)Cln2=（2.2+2*47）*1* ln2=0.067s輸出方波的占空比為D=Tph/T=(R1+R2)/(R1+2R2)=(2.2+47)/(2.2+2*47)=0.511.3.2、CD4017參數(shù)計算由表1-1可知，在VDD=5V的情況下，CD4017的輸出電壓也約為5V。為了保護LED不被燒毀，需要串聯(lián)限流電阻，我們?nèi)‰娮枳柚禐?00，則發(fā)光二極管導(dǎo)通時電壓V 2V發(fā)光二極管導(dǎo)通時D1D10的電流Io=（5-2）/300=10mA1.4、總體電路草圖圖 1-7

14、總體電路草圖2、 總體電路圖及印刷版圖及相關(guān)說明2.1、總體電路圖圖 2-1 總體電路原理圖說明：所用芯片為NE555P及CD4017BMJ。R1阻值為2.2K，R2阻值為47K，R3R12阻值為300。C1是容值為1uF的瓷片電容，C2是容值為0.01uF的電解電容。2.2、印刷電路板圖圖 2-1 印刷電路板圖說明：U1為555芯片，封裝為P008；2為CD4017芯片，封裝為J16A；C1為瓷片電容，C2為點解電容。3、 計算機仿真及相關(guān)說明3.1、計算機仿真電路圖 3-1 仿真例圖（1）圖 3-2 仿真例圖（2）圖 3-3 仿真例圖（3）說明：圖3-1、3-2、3-3都為multisim

15、軟件仿真過程截圖，以三盞燈點亮?xí)r的截屏代表所有燈被依次點亮。4、 3.2計算機仿真波形圖 圖 3-4 示波器的仿真波形說明：圖3-4為仿真中的示波器的波形。通道A接CD4017的14號腳，通道B接CD40173號腳。分別表示CD4017的時鐘信號及LED2的輸入信號。3.3仿真結(jié)果開啟仿真后，通過示波器顯示NE555輸出方波，正常工作。發(fā)光二極管依次點亮，通過萬用表測得其導(dǎo)通壓降1V，導(dǎo)通電流為21mA，CD4017也正常工作。 5、 安裝調(diào)試4.1、元件清單元器件封裝參數(shù)標(biāo)識數(shù)量CapRAD-0.31uFC11Cap Pol2RB5-10.50.01uFC21LED0LED-0D1, D2,

16、 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 元器件清單表4.2、元件引腳識別 4.2.1、芯片管腳識別對于直插式封裝的芯片（在本次實驗中即555芯片及CD4017芯片）來說，從芯片正面看，把芯片的半圓凹陷處當(dāng)作上方，從左上角開始為一號管腳，右上角為最后一個管腳（555為8號、CD4017為16號）。圖1-1和1-2分別為555芯片及CD401

17、7芯片引腳圖。 4.2.2、其他元器件的管腳識別對于其他器件來說，管腳同樣需要識別。對于電阻R1R12及瓷片電容C1來說，它們都是無極性器件，管腳沒有正負之分，可隨意連接。對于點解電容C2及發(fā)光二極管D1D10來說，它們都是有極性器件，其中長管腳為正極，短管腳為負極，在識別及接線時需注意。4.3、元件的檢測在焊接之前，我們需要檢測器件是否能正常工作，本次實驗中則主要是檢查電阻及LED。通過萬用表的不同點阻擋，將表筆接在電阻兩端確認各個阻值的電阻是否正常；通過萬用表的蜂鳴檔，將紅表筆接LED正極，黑表筆接LED負極，確認LED能正常發(fā)光。4.4、調(diào)試步驟在焊接完成之后，用萬用表蜂鳴檔檢測各電路是

18、否像電路圖一樣連接沒有通斷異常，檢測電路中極性電容，發(fā)光二極管的極性是否連接正確。然后通電，用示波器檢測充放電電容C1兩端的波形確定其能正常充放電，并用示波器檢測NE555的輸出波形是方波確定NE555正常工作，并通過萬用表檢測發(fā)光二極管兩端的電壓、電流確定發(fā)光二極管是否在額定的狀態(tài)下工作。調(diào)試完成后上電時實驗現(xiàn)象應(yīng)該是發(fā)光二極管依次正常點亮，形成流水燈的效果。如果沒有正常工作，檢查元件的極性是否和電路圖上的一致，若流水燈點亮的頻率過快或過慢，就需要更換NE555連接的電阻的阻值以及充放電電容的容值來改變NE555的輸出方波的脈沖頻率。如果發(fā)光二極管點亮?xí)r發(fā)的光過亮或過暗，就需要更換發(fā)光二極管

19、所連的下拉電阻的阻值來調(diào)整發(fā)光二極管的亮度。4.5、所用儀器儀表萬用表x1；示波器x1；直流電源x1；4.6、實物圖圖 4-1 電路板背面圖圖 4-2 電路板正面圖（1）圖 4-3 電路板正面圖（2）圖 4-4 電路板正面圖（3）5、 心得體會5.1、 13048119心得體會經(jīng)過這次電子課程設(shè)計，我們學(xué)到了許多知識，像NE555的多諧振蕩器電路，十位計數(shù)器CD4017的使用，對于知識的積累有很大的幫助。在原理設(shè)計過程中我們提高了自己查找資料并進行設(shè)計的能力，并設(shè)計了原理電路，而在之后的仿真過程中，我們學(xué)會使用Multisim軟件來仿真，并通過仿真來調(diào)整自己的原理電路，對原本設(shè)置不合理的元件參

20、數(shù)進行修正,還因為是用1個下拉電阻一條主路還是10個下拉電阻分別接在支路兩種方案進行仿真最終選擇了更穩(wěn)定的后者，仿真完成后我們還使用了Altium Designer來制作原理圖和PCB板圖。在理論步奏完成后，我們開始焊接電路，雖然電路圖比較簡單，但要使發(fā)光二極管依次點亮達到流水燈的效果，因CD4017管腳的排布讓我們動了一番腦筋才盡量減少了CD4017到發(fā)光二極管的跳線問題。焊接過程的時間在整個課設(shè)中花了比較長的時間才焊好，其中還因為元件的替換返工了幾次，不過努力總有回報，耐心的焊接過程使得我們在調(diào)試過程相對輕松一些，上電后測得得幾個參數(shù)都基本符合理論值，NE555能夠正常輸出方波，而CD4017所連接的發(fā)光二極管也能夠正常地工作，我們心滿意足地實現(xiàn)了預(yù)期的實驗現(xiàn)象，達成的預(yù)定的目標(biāo)，而在這過程中，我們發(fā)現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的重要性：將所學(xué)習(xí)的電子知識有效的運用在實際的電路中并實現(xiàn)預(yù)期的目的。這對于今后的學(xué)習(xí)、實踐都有很大的幫助。5.2、13048115心得體會這是我們做的第一次課程設(shè)計，感受到了很多跟平時做實驗的時候不