[畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]基于CD4017和NE555實(shí)現(xiàn)多功能流水燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、xxx畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 25 頁(yè) 1 緒 論1.1 課題背景及目的今時(shí)代是一個(gè)新技術(shù)層出不窮的時(shí)代，在電子領(lǐng)域尤其是自動(dòng)化智能控制領(lǐng)域，數(shù)字邏輯電路的發(fā)展也日趨迅速，通常流水燈的設(shè)計(jì)會(huì)選擇單片機(jī)編程，雖然單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、成本低、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)，但是，選擇單片機(jī)更大的增加了設(shè)計(jì)費(fèi)用，并且對(duì)設(shè)計(jì)者的編程語(yǔ)言要求高，而在數(shù)字電路中，中規(guī)模集成電路以其功能強(qiáng)大、種類(lèi)繁多，得到廣泛應(yīng)用。很多中規(guī)模集成電路都具有通用性，它的應(yīng)用已不僅僅局限于其本身所具有的功能。如本文所設(shè)計(jì)的流水燈電路，就是利用中規(guī)模集成電路的功能擴(kuò)展，將移位寄存器構(gòu)成移存型計(jì)數(shù)器，將其輸出端接到多個(gè)led指示上。利用數(shù)字電路

2、來(lái)控制燈的狀態(tài)，并顯示設(shè)計(jì)結(jié)果。其主要的電路原理：整個(gè)流水燈電路由時(shí)鐘產(chǎn)生，流水程序控制驅(qū)動(dòng)及功率控制元件電源供給電路等電路組成。1.2 課題研究方法常見(jiàn)的流水燈控制系統(tǒng)中，是使用微機(jī)控制，設(shè)備復(fù)雜，成本較高；另外應(yīng)用單片機(jī)控制，雖然簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)智能化及傳輸可靠性低，且對(duì)語(yǔ)言的編程能力要求較高，均不理想。為了提高系統(tǒng)可靠性、實(shí)用性，從而研究了一種基于模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的循環(huán)控制系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)不僅僅應(yīng)用到流水燈的控制，也在工業(yè)生產(chǎn)中提高自動(dòng)化循環(huán)控制得到利用。為了發(fā)光二極管形成流水效果，將電源加在555定時(shí)器中，定時(shí)發(fā)送脈沖，通過(guò)cd4017循環(huán)計(jì)數(shù)，由cd4066控制開(kāi)關(guān)，使發(fā)光二極管

3、逐個(gè)接受高電平，循環(huán)亮起，設(shè)計(jì)中，選用四種顏色的發(fā)光二極管，從而形成更好的流水效果。1.3 基本要求設(shè)計(jì)方案（1）設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈控制電路，使其能夠產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)控制彩燈實(shí)現(xiàn)燈光變換的功能。（2）該彩燈控制電路，在完成基本變化的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)彩燈的流向性，間歇性變化的要求，從而使彩燈更加豐富化。（3）給彩燈流水控制電路一個(gè)控制信號(hào)，并能夠使其通過(guò)利用組合電路實(shí)現(xiàn)自控、手控、流向控制等全方位功能。（4）該多功能流水燈具有定時(shí)功能。有模擬開(kāi)關(guān)控制燈光的亮暗，彩燈會(huì)根據(jù)預(yù)定的要求作流向、間歇性變化，彩燈與彩燈之間亮暗間隔一定時(shí)間，從第一個(gè)彩燈開(kāi)始直至最后一個(gè)，然后作重復(fù)性狀態(tài)。（5）通過(guò)利用中規(guī)模集

4、成電路中可逆計(jì)數(shù)器和譯碼器實(shí)現(xiàn)正、逆流水功能，與此同時(shí)，根據(jù)需要使彩燈作各種各樣的變化。1.4 設(shè)計(jì)框圖根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)流水控制的原理框圖如圖1-1所示。圖1-1 原理框圖直流電源用于提供相關(guān)電路的工作電源。振蕩器用于產(chǎn)生脈沖信號(hào)推動(dòng)計(jì)數(shù)譯碼器工作。計(jì)數(shù)譯碼器在推動(dòng)脈沖的作用下其q0q2依次循環(huán)輸出高電平，開(kāi)關(guān)電路受計(jì)數(shù)譯碼器輸出的高低電平控制。高電平輸出，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)閉合，低電平輸出，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。循環(huán)定時(shí)器實(shí)際上是一個(gè)低頻振蕩器，它輸出的高低電平，用于控制自動(dòng)切換電路。定時(shí)器輸出高電平，自動(dòng)切換電路使k1,k2處于圖示狀態(tài)，燈光產(chǎn)生的流水感自左向右定時(shí)器輸出低電平,k1,k2同時(shí)改

5、變狀態(tài)，燈光產(chǎn)生的流水感變?yōu)樽杂蚁蜃蟆? 流水燈控制電路組成2.1 555定時(shí)器555定時(shí)器是一種應(yīng)用特別廣泛作用很大的集成電路，屬于小規(guī)模集成電路，在很多電子產(chǎn)品中都有應(yīng)用。其作用是用內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)構(gòu)成時(shí)基電路，給其他的電路提供時(shí)序脈沖1。2.1.1 電路組成555集成定時(shí)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，由基本rs觸發(fā)器、比較器、分壓器、晶體管開(kāi)關(guān)和輸出緩沖器五個(gè)部分組成。圖2-1 555內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1)基本rs觸發(fā)器由兩個(gè)與非門(mén)組成，是專(zhuān)門(mén)設(shè)置的可以外部進(jìn)行置0的復(fù)位端，當(dāng)=0時(shí)，使=0、=1。所以可以把 555 電路等效成一個(gè)放大電開(kāi)關(guān)的 r-s 觸發(fā)器。這個(gè)特殊的觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端：閥值端（

6、）可看成是置零端 r，要求高電平；觸發(fā)端（）可看成是置位端 s，低電平有效。它只有一個(gè)輸出端 out，out可等效成觸發(fā)器的端。放電端（dis）可看成由內(nèi)部放電開(kāi)關(guān)控制的一個(gè)接點(diǎn)，放電開(kāi)關(guān)由觸發(fā)器的端控制：=1 時(shí)dis端接地；=0 時(shí) dis 端懸空。此外這個(gè)觸發(fā)器還有復(fù)位端，控制電壓端cv，電源端vcc 和接地端gnd。即圖2.2所示。圖2-2 555等效的r-s觸發(fā)器這個(gè)特殊的 r-s 觸發(fā)器有兩個(gè)特點(diǎn)：（1）兩個(gè)輸入端的觸發(fā)電平要求一高一低：置零端 r 即閥值端 th 要求高電平，而置位端s即觸發(fā)端則要求低電平。（2）兩個(gè)輸入端的觸發(fā)電平，也就是使它們翻轉(zhuǎn)的閥值電壓值也不同，當(dāng) cv

7、端不接控制電壓是，對(duì)（r） 端來(lái)講， 2/3vcc 是高電平 1， 1/3vcc 是高電平 1，u-時(shí)，其輸出為高電平，當(dāng)u+2vcc/3vcc/31uol導(dǎo)通vcc/31不變不變/2/3 vcc、vcc/3時(shí)，c1輸出低電平、c2輸出高電平，基本rs觸發(fā)器保持原來(lái)狀態(tài)不變，因此u0、td也保持原來(lái)狀態(tài)不變。=1、2/3 vcc、vcc/3時(shí)，c1輸出高電平、c2輸出低電平，=0，=1，u0=u0h、td截止。555定時(shí)器的電源電壓范圍較大，雙極型電路vcc=4.516v，輸出高電平不低于電源電壓的90，ttl型的帶拉電流和灌電流負(fù)載的能力可達(dá)200ma；cmos電路vdd=318v,輸出高電

8、平不低于電源電壓的95，帶拉電流負(fù)載的能力為1ma，灌電流負(fù)載的能力為3.2ma2。2.1.3 脈沖產(chǎn)生的整形電路在數(shù)字電路中，基本工作信號(hào)是二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)或兩狀態(tài)的邏輯信號(hào)，二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)只有0，1兩種數(shù)字符號(hào)，邏輯信號(hào)0，1兩種取值都具有二值特點(diǎn)。而獲取矩形脈沖波形的途徑不外乎以下兩種：一種是利用各種形式的多諧振蕩器電路直接產(chǎn)生所需要的矩形脈沖，另一種則是通過(guò)各種整形電路把已有的周期性變化波形變換為所要求的矩形脈沖。當(dāng)然，在采取整形的方案時(shí)，是以能夠找到頻率和幅度符合要求的一種已有電壓信號(hào)為前提的。在同步時(shí)序電路中，作為時(shí)鐘信號(hào)的矩形脈沖控制并且協(xié)調(diào)著整個(gè)系統(tǒng)的工作。因此，時(shí)鐘脈沖的特性

9、直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常地工作。脈沖產(chǎn)生的整形電路種類(lèi)很多,本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的電路屬于產(chǎn)生矩形脈沖的多諧振蕩器,用于產(chǎn)生環(huán)形移位寄存器的cp脈沖。經(jīng)常應(yīng)用的脈沖整形電路有:施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。這幾種電路的用途很廣，利用它們不只是可以方便地獲取矩形脈沖。例如，多諧振蕩器就經(jīng)常用作產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和時(shí)間信號(hào)的脈沖發(fā)生器；施密特觸發(fā)器除用作整形外，還可以用于電平比較和脈沖鑒幅等；從延遲和定時(shí)角度看，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器本身就是很好的脈沖延遲環(huán)節(jié)和定時(shí)單元。其輸出端送出的脈沖，一路直接送入cd4017的計(jì)數(shù)脈沖輸入端14腳。用于產(chǎn)生cd4066模擬開(kāi)關(guān)切換的控制信號(hào)3。2.2 環(huán)形譯碼寄存器cd4017 環(huán)

10、形移位寄存器由集成芯片cd4017實(shí)現(xiàn)，十進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器cd4017是一種用途非常廣泛的電路。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.6所示，由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分配，整個(gè)輸出時(shí)序就是00、01、02、09依次出現(xiàn)與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期。圖2-3 cd4017內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖cd4017提供了16引線多層陶瓷雙列直插（d）、熔封陶瓷雙列直插（j）、塑料雙列直插（p）和陶瓷片狀載體（c）4種封裝方式。其引腳圖如圖2.7所示。同時(shí)cd4017的工作條件為：電源電壓控制在3v15v范圍內(nèi)，輸入電壓范圍控制在0vvdd內(nèi)，工作溫度范圍：n類(lèi)：55125、e類(lèi)：4085。圖2-4

11、 cd4017引腳圖cd4017是5位johnson計(jì)數(shù)器，具有10個(gè)譯碼輸出端，cp、cr、en、輸入端。時(shí)鐘輸入端口的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無(wú)限制。en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(wú)效。cr為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。johnson計(jì)數(shù)器，提供了快速操作、2輸入譯碼選通和無(wú)毛刺譯碼輸出。防鎖選通，保證了正確的計(jì)數(shù)順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對(duì)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(hào)完成一次進(jìn)位，并用作多計(jì)數(shù)鏈的下級(jí)脈動(dòng)時(shí)鐘。cd4017引腳功能:芯片有10個(gè)譯碼輸出q0q9;mr為清零端,cp0和cp1是2個(gè)時(shí)鐘輸入

12、端,三個(gè)輸出端的控制：0y1y2y。每個(gè)譯碼輸出一般處于低電平,且在時(shí)鐘脈沖由低到高的上升沿輸出高電平;每個(gè)高電平輸出維持1個(gè)時(shí)鐘周期; 每輸入10個(gè)時(shí)鐘脈沖,輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖,因而進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。在清零輸入端(r)加高電平或正脈沖時(shí),只有輸出端q0為高電平,其余各輸出端都為低電平0。cd4017有3個(gè)控制端（mr、cp0、cp1），mr為清零端，當(dāng)在mr端上加高電平或正脈沖時(shí)，其輸出00未高電平，其余輸出端（01-09）均為低電平，cp0和cp1是2個(gè)時(shí)鐘輸入端，若要用上升沿來(lái)計(jì)數(shù)，則信號(hào)有cp0端輸入；若要用下降沿來(lái)計(jì)數(shù)，則信號(hào)有cp1端輸入。設(shè)置2個(gè)時(shí)鐘輸入端，

13、級(jí)聯(lián)時(shí)比較方便，可驅(qū)動(dòng)更多二極管發(fā)光。由此可見(jiàn)，當(dāng)cd4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。其真值表如表2.3所示。表2.3 cd4017真值表輸入輸出cpencrq0q9cohq0計(jì)數(shù)脈沖為q0q4時(shí)：co=hll計(jì) 數(shù)hlll保 持計(jì)數(shù)脈沖為q5q9時(shí)：co=lhlll2.3 模擬開(kāi)關(guān)cd4066近年來(lái)，便攜式產(chǎn)品越來(lái)越多地采用多源設(shè)計(jì)，因此開(kāi)關(guān)功能是視頻、音頻傳輸及處理過(guò)程中的一個(gè)重要組成部分。早期采用的機(jī)械開(kāi)關(guān)具有可靠性低、體積大、功耗大等缺點(diǎn)，所以模擬開(kāi)關(guān)已經(jīng)引起了越來(lái)越多人的重視，并已被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。 盡管模擬開(kāi)關(guān)具有機(jī)

14、械開(kāi)關(guān)不可取代的優(yōu)勢(shì)，然而它的應(yīng)用較機(jī)械開(kāi)關(guān)稍微復(fù)雜些，初次使用模擬開(kāi)關(guān)的工程人員往往會(huì)由于模擬開(kāi)關(guān)使用不當(dāng)，引起整個(gè)系統(tǒng)的故障，本文重點(diǎn)將模擬開(kāi)關(guān)結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用到流水燈的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中4。許多工程師第一次使用模擬開(kāi)關(guān)，往往會(huì)把模擬開(kāi)關(guān)完全等同于機(jī)械開(kāi)關(guān)。其實(shí)模擬開(kāi)關(guān)雖然具備開(kāi)關(guān)性，但和機(jī)械開(kāi)關(guān)有所不同，它本身還具有半導(dǎo)體特性： （1）導(dǎo)通電阻(ron)隨輸入信號(hào)(vin)變化而變化 圖2.8中（a）圖是模擬開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)單示意圖，由圖中可以看出模擬開(kāi)關(guān)的常開(kāi)常閉通道實(shí)際上是由兩個(gè)對(duì)偶的n溝道m(xù)osfet與p溝道m(xù)osfet構(gòu)成，可使信號(hào)雙向傳輸，如果將不同vin值所對(duì)應(yīng)的p溝道m(xù)osfet與n

15、溝道m(xù)osfet的導(dǎo)通電阻并聯(lián)，可得到圖2.8（b）并聯(lián)結(jié)構(gòu)下ron隨輸入電壓(vin)的變化關(guān)系，如果不考慮溫度、電源電壓的影響，ron隨vin呈線性關(guān)系，將導(dǎo)致插入損耗的變化，使模擬開(kāi)關(guān)將產(chǎn)生總諧波失真(thd)。此外，ron也受電源電壓的影響，通常隨著電源電壓的上升而減小。 （a） (b)圖2.5（a）模擬開(kāi)關(guān)原理圖（b）模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻與輸入電壓關(guān)系（2） 模擬開(kāi)關(guān)輸入有嚴(yán)格的輸入信號(hào)范圍 由于模擬開(kāi)關(guān)是半導(dǎo)體器件，當(dāng)輸入信號(hào)過(guò)低(低于零電勢(shì))或者過(guò)高(高于電源電壓)時(shí)，mosfet處于反向偏置，當(dāng)電壓達(dá)到某一值時(shí)(超出限值0.3v)，此時(shí)開(kāi)關(guān)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重者甚至損壞。因此模擬開(kāi)關(guān)

16、在應(yīng)用中，一定要注意輸入信號(hào)不要超出規(guī)定電壓的范圍。 （3）注入電荷 應(yīng)用機(jī)械開(kāi)關(guān),我們當(dāng)然希望ron越低越好，因?yàn)榈妥柚悼梢越档托盘?hào)的損耗。然而對(duì)于模擬開(kāi)關(guān)而言，低ron并非適用于所有的應(yīng)用，較低的ron需要占據(jù)較大的芯片面積，從而產(chǎn)生較大的輸入電容，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期其充電和放電過(guò)程會(huì)消耗更多的電流。時(shí)間常數(shù)t=rc，充電時(shí)間取決于負(fù)載電阻(r)和電容(c)，一般持續(xù)幾十納秒。這說(shuō)明低ron具有更長(zhǎng)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。為此，選擇模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)該綜合權(quán)衡ron和注入電荷。 （4）開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)仍會(huì)有感應(yīng)信號(hào)漏出 這一特性指的是當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)傳輸交流信號(hào)時(shí)，在斷開(kāi)情況下，仍然會(huì)有一部分信號(hào)通過(guò)感應(yīng)由輸入端傳到輸

17、出端，或者由一個(gè)通道傳到另一個(gè)通道。通常信號(hào)的頻率越高，信號(hào)泄漏的程度越嚴(yán)重5。 （5）傳輸電流比較小 模擬開(kāi)關(guān)不同于機(jī)械開(kāi)關(guān)，它通常只能傳輸小電流，目前cmos工藝的模擬開(kāi)關(guān)允許連續(xù)傳輸?shù)碾娏鞔蠖鄶?shù)小于500ma。 （6） 邏輯控制端驅(qū)動(dòng)電流極小 機(jī)械開(kāi)關(guān)邏輯控制端的驅(qū)動(dòng)電流往往都是毫安級(jí)，有時(shí)單純靠數(shù)字i/o很難驅(qū)動(dòng)。而模擬開(kāi)關(guān)的邏輯控制端驅(qū)動(dòng)電流極小，一般低于納安級(jí)。因此，它完全可以由數(shù)字i/o直接驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到降低功耗、簡(jiǎn)化電路的目的。此次流水燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)用到的是cd4066，其框圖如圖所示：圖2-6 cd4066內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖r為復(fù)位端，當(dāng)r端輸入高電平時(shí)、計(jì)數(shù)器置零態(tài)。cd4017

18、具有自動(dòng)啟動(dòng)功能，即在電路進(jìn)入無(wú)效狀態(tài)時(shí)，在計(jì)數(shù)脈沖作用下，最多經(jīng)過(guò)兩個(gè)時(shí)鐘周期就能回到正常循環(huán)圈中，因此本控制器的cd4017未設(shè)置加電復(fù)位電路。為進(jìn)位輸出端，當(dāng)計(jì)數(shù)滿10個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)輸出一個(gè)正脈沖。cd4017有cl和en兩個(gè)計(jì)數(shù)輸入端，cl端為脈沖上升沿觸發(fā)端，若計(jì)數(shù)脈沖從cl端輸入，則en端應(yīng)接低電平；en端為脈沖下降沿觸發(fā)端，若計(jì)數(shù)脈沖從en端輸入，則cl端應(yīng)接高電平，否則禁止輸入計(jì)數(shù)脈沖。取自cd4069的計(jì)數(shù)脈沖從其cl端14腳輸入，故en端13腳接地。為計(jì)數(shù)器的十個(gè)輸出端，輸出端送出的脈沖方波加到模擬開(kāi)關(guān)cd40665。3 流水燈控制電路的整體分析3 .1 原理圖電源部分（1）

19、電源電路圖3-1電源部分（2）電路中接到220v的市電網(wǎng)中經(jīng)變壓器變壓后為18v電壓再經(jīng)整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路后得到設(shè)計(jì)電路所需的相應(yīng)直流電源。（3）電路中c1的作用是防止電網(wǎng)污染，濾除電路中的高頻成份。由于在整個(gè)電路傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高頻成份會(huì)經(jīng)變壓器電路反饋到市電網(wǎng)中去，而這些高頻成份會(huì)對(duì)市電網(wǎng)中其它用戶的電器造成干擾而產(chǎn)生不可估計(jì)的損失，而電網(wǎng)中的高頻成份也會(huì)對(duì)電源電路產(chǎn)生不良的影響。由容抗xc1wc得知，由于c是個(gè)容值很小的固定值但角頻率很大，即高頻成份經(jīng)過(guò)c1時(shí)，c1相當(dāng)于短路由此就濾除高頻成份，當(dāng)沒(méi)有高頻成份時(shí)c1對(duì)于50hz的市電來(lái)說(shuō)相當(dāng)于開(kāi)路，因而c1能有效的防止電網(wǎng)污染7

20、。（4）由四個(gè)二極管組成橋式整流電路見(jiàn)圖3-1。在變壓器副邊電壓u2的正半周內(nèi)二極管vd1，vd2導(dǎo)通，vd3，vd4截止。在u2的負(fù)半周內(nèi)二極管vd1，vd2截止，而vd3，vd4導(dǎo)通。因而在正負(fù)半周內(nèi)都有電流流過(guò)后面的電路。橋式整流電路的波形圖見(jiàn)圖3-2.圖3-2橋式整流電路的波形圖輸出直流電壓（av）是輸出電壓瞬時(shí)值u0在一個(gè)周期內(nèi)的平均值 (3.1.1)（av）= (3.1.2)由（3.1.2）式說(shuō)明在橋式整流電路中，負(fù)載上得到的直流電壓約為變壓器副邊電壓有效值的90%。如果要考慮到整流電路中的二極管正向電阻和變壓器等效內(nèi)阻上的壓降則輸出直流電壓的實(shí)際數(shù)值還要低一些。脈動(dòng)系數(shù)s是輸出電

21、壓基波的最大值與其平均值之比，即s （3.1.3）在本課題中s0.67在此不作詳細(xì)介紹。（5）在整流電路中輸出的電壓含有較大的脈動(dòng)成份不能直接使用，因而我們要采取濾波的措施，使輸出電壓接近于理想的直流電壓。在此我們利用電容在二極管導(dǎo)電時(shí)儲(chǔ)存一部分能量然后在二極管截止時(shí)再釋放出來(lái)，從而得到比較平滑的波形。波形圖見(jiàn)圖（3）。在的正半周，當(dāng)二極管，導(dǎo)電時(shí)除了有一個(gè)電流流向負(fù)載外同時(shí)還有一個(gè)電流向電容充電，電容電壓的極性為上正下負(fù)。當(dāng)達(dá)到最大值以后開(kāi)始下降，此時(shí)電容上的電壓將由于放電而逐漸下降。當(dāng)時(shí)，二極管，被反向偏置因而不導(dǎo)電，于是以一定的時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律下降直到下一個(gè)半周。當(dāng)時(shí)二極管，導(dǎo)通。波形

22、如圖實(shí)線所示。為了能得到比較好的濾波效果，在實(shí)際工作中經(jīng)常根據(jù)（3.1.4）式來(lái)選擇濾波電容的容量。 (3.1.4) 其中t為電網(wǎng)交流電壓的周期。當(dāng)濾波電容的空容值滿足（3.1.4）式可以認(rèn)為輸出直流電壓近似為1.2u2,。本課題的 1.21821.6v 圖3-3電容濾波波形圖（6）在整流濾波電路中輸出的直流電壓和理想的電壓還有相當(dāng)?shù)木嚯x。主要存在兩方面的問(wèn)題：第一當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)，輸出直流電壓將隨之發(fā)生變化。第二當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，由（3.1.2）式可知，整流電路的輸出電壓直接與變壓器副邊電壓u2有關(guān)。因此也要相應(yīng)的變化。為了能夠提供更加穩(wěn)定的直流電源，需要在整流濾波電路的后面再加上穩(wěn)壓電

23、路。本課題采用的三端集成穩(wěn)壓器為w7800系列的。w7800系列穩(wěn)壓器是一種固定的正電壓輸出的集成芯片。在芯片的內(nèi)部設(shè)有過(guò)熱，過(guò)流及調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)電路，因而電路使用安全可靠。 由于本電路555內(nèi)部的比較器靈敏度高，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響。在現(xiàn)場(chǎng)，由于控制中心到各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)距離不同所以電流在傳輸過(guò)程中所損失的壓降也不同。為了保證每個(gè)555定時(shí)器的振蕩頻率不受其影響，確保在各個(gè)led點(diǎn)上的電壓都是相同的12v電源，所以在電路中要采用二級(jí)穩(wěn)壓。電流在傳輸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生高頻成分，因而在穩(wěn)壓器的輸入端要接電容以濾除高頻成分，在穩(wěn)壓器輸出端所接的電容是為了濾除穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的高頻成分以及防止

24、其自激振蕩。（7）最后所接的發(fā)光二極管是用來(lái)指示電源電路工作正常與否。限流電阻是保護(hù)發(fā)光二極管以免因電流過(guò)大而燒毀。3.2 整體電路的分析圖3-4 流水燈控制電路圖設(shè)計(jì)的多功能流水燈原理電路圖如上圖所示。原理電路圖由振蕩電路、譯碼電路、模擬開(kāi)關(guān)和光源電路組成8。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，cd4017內(nèi)電路翻轉(zhuǎn)，3腳呈高電平，加到cd406613腳。由于cd4066是雙向模擬開(kāi)關(guān)高電平接通，低電平斷開(kāi)，其引腳功能如圖9所示，內(nèi)部含有a、b、c、d四個(gè)獨(dú)立的模擬開(kāi)關(guān)，本電路使用了三片cd4066開(kāi)關(guān)共有12組獨(dú)立的雙向模擬開(kāi)關(guān)，只用到其中的10組。每個(gè)開(kāi)關(guān)有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，這兩端可以互換使用

25、。此時(shí)a開(kāi)關(guān)13腳是高電平，所以a開(kāi)關(guān)接通。與此同時(shí)，cd4017其余各個(gè)輸出端y1y9均為低電平，于是cd4066開(kāi)關(guān)b，c，d的選通端為低電平，開(kāi)關(guān)為關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)送來(lái)第二個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，cd4017計(jì)數(shù)輸出端y1呈高電平，而y1端接到是b開(kāi)關(guān)的12腳，其它輸出端均為低電平，所以此時(shí)cd4066模擬開(kāi)關(guān)只有b開(kāi)關(guān)是接通的，其它組是都斷開(kāi)；當(dāng)其它計(jì)數(shù)脈沖分別送來(lái)時(shí)，分別讓其對(duì)應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)接通而送相應(yīng)的信號(hào)到后面的led電路中去。這樣就實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)刻只有一個(gè)信號(hào)送到后面的發(fā)光電路中，也就是每一時(shí)刻只能亮起一種顏色的燈，由模擬開(kāi)關(guān)的控制，不同顏色的燈逐一亮起，形成流水的效果。當(dāng)計(jì)數(shù)器cd4

26、017計(jì)數(shù)滿10個(gè)脈沖時(shí)，其進(jìn)位端12腳輸出一個(gè)正脈沖，直接反饋到其復(fù)位端15腳，使計(jì)數(shù)器復(fù)位，然后開(kāi)始下一輪的計(jì)數(shù)過(guò)程，這樣就周而復(fù)始地循環(huán)工作。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，本文選用的脈沖發(fā)生器是有ne555與r2、r3及c3組成。主要是為燈光流動(dòng)控制器提供流動(dòng)控制的脈沖，調(diào)整c4和r2、r3可以改變閃爍的頻率，加大c4容量和r2、r3的阻值，流動(dòng)速度變慢，反之則加快，所以有較大的速度調(diào)節(jié)范圍9。燈光流動(dòng)控制器由一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)脈沖分配器cd4017和若干電阻組成。cd4017的cp端受脈沖發(fā)生器輸出脈沖的控制，其輸出端（q0-q9）將輸入脈沖按輸入順序依次分配，輸出控制的脈沖，其輸出控制脈沖的速度由脈沖發(fā)

27、生器輸出的脈沖頻率決定。當(dāng)q0-q9依次輸出控制脈沖時(shí)三種發(fā)光二極管按照接通回路的順序依次發(fā)光，形成流動(dòng)發(fā)光狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)正向流水和逆向流水的功能。電源電路采用電容降壓，二極管整流和穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的供電方式，直流工作電壓由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定。本文設(shè)計(jì)電路所采用的電源為9v。因?yàn)閯偨油ㄊ须姇r(shí)cd4017的哪一個(gè)輸出端為高電平無(wú)法確定，但在cp端脈沖的作用下，q0q2很快進(jìn)入依次輸出高電平的循環(huán)工作方式。假定ne555的3腳輸出高電平，則模擬開(kāi)關(guān)cd4066的2腳和13腳分別為“1”，使之處于接通狀態(tài)。模擬開(kāi)關(guān)cd4066因5腳和12腳分別為低電平而被關(guān)閉。當(dāng)q0為“1”，則其輸出高電平，第一組彩燈發(fā)光

28、。當(dāng)q1為高電平，該高電平直接加到模擬開(kāi)關(guān)的12腳,使其導(dǎo)通，第二組彩燈發(fā)光（第一組熄滅）。當(dāng)q2為高電平，4腳輸出高電平，第三組彩燈發(fā)光（第二組熄滅）。當(dāng)q3為“1”，則ic2立即復(fù)位使q0又輸出高電平，電路將重復(fù)上述工作。此時(shí)看見(jiàn)的流水感自左向右。當(dāng)q3繼續(xù)接受脈沖信號(hào)高電平， 7腳輸出高電平，模擬開(kāi)關(guān)5腳導(dǎo)通，第三組彩燈亮；q4為高電平，10、12腳導(dǎo)通，第二組彩燈亮；q5為高電平，2、13腳導(dǎo)通，第一組彩燈亮，此時(shí)燈光產(chǎn)生的流水感自右向左，當(dāng)連接復(fù)位端的q6為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)重新計(jì)數(shù)10。 由于ic1,3腳輸出高低電平依照整定時(shí)間循環(huán)出現(xiàn)，所以燈光流水方向亦在定時(shí)改變。cd4017的

29、15腳是復(fù)位端，所以15腳與那個(gè)腳相連，燈光的循環(huán)就截止到哪一個(gè)燈。圖中所連接的二極管具有單向?qū)ǖ奶匦?，所以它的作用是防止電流回流。圖中，調(diào)整c4和r2、r3可以改變閃爍的頻率，加大c4容量和r2、r3的阻值，流動(dòng)速度變慢，反之則加快。cd4017的15腳為復(fù)位腳，意思是q0-q9這十個(gè)輸出端要幾路輸出，就把15腳接到第幾位，這樣就可以到哪一位從頭循環(huán)下去，不用的輸出端要懸空。當(dāng)然，為了方便，上述電路圖中只用到具有代表性的三種顏色的燈，并將其排列整齊，導(dǎo)通電路時(shí)就會(huì)看到漂亮的流水燈。當(dāng)計(jì)數(shù)器cd4017計(jì)數(shù)滿10個(gè)脈沖時(shí)，其進(jìn)位端12腳輸出一個(gè)正脈沖，直接反饋到其復(fù)位端15腳，使計(jì)數(shù)器復(fù)位，

30、然后開(kāi)始下一輪的計(jì)數(shù)過(guò)程，這樣就周而復(fù)始地循環(huán)工作。從而實(shí)現(xiàn)了高電平循環(huán)送入后面的判斷電路，即實(shí)現(xiàn)了循環(huán)移位。使不同顏色的燈亮起時(shí)達(dá)到流水的效果。圖3-4電路中流水燈的流向?yàn)椋?，2，4腳的高電平使3個(gè)發(fā)光二極管依次向右發(fā)光。隨后又7，10，1腳的高電平使3個(gè)發(fā)光二極管由右向左發(fā)光。此電路僅僅考慮了流水燈的多向流動(dòng)功能，且發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)也只有三個(gè)，從而使得整個(gè)電路比較單調(diào)，并沒(méi)有考慮到多個(gè)二極管的同時(shí)發(fā)光，所以在實(shí)際電路中，將同種顏色的發(fā)光二級(jí)管并聯(lián)在一起就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)同種顏色的燈循環(huán)亮起。另外燈可以根據(jù)需要進(jìn)行擺放，例如做成圓形的，不同顏色的燈光就可以實(shí)現(xiàn)由中心向外發(fā)散亮起，或者由邊緣向中

31、心逐一亮起。本文的此種設(shè)計(jì)還有一定缺陷，因?yàn)閏d4017的引腳只有q0-q9十個(gè)，當(dāng)選用多種顏色的燈光時(shí)，只用一個(gè)cd4017是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，所以，我們可以在ne555的7腳再引出一個(gè)cd4016的芯片，采用2個(gè)cd4017芯片和多個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)多個(gè)發(fā)光二極管的同步多向流水功能。當(dāng)然，這些電路只是在現(xiàn)有設(shè)備中所能完成設(shè)計(jì)電路功能的，當(dāng)電路設(shè)備的逐步龐大，本文還可以設(shè)計(jì)更加復(fù)雜、更加美觀的流水電路。3.3 電路的調(diào)試完成電路設(shè)計(jì)，安裝元器件及連好導(dǎo)線后，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試。試驗(yàn)前首先完成以下步驟：1. 檢查電路原理圖及導(dǎo)線的連接。在電腦上仿真，能夠得出正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，所以電路原理圖正確。檢查導(dǎo)線的連接

32、是否與電路原理圖一致。2. 檢查導(dǎo)線的連接。對(duì)照電路原理圖，用數(shù)字萬(wàn)用表打到合適的檔位，測(cè)試各對(duì)應(yīng)的接點(diǎn)是否連接好并導(dǎo)通。3. 檢查實(shí)驗(yàn)儀器和器材是否完好。電源9v直流電壓輸出正常，cd4017芯片測(cè)試其功能均正常，用萬(wàn)用表檢查開(kāi)關(guān)，按下時(shí)導(dǎo)通均正常。完成上述步驟后，接通9伏的直流電源，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：按下開(kāi)關(guān)，發(fā)光二極管出現(xiàn)循環(huán)亮暗變化，其中包括正方循環(huán)以及間歇亮暗，通過(guò)改變相關(guān)電容的大小，進(jìn)一步確定發(fā)光二極管各自發(fā)光停留的時(shí)間，從而形成多彩的流水燈效果。至此，多功能流水燈電路設(shè)計(jì)，調(diào)試與實(shí)驗(yàn)成功。結(jié) 論本次設(shè)計(jì)的多功能流水燈是cd4017芯片和ne555芯片的集成電路，是cd4017芯片和ne

33、555芯片的綜合運(yùn)用。該流水燈的功能是能根據(jù)需要產(chǎn)生多種多樣的變化方式，從而產(chǎn)生豐富多彩的彩燈圖案，達(dá)到裝飾作用，給人以美感。方案中采用了cd4017芯片和ne555芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)變化的需要，采用cd4017芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分配，使得輸出時(shí)序就是與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期，ne555產(chǎn)生連續(xù)脈沖輸入，cd4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，直接用作順序脈沖發(fā)生器，配合二極管，進(jìn)而形成相應(yīng)的多功能流水彩燈電路。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)給了我一個(gè)對(duì)實(shí)際電路設(shè)計(jì)的全方位的思考角度，讓我真正地掌握設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)的流程。有很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)用環(huán)形計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)流水燈，運(yùn)用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的設(shè)計(jì)改變了以往常用的單片機(jī)設(shè)計(jì)，尤其重要的一點(diǎn)是運(yùn)用了模擬開(kāi)關(guān)，它不僅能應(yīng)用在流水燈方面，還可以應(yīng)用在氣體、壓力、流量等方面。因此有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和理論價(jià)值。而且，此次的設(shè)計(jì)所用到的環(huán)形計(jì)數(shù)器不僅可以用在流水燈的設(shè)計(jì)中，還可以將此構(gòu)想用在流水線的生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中的自動(dòng)化。萬(wàn)事開(kāi)頭難，我相信只有不斷地查找漏洞，不斷地彌補(bǔ)不足之處才能有所提高。在設(shè)計(jì)中，由于對(duì)數(shù)電、模電知識(shí)的不精通，出現(xiàn)了很多遺