多功能流水灯设计设计说明.docx
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多功能流水灯设计设计说明
1绪论
1.1课题背景及目的
今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，数字逻辑电路的发展也日趋迅速，通常流水灯的设计会选择单片机编程，虽然单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，但是，选择单片机更大的增加了设计费用，并且对设计者的编程语言要求高，而在数字电路中，中规模集成电路以其功能强大、种类繁多，得到广泛应用。
很多中规模集成电路都具有通用性，它的应用已不仅仅局限于其本身所具有的功能。
如本文所设计的流水灯电路，就是利用中规模集成电路的功能扩展，将移位寄存器构成移存型计数器，将其输出端接到多个LED指示上。
利用数字电路来控制灯的状态，并显示设计结果。
其主要的电路原理：
整个流水灯电路由时钟产生，流水程序控制驱动及功率控制元件电源供给电路等电路组成。
1.2课题研究方法
常见的流水灯控制系统中，是使用微机控制，设备复杂，成本较高；另外应用单片机控制，虽然简单，但系统智能化及传输可靠性低，且对语言的编程能力要求较高，均不理想。
为了提高系统可靠性、实用性，从而研究了一种基于模拟电子技术和数字电子技术的循环控制系统。
这种设计不仅仅应用到流水灯的控制，也在工业生产中提高自动化循环控制得到利用。
为了发光二极管形成流水效果，将电源加在555定时器中，定时发送脉冲，通过CD4017循环计数，由CD4066控制开关，使发光二极管逐个接受高电平，循环亮起，设计中，选用四种颜色的发光二极管，从而形成更好的流水效果。
1.3基本要求设计方案
（1）设计一个彩灯控制电路，使其能够产生一个控制信号控制彩灯实现灯光变换的功能。
（2）该彩灯控制电路，在完成基本变化的基础上，可以实现彩灯的流向性，间歇性变化的要求，从而使彩灯更加丰富化。
（3）给彩灯流水控制电路一个控制信号，并能够使其通过利用组合电路实现自控、手控、流向控制等全方位功能。
（4）该多功能流水灯具有定时功能。
有模拟开关控制灯光的亮暗，彩灯会根据預定的要求作流向、间歇性变化，彩灯与彩灯之间亮暗间隔一定时间，从第一个彩灯开始直至最后一个，然后作重复性状态。
（5）通过利用中规模集成电路中可逆计数器和译码器实現正、逆流水功能，与此同時，根据需要使彩灯作各种各样的变化。
1.4设计框图
根据本次设计的要求，设计流水控制的原理框图如图1.1所示。
图1.1原理框图
直流电源用于提供相关电路的工作电源。
振荡器用于产生脉冲信号推动计数译码器工作。
计数译码器在推动脉冲的作用下其Q0—Q2依次循环输出高电平，开关电路受计数译码器输出的高低电平控制。
高电平输出，对应的开关闭合，低电平输出，对应的开关断开。
循环定时器实际上是一个低频振荡器，它输出的高低电平，用于控制自动切换电路。
定时器输出高电平，自动切换电路使K1,K2处于图示状态，灯光产生的流水感自左向右．定时器输出低电平,K1,K2同时改变状态，灯光产生的流水感变为自右向左。
2流水灯控制电路组成
2.1555定时器
555定时器是一种应用特别广泛作用很大的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。
其作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲[1]。
2.1.1电路组成
555集成定时器的内部结构如图2.1所示，由基本RS触发器、比较器、分压器、晶体管开关和输出缓冲器五个部分组成。
图2.1555内部结构
（1）基本RS触发器
由两个与非门组成，是专门设置的可以外部进行置0的复位端，当=0时，使=0、=1。
所以可以把555电路等效成一个放大电开关的R-S触发器。
这个特殊的触发器有两个输入端：
阀值端（）可看成是置零端R，要求高电平；触发端（）可看成是置位端S，低电平有效。
它只有一个输出端OUT，OUT可等效成触发器的端。
放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的端控制：
=1时DIS端接地；=0时DIS端悬空。
此外这个触发器还有复位端，控制电压端CV，电源端VCC和接地端GND。
即图2.2所示。
图2.2555等效的R-S触发器
这个特殊的R-S触发器有两个特点：
（1）两个输入端的触发电平要求一高一低：
置零端R即阀值端TH要求高电平，而置位端S即触发端则要求低电平。
（2）两个输入端的触发电平，也就是使它们翻转的阀值电压值也不同，当CV端不接控制电压是，对（R）端来讲，>2/3Vcc是高电平1，<2/3Vcc是低电平0；而对（S）端来讲，>1/3Vcc是高电平1，<1/3Vcc是低电平0。
其功能真值表如表2.1所示。
如果在控制端CV加上控制电压VC，这时上触发电平就变成VC值，而下触发电平则变成1/2VC。
可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。
表2.1功能真值表
OUT
DIS
1
1
0
低电平
1
0
1
Qn
保持
＊
0
1
高电平
0
＊
＊
0
低电平
窗体顶端
（2）比较器
C1、C2是两个电压比较器。
比较器有两个输出端，分别标有+号和-号，如果用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，则当U+>U-时，其输出为高电平，当U+（3）分压器
三个阻值均为5千欧姆的电阻串联起来构成分压器（555也因此而得名），为比较器C1和C2提供参考电压，C1之＋端U+=2Vcc/3，C2之－端U-=Vcc/3。
如果在电压控制端CV另加控制电压，则可改变C1，C2的参考电压。
工作中不使用CV端时，一般都通过一个0.01μF的电容接地，以旁路高频干扰。
（4）晶体管开关和输出缓冲器
晶体管TD构成开关，其状态受端控制，当为0时TD截止、为1时TD导通。
输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。
综上所述可知，555定时器不仅提供了一个复位电平为2Vcc/3，且可通过端直接从外部进行置0的基本RS触发器，而且还给出了一个状态受该触发器端控制的晶体管开关，因此使用起来极为灵活。
2.1.2555定时器基本功能
表2.1所示为555定时器的功能表，它全面的表示了555的基本功能。
表2.2555基本功能表
（6）
（2）
（4）
（3）
导通
/
/
0
UOL
导通
>2Vcc/3
>Vcc/3
1
UOL
导通
<2Vcc/3
>Vcc/3
1
不变
不变
/
1
UOH
截止
=0时，=1，输出电压U0=UOL为低电平，TD饱和导通。
=1、>2/3VCC、>VCC/3时，C1输出低电平、C2输出高电平，基本RS触发器保持原来状态不变，因此u0、TD也保持原来状态不变。
=1、<2/3VCC、555定时器的电源电压范围较大，双极型电路VCC=4.5～16V，输出高电平不低于电源电压的90％，TTL型的带拉电流和灌电流负载的能力可达200mA；CMOS电路VDD=3～18V,输出高电平不低于电源电压的95％，带拉电流负载的能力为1mA，灌电流负载的能力为3.2mA[2]。
2.1.3脉冲产生的整形电路
在数字电路中，基本工作信号是二进制的数字信号或两状态的逻辑信号，二进制数字信号只有0，1两种数字符号，逻辑信号0，1两种取值都具有二值特点。
而获取矩形脉冲波形的途径不外乎以下两种：
一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲，另一种则是通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换为所要求的矩形脉冲。
当然，在采取整形的方案时，是以能够找到频率和幅度符合要求的一种已有电压信号为前提的。
在同步时序电路中，作为时钟信号的矩形脉冲控制并且协调着整个系统的工作。
因此，时钟脉冲的特性直接关系到系统能否正常地工作。
脉冲产生的整形电路种类很多,本设计中应用的电路属于产生矩形脉冲的多谐振荡器,用于产生环形移位寄存器的CP脉冲。
经常应用的脉冲整形电路有:
施密特触发器和单稳态触发器。
这几种电路的用途很广，利用它们不只是可以方便地获取矩形脉冲。
例如，多谐振荡器就经常用作产生标准频率信号和时间信号的脉冲发生器；施密特触发器除用作整形外，还可以用于电平比较和脉冲鉴幅等；从延迟和定时角度看，单稳态触发器本身就是很好的脉冲延迟环节和定时单元。
其输出端送出的脉冲，一路直接送入CD4017的计数脉冲输入端{14}脚。
用于产生CD4066模拟开关切换的控制信号[3]。
2.2环形译码寄存器CD4017
环形移位寄存器由集成芯片CD4017实现，十进制计数／分频器CD4017是一种用途非常广泛的电路。
内部结构如图2.3所示，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00、01、02、…、09依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
图2.3CD4017内部结构功能框图
CD4017提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装方式。
其引脚图如图2.4所示。
同时CD4017的工作条件为：
电源电压控制在3V～15V范围内，输入电压范围控制在0V～VDD内，工作温度范围：
N类：
55℃～125℃、E类：
40℃～85℃。
图2.4CD4017引脚图
CD4017是5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，CP、Cr、EN、输入端。
时钟输入端口的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。
EN为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。
Cr为高电平时，计数器清零。
Johnson计数器，提供了快速操作、2输入译码选通和无毛刺译码输出。
防锁选通，保证了正确的计数顺序。
译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。
在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多计数链的下级脉动时钟。
CD4017引脚功能:
芯片有10个译码输出Q0～Q9;MR为清零端,CP0和CP1是2个时钟输入端,三个输出端的控制：
0Y1Y2Y。
每个译码输出一般处于低电平,且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平;每个高电平输出维持1个时钟周期;每输入10个时钟脉冲,输出一个进位脉冲,因而进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。
在清零输入端（R）加高电平或正脉冲时,只有输出端Q0为高电平,其余各输出端都为低电平"0"。
CD4017有3个控制端（MR、CP0、CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时，其输出00未高电平，其余输出端（01-09）均为低电平，CP0和CP1是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号有CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号有CP1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。
其真值表如表2.3所示。
表2.3CD4017真值表
输入
输出
CP
EN
Cr
Q0～Q9
CO
×
×
H
Q0
计数脉冲
为Q0～Q4
时：
CO=H
↑
L
L
计数
H
↓
L
L
×
L
保持
计数脉冲
为Q5～Q9
时：
CO=L
×
H
L
↓
×
L
×
↑
L
2.3模拟开关CD4066
近年来，便携式产品越来越多地采用多源设计，因此开关功能是视频、音频传输及处理过程中的一个重要组成部分。
早期采用的机械开关具有可靠性低、体积大、功耗大等缺点，所以模拟开关已经引起了
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