课程设计-双色花样流动灯

课程设计说明书

设计题目：　　 双色花样流动灯

系    别：　　 应用电子与通信技术系

班    级：　　 0792111

学生姓名：     高 飞

指导教师：     梁 舒

成    绩：

2010 年 4月15日

课 程 设 计 任 务 书 

第1章 绪论…………………………………………………… 1

1.1 课题背景……………………………………………… 1

1.2 设计要求……………………………………………… 1

第2章 方案选择……………………………………………… 2

2.1 方案一………………………………………………… 2

2.2 方案二………………………………………………… 3

2.3 方案选定……………………………………………… 4

第3章 电路的方框图………………………………………… 5

3.1 电路的框图…………………………………………… 5

3.2 电路框图的原理……………………………………… 5

第4章 单元电路与器件的选择 ………………………………6

4.1 多谐振荡器NE555 ……………………………………6

4.2 十进制计数器CD4017…………………………………7

4.3 LED双色二极管显示电路 ……………………………8

第5章 整体电路的工作原理…………………………………10

5.1 整机电路的组成………………………………………10

5.2 整机电路原理…………………………………………10

第6章 电路的组装调试………………………………………12

6.1 元器件的检测…………………………………………12

6.2 电路的组装与调试……………………………………12

6.3 合理布局………………………………………………12

结论…………………………………………………………… 13

收获和体会…………………………………………………… 14

致谢…………………………………………………………… 15

参考文献……………………………………………………… 16

附录…………………………………………………………… 17

第1章 绪论

1.1 课题背景

在科学技术高速发展的今天，电子产品已经越来越多的走进了大众的生活。在节假日期间人们都想把自己的家里布置的漂亮一些，这样不仅具有节日的气氛，也让我们的心情更加舒畅。

双色花样流动灯电路是一例由两只十进制计数/脉冲分配器CD4017并联驱动10只双色发光二极管，实现流动闪光的控制电路。两只十进制计数器CD4017共同由一只脉冲振荡器NE555提供时钟脉冲，通过输出电路与双色发光二极管的不同方式的连接和调节振荡脉冲频率，使双色发光二极管以不同的发光颜色和不同的流动速度发出闪光。这只是一个模型，我们可以通过扩展芯片和双色灯的样式，制成各式各样的节日彩灯。

1.2 设计要求    

1.2.1 设计题目和设计指标

设计题目:双色花样流动灯

设计指标:

1.脉冲可调。

2.呈现复杂的双色花样流动效果。

1.2.2 设计功能

接通电源后，IC2、IC3的Q0～Q9均输出低电平，LED1～LED10均熄灭。当有时钟脉冲加至IC2与IC3的CP端后，它们的输出端Q0～Q9依次输出高电平。在IC2 、IC3输入的前5个脉冲期间，在LED1～LED5中呈现的是一个红色光点在移动。在6～10个脉冲期间，在LED1～LED5中呈现出的是一个绿色的光点移动LED6～LED10中，开始输人的前5个脉冲期间，LED6～LED10中呈现出的是绿色光点在移动，在6～10个脉冲期间，在LED6～LED10中呈现出的是一个红色光点在移动。当输入第11个脉冲以后，电路的发光状态重复上述过程。

第2章 方案选择

拿到课题后在组员的商议下决定分成2组去寻找资料以及电路图。在一天的查找和搜集后，我们找到了2套方案。

2.1 方案一

采用如图2-1所示来设计电路。

特点：电路实现方便、设计思路明确、布线简单、电路的稳定性高、调试简单、易于实现要求。

图2-1电路原理图

双色花样流动彩灯电路工作原理：分析电路，由NE555、R1、RP1及C1组成低频率的脉冲振荡器，通过RP1可调节振荡器的输出脉冲频率。由振荡器输出的脉冲被同时加至两只CD4017的CP端，使两只CD4017的输出端按照输入脉冲的频率依次输出高电平。        

IC2与IC3分别与10个双色发光二极管的一个极连接，但它们的连接方式并不是依次顺序连接，而是采用以下连接方式: IC2 的5个输出端Q0～Q4与IC3的5个输出端Q5～Q9 相对应，各与5只双色发光二极管LED1～LED5的R、G极分别连接；IC2的另5个输出端Q5～Q9与IC3的另5个输出端各与另5个双色发光二极管LED6～LED10的R、G极分别连接。

接通电源后，IC2、IC3的Q0均输出高电平，其余各输出端均为低电平。在IC2、IC3输入的前5个脉冲期间LED1～LED5中呈现的是一个绿色光点在黑色背景中移动。在6～10个脉冲期间，在LED1～LED5中呈现出的是一个红色的光点在一个黑色的背景中移动;而在LED6～LED10中，则先是只有一个红色光点在黑暗背景中移动，接着是绿色灯在黑色背景中移动。当输入第11个脉冲以后，电路的发光状态重复上述过程。

2.2 方案二

采用如图2-2所示来设计电路。

特点：电路调试复杂、布线困难、稳定性差、电路复杂但整体上能实现三色光的流动。

图2-2电路原理图

双色花样流动彩灯电路工作过程:接通电源后，IC2、IC3的Q0均输出高电平，其余各输出端均为低电平。这时，在LED1～LED5中，除了LED1发绿光外，LED2～LED5均发橙光；在LED6～LED10中，除了LED6发绿光外，其余LED7～LED10均不发光。   

当有时钟脉冲加至IC2与IC3的CP端后，它们的输出端Q0～Q9依次输出高电平。在IC2、IC3输入的前5个脉冲期间LED1～LED5中呈现的是一个绿色光点在橙色背景中移动。在6～10个脉冲期间，在LED1～LED5中呈现出的是一个红色的光点在一个橙色的背景中移动;而在LED6～LED10中，则只有一个红色光点在黑暗背景中移动。当输入第11个脉冲以后，电路的发光状态重复上述过程。

2.3 方案选定

由电路的要求可以看出此电路的设计并不是很复杂，并且2套方案都能实现电路的要求，考虑到电路的性能、成本以及调试等方面后，我们决定采用方案一。

第3章 电路的方框图

3.1 电路方框图

根据课题设计技术指标的要求，该电路主要由多谐振荡器、十进制计数器、LED双色发光二极管显示方框图如图3-1所示： 

  图3-1电路方框图 

3.2 电路的工作原理

    两只驱动电路CD4017共同由一只NE555组成的脉冲振荡器产生的脉冲提供时钟脉冲，通过输出电路与双色发光二极管的不同方式的连接和振荡脉冲频率的调节，使双色发光管以不同的流动速度和不同的发光颜色发出闪光。

第4章 单元电路与器件的选择

4.1多谐振荡器NE555

多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。

　　由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。

　　由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=（R1＋R2）C。

　　由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态。其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。图1（b）所示为工作波形。

图4-1 （a）555定时器构成的多谐振荡器电路     (b)工作波形

根据UC的波形波形可以确定振荡周期:T = TPH + TPL

TPH对应的充电时间:TPH = 0.7( R1 + R2 )C

TPL对应放电时间:TPL = 0.7R2 C

振荡周期:T = TPH + TPL =0.7(R1 + 2R2 )C

振荡频率:f = 1/T

NE555的指标及引脚图如下：

工作频率:0Hz～1000Hz

工作电流:200mA

工作电压5V～15V

图4-2 NE555引脚图

4.2十进进制计数器CD4017

数字电路CD4017是十进制计数／分频器，它的内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是Q0、Q1、Q2、…、Q9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。

CD4017有10个输出端（Q0～Q9）和1个进位输出端。每输入10个计数脉冲，就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。

CD4017有3个输（MR、CP0和CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出Q0为高电平，其余输出端（Q1～Q9）均为低电平。CP0和CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由CPl端输入。设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。 由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。

CD4017有两个时钟端CP和EN，若用时钟脉冲的上沿计数，则信号从CP端输入；若用下降沿计数，则信号从EN端输入。设置两个时钟端是为了级联方便。如图4-3是CD4017的指标及引脚图

工作电压：3V～15V 

图4-3CD4017的引脚图

4.3 LED双色二极管显示电路

发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。我们最常用的LED是InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。

双色发光二极管内部其实是两个管芯；一般是三个引出线，有共阴和共阳两种封装。

图4-4三端变色发光二极管的外形图和电路图形符号

第5章 整机电路的组成

5.1整机电路

图5-1电路原理图

整机电路原理图如图5-1所示

5.2整机电路原理

电路主要由两只十进制计数器CD4017组成，两计数器的每一个输出端共同驱动一只双色发光二极管，通过输出端与发光二极管的交叉连接，在时钟脉冲的作用下，两计数器输出的脉冲使双色发光二极管呈现出复杂的流动花样变化。在NE555制造的双色花样流动灯电路中，NE555与R1、RP1及C1组成低频率的脉冲振荡器，通过RP1可调节振荡器的输出脉冲频率。由振荡器输出的脉冲被同时加至两只CD4017的CP端，使两只CD4017的输出端按照输入脉冲的频率依次输出高电平。 

    IC2与IC3分别与10个双色发光二极管的一个极连接，但它们的连接方式并不是依次顺序连接，而是采用以下连接方式: IC2的5个输出端Q0～Q4与IC3的5个输出端Q5～Q9相对应，各与5只双色发光二极管LED1～LED5的R、G极分别连接；IC2的另5个输出端Q5～Q9与IC3的另5个输出端各与另5个双色发光二极管LED6～LED10的R、G极分别连接。接通电源后，IC2、IC3的Q0均输出高电平，其余各输出端均为低电平。这时，在LED1～LED5中，除了LED1发绿光外，LED2～LED5均发橙光；在LED6～LED10中，除了LED6发绿光外，其余LED7～LED10均不发光。  

　　当有时钟脉冲加至IC2与IC3的CP端后，它们的输出端QO～Q9依次输出高电平。在IC2、IC3输入的前5个脉冲期间LED1～LED5中呈现的是一个绿色光点在橙色背景中移动。在6～10个脉冲期间，在LED1～LED5中呈现出的是一个红色的光点在一个橙色的背景中移动;而在LED6～LED10中，则只有一个红色光点在黑暗背景中移动。当输入第11个脉冲以后，电路的发光状态重复上述过程。

第6章 电路的组装调试

6.1元器件的检测

电路组装调试之前首先要对所用元器件进行检测，判断元器件的好坏和确定元器件的引脚及极性。

6.2电路的组装与调试

检测万元器件好坏和极性后便可组装电路了，根据电路原理图在面包板上搭接电路，在搭接电路时要注意芯片的位置与引脚功能，以及三极管的极性，避免在调试过程中损坏元器件。搭接完毕后就可进行调试了，在调试过程中要注意电源线与地线的连接，以及各芯片的工作电压。

6.3合理布局

电路在安装前要将各级进行合理布局，一般我们本着以下原则：

1.了解元件管脚功能。

2.布线尽可能少，并尽量减少交叉，要求规律有制。

3.电源线用红线，地线用黑线。

4整体电路美观大方。

注意事项：

1．电路板各个所用电源，地都连起来。

2．防止接线短路

3．元件不可接反、接错。

结    论

通过我们的付出与努力，在规定的时间内完成了本次的设计，并且达到了预期的效果，实现了基本功能和各项指标。但是在设计的过程中也不是一帆风顺的！电路搭接完后功能不能实现，遇到了许多的问题，但是我们并没有就此放弃，而是耐心的对电路一部分一部分进行排查。在检查的过程中，发现了个别元件没有接地、芯片位置插错、接线错位的现象，从而导致了电路没有接通通。然后把该接地的地方接地，接电源的地方接好，电路就正常工作了，并且达到了预期的效果，实现了电路要求的功能和各项指标。

收获与体会

电子线路课程设计是学习阶段一次非常难得的将理论与实际相结合的学习机会，通过此次比较系统而全面的电子线路课程设计，我纠正了只需要学习理论知识的错误思想，在实际设计的过程中不仅锻炼了我综合运用所学专业基础知识的能力，更锻炼了我解决实际问题的能力，同时也提高了我查阅资料、电脑绘图以及应变能力，更强的沟通力和理解力，而且通过对不同设计方案的权衡利弊，对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的处理等，都使我得到了锻炼，增长了专业知识经验。

虽然最后选定的设计方案很繁琐，但是过程的繁琐给了我的收获却是非常丰富的。比如：不同集成模块的适用条件，各种元件的选用标准，各种模块的引脚连接方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。而和老师的交流与沟通更使我从细节角度对设计有了新的认识也对自己有了更高的要求，通过这次电子线路课程设计让我提前了解了这些知识，这是很珍贵的。

课题下来后，经过一天的查阅文献、资料，组员们的认真讨论及反复论证最终从两个方案中选出了一个合适的方案。针对所设计的电路进行分析和阅读相关资料，主要用到以前学过的《数字电子电路》，《模拟电子电路》等知识，买来了元器件后我们并没有急着搭接电路，而是对电路所需的元器件挨个尽行检测，之后才进行组装电路和调试电路。

在搭接电路的过程中我深深的明白了“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”的深刻含义，NE555与CD4017的引脚连接并没有看起来那么容易，电路的连线非常复杂，但是我们仍然耐心、细致的搭接好了电路，可是问题再一次出现了，功能不能实现。经过一个个的排查，我们又解决了这些问题。通过这些问题，我发现了自身的不足，并且在今后的学习与生活中我会不断的完善自己，充实自己。

为期三周的电子线路课程设计已经临近尾声，在这短短的三周里使我学到了很多，也感悟到了很多，虽然通过这次学习对我能力的提高是有限的，可也是全方位的，正是这一次课程设计让我积累了终生受益的实践经验，使我将理论更好的与实践结合了起来，这也必然会对我将来的学习与工作产生深远的影响。 

致    谢

为期三周的课程设计不仅提高了我的动手能力和综合运用知识的能力，更使我对电路布线、调试等方面有了更深层次的理解。

梁舒老师教学严谨，学识渊博，为人和蔼可亲，诲人不倦。在整个课程计过程中，梁老师不断对我得到的结论进行总结，并提出新的问题，使得我的课程设计课题能够深入地进行下去，也使我接触到了很多理论和实际上的问题，发散了我的思维。在此，我表示最诚挚的感谢和由衷的敬意。梁老师不仅在通信方面有着丰富的经验，而且在电子设计方面也很有造诣，正是她的经验给了我们很多的指导和帮助，使我能够将理论中的结果与实际相结合。尽管我是第一次制做实体电路，难免遇到许多比较低级的问题，梁老师却都耐心细致地予以解答，并且还从很多角度出发，让我能够举一反三，学到更多的东西。此外，我还要感谢范忠英同学和孙印闻同学在整个过程中给与的帮助和配合。