彩灯循环闪联控制器.docx
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彩灯循环闪联控制器
济南铁道职业技术学院
毕业论文
题目：
节日彩灯循环闪
亮控制器
系别：
电气工程系
专业：
电气自动化
班级：
0833班
学生姓名：
王效腾
指导教师：
房老师
完成日期：
2010年12月22日
摘要
本设计中555彩灯控制器可用于对彩灯的控制，555彩灯控制器电路由555电路和十进制计数器CD4017组成，其中555用来产生移位控制脉冲，CD4017用来对控制脉冲实现移位，传递出来的信号脉冲驱动彩灯作循环流动。
关键词循环发光控制器NE555集成时基电路CD4017
目录
1引言……………………………………………………………………………4
2节日彩灯循环闪亮控制器硬件介绍…………………………………………5
2.1电路构成原理图……………………………………………………………5
2.2实验元器件的构成及功能分析……………………………………………6
3节日彩灯循环闪亮控制器电路工作原理分析………………………………16
4节日彩灯循环闪亮控制器模块化分析………………………………………16
4.1交流降压整流滤波稳压电路………………………………………………16
4.2无稳态多谐振荡器电路…………………………………………………21
4.3顺序脉冲发生电路时序控制电路……………………………………22
总结……………………………………………………………………………23
致谢……………………………………………………………………………25
参考文献………………………………………………………………………26
1引言
19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现在电子技术电路中占有越来越重要的地位。
随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色流水灯。
LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到广泛应用，用彩灯来装饰建筑和街道已经成为一种时尚。
但是目前市场上各式样的LED彩灯循环闪亮控制器大多数用硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节点亮时间。
因此，设计这款彩灯循环闪亮控制器，通过对NE555集成时基电路和计数器∕译码分配器CD4017等集成块的合理组建，实现了对彩灯循环闪亮控制的功能。
2节日彩灯循环闪亮控制器硬件介绍
2.1电路构成原理图
图2.1电路构成原理图
2.2实验元器件的构成及功能分析
（1）NE555
555集成时基电路时一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，可连接成多谐振荡电路，产生单位脉冲，用于触发计数器。
在延时操作中，脉冲由一个电阻和一个电容控制。
NE555会在下降延触发和清零，此时输出端产生200mA的电流。
NE555的工作温度为0℃~70℃。
图2.2NE555定时器
各管脚的功能说明：
1接地2触发3输出4复位5控制电压6门限7放电8电源电压Vcc。
其功能主要用来产生时间基准信号（脉冲信号）。
因为循环彩灯对频率的要求不高，只要能够产生高低电平就可以，且脉冲信号的频率可调，所以采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。
（2）计数器∕译码分配器CD4017
计数器就是用来累计和寄存输入脉冲个数的时序逻辑部件。
在此实验中我们采用了十进制计数∕分配器CD4017，它是一种用途非常广泛的电路。
在其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00、01、02、03、04、05、06、07、08、09依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
CD4017是一块十进制计数∕分配器。
当复位端为“1”时，计数器清零。
在clockunable为“0”状态下，计数器在信号的正上升沿触发。
CD4017的管脚分布如下所示。
1脚：
第五输出端
2脚：
第一输出端
3脚：
第零输出端,电路清零时，该端为高电平
4脚：
第二输出端
5脚：
第六输出端
6脚：
第七输出端
7脚：
第三输出端
8脚：
电源负极
9脚：
第八输出端
10脚：
第四输出端
11脚：
第九输出端
12脚：
级联进位输出端，每输入10个时序脉冲时就可以得到一个计数器的时钟信号
13脚：
时钟输入端，脉冲输入端，脉冲下降沿有效
14脚：
时钟输入端，脉冲上升沿有效
15脚：
清零输入端，在该管脚加高电平或正脉冲时，CD4017计数器中，各计数单元输出低电平“0”，在译码器中只有对应“0”状态的输出端3脚为高电平
16脚：
电源正极，可以使用3―18V直流电源供电
图2.3CD4017的工作原理及应用电路图
图2.4CD4017工作波形图
（3）电阻∕可变电阻
图2.5本次设计中选用的电阻∕可变电阻
导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻（Resistor，通常用“R”来表示）。
主要职能就是阻碍电流的通过，应用于限流、分流、降压、分压、负载、与电容配合作滤波器。
电阻是所有电子电路中使用最多的元件。
电阻的主要物理特征就是变电能为热能，也可以说是一种耗能元件，电流经过它就产生内能。
电阻在电路中主要起分压分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。
电阻都有一定的阻值，它代表这个电阻对电流流动阻挡力的大小。
电阻的单位是欧姆，用符号“Ω”表示。
欧姆是这样定义的：
当在一个电阻的两端加上1伏特的电压时，如果在这个电阻中有1安培的电流过时，则这个电阻的阻值是1欧姆。
在国际单位制中，电阻的单位是Ω（欧姆），还有ΚΩ（千欧）、ΜΩ（兆欧）。
其中：
1ΜΩ=1000ΚΩ，1ΚΩ=1000Ω
电阻的阻值标法通常有色环法、数值法。
色环法在一般的电阻上比较常见。
色环法的读取方法如图2.6所示;
电阻是一线性元件。
说它是线性元件，是因为通过实验发现，在一定条件下，流经一个电阻的电流与电阻两端的电压成正比，即它是符合欧姆定律：
I=U∕R
常见的碳膜电阻或者金属膜电阻在温度恒定，且电流电压值限制在额定条件之内时，可用线性电阻累模拟。
如果电流或电压值超过规定值，电阻将因热而不遵从欧姆定律，甚至还会被烧坏。
电阻的种类有很多，通常分为碳膜电阻，金属电阻，线绕电阻等；它包含固定电阻与可变电阻，光敏电阻，压敏电阻，热敏电阻等。
测试：
使用万用表判断出电阻的好坏，将万用表调节在电阻挡的合适挡位，并将万用表的两个表笔放在电阻的两端，就可以从万用表上读出电阻的阻值。
应当注意的是，测试电阻时手不能接触到表笔的金属部分。
图2.6电阻阻值读取方法色谱图表
（4）电容
图2.7本次设计中选用的电容
电容是表征电容器容纳电荷的本领的物理量。
我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容，很多电子产品中，电容器都是必不可少的电子元件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源和退耦、交流信号的旁路、交直流电流的交流耦合等。
电容在电路中一般用“C”表示。
电容器是有两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。
电容的特性主要是通交流隔断直流。
在国际单位制中电容的单位是法拉，简称法，符号是“F”，常用的单位有毫法（mF）、微法（µF）、纳法（nF）和皮法（pF）等，换算关系是：
1法拉（F）=1000毫法（mF）=1000000微法（µF）
1微法（µF）=1000纳法（nF）=1000000皮法（pF）
相关公式：
一个电容器，如果带1库的电量时两级间的电势差是1伏，这个电容器的电容就是1法，即：
C=Q∕U。
但电容的大小不是有Q或者U来决定的，即：
C=εs∕4πkd。
其中，ε是一个常数，s为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k则是静电力常量。
电容器的电势能计算公式：
E=CU²∕2
（5）二极管
图2.8本次设计中选用的二极管
二极管是一个由p型半导体和n型半导体形成的pn结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。
当不存在外加电压时，由于pn结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
二极管加正向电压时导通，呈现很小的电阻，形成较大的正向电流；加反向电压时截止，呈现很大的电阻，反向电流近似为零。
因此，晶体二极管具有单相导电性。
当方向电压增大到一定值时，二极管的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。
（6）发光二极管
图2.9本次设计中选用的发光二极管
发光二极管简称LED。
由镓（Ga）、砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字、数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转换成光能。
它与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结的附件数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量装态不同，当电子和空穴复合时所释放的能量越多，则发出光的波长越短。
常用的是发红光、绿光和黄光的二极管。
放光二极管的反向击穿电压约为5伏，它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
限流电阻R可用下式计算：
R=（E-UF）∕IF
式中E为电源电压，UF为发光二极管的正向压降，IF为发光二极管的一般工作电流。
发光二极管两根引线中较长的一根是正极，应接电源正极。
有的发光二极管的两根引线一样长，但是其管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。
与白织灯泡和氖管相比，发光二极管的特点是：
工作电压很低，工作电流很小，抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长，通过调节通过电流的强弱可以方便的调节发光的强度。
（7）稳压二极管
图2.10稳压二极管伏安特性曲线
稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管，其伏安特性曲线如图所示，它的正向伏特曲线与普通二极管相似，而反向击穿特性曲线很陡。
正常情况下稳压二极管工作在反向击穿区，由于曲线很陡，反向电流在很大范围内变化时，端电压变化很小，因而具有稳压作用。
只要反向电流不超过其最大稳定电流，就不会形成破坏性的热击穿。
3节日彩灯循环闪亮控制器电路工作原理分析
变压器T1（220∕4）一次侧电源从220V交流电引出，二次侧输出电压4V的交流电流，在通过桥式整流电路的整流，电容C1的滤波，以及稳压二极管的稳压，这时的电流为4.8V直流电流，为后面的负载提供电源。
NE555与R1、R2+R3及C2组成可调式脉冲振荡器，为移位控制电路输出移位脉冲，脉冲周期可通过R3来调节。
在此彩灯循环闪亮控制器电中，十进制计数∕脉冲分配器CD4017，在移位脉冲的驱动下，它的输出端以Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5……的顺序循环移动。
CD4017的第6输出端与复位端Rst连接，当第六输出端输出高电平时，通过Rst使CD4017复位，Q0输出高电平。
这样，每一个循环中，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的输出端各连接一个发光二极管，第六输出端连接复位端，Q0空置,形成在每一个循环中的第五个灯闪亮后，要停歇两个输出间的停歇时间，然后进行下一个循环。
4节日彩灯循环闪亮控制器模块化分析
4.1交流降压整流滤波稳压电路
图4.1交流降压整流滤波稳压电路功能实现流程图
（1）变压电路
变压器有升压和降压两种作用，该彩灯循环闪亮控制器电路中变压电路是降压电路，采用降压变压器来实现。
在电源变压器电路中，输入220V交流电，从一次侧线圈1端和2端输入。
降压降压后的交流电从二次侧线圈3端和4端输出。
（2）单相桥式整流电路
单相桥式整流电路就是将交流电转换为直流电的电路。
主要是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单相脉冲性直流电，这就是交流电的整流过程。
整流电路主要有二极管组成。
经过整流后的电流已不是交流电流，而是一种含有直流电流和交流电流的混合电流，习惯上称单相大脉动性直流电。
整流电路利用了二极管的单相导电性进行整流，为了提高整流效率，使交流电的正负半周信号都被利用，则采用全波整流，现以全波桥式整流为例，其电路和相应的波形如下图：
图4.2单相桥式整流电路及其波形图
图4.3单相桥式整流电路工作原理图
单相桥式整流电路如图所示，其中（a）、（b）、（c）是它的三种不同的画法，图中，D1、D2、D3、D4四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。
桥式整流电路的工作原理如图所示。
在U2的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由Tr二次侧上端经D1→RL→D3回到Tr二次侧下端，在负载RL上得到一半波整流电流，在U2的负半周，D2、D4导通，D1、D3截止，电流由Tr二次侧下端经D2→RL→D4回到Tr二次侧上端，在负载RL上得到另一半波整流电流。
这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即：
UL=0.9U2
IL=0.9U2∕RL
流过每个整流二极管的平均电流为
ID=IL∕2=0.45U2∕RL
每个整流二极管所承受的最高反向电压为
URM=
U2
经过整流后的电流仍然是“脉动”的直流电，为了减少波动，通常要加滤波器，下面对滤波器进行介绍。
（3）滤波
整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分。
为了获得平滑的直流电压，应在直流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。
常用的滤波电路有电容滤波电路和电感滤波电路，本次设计中算用的是电容滤波电路。
桥式整流电路输出端与负载电阻RL并联一个较大电容，构成了电容滤波电路。
电容滤波电路是利用电容的充电和放电来使脉动的直流电变为平稳的直流电。
设电容两端初始电压为零，并假定在t=0时接通电路，U2为正半周，当U2由零上升时，D1、D3导通，C被充电，同时电流经过D1、D3向负载电阻供电。
如果忽略二极管正向管压降和变压器内阻，电容充放电时间常数近似为零，在U2达到最大值时Uc也达到最大值，然后U2下降，此时Uc＞U2，D1、D3截止，电容C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数τ=RLC，一般较大，电容电压Uc按指数规律缓慢下降。
当Uc下降到最低时，|U2|＞Uc，D2、D4导通，电容C在此被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程，输出电压波形，近似为一锯齿波直流电压。
有上述可知，整流电路接入了滤波电容后，不经使输出电压变得平滑、纹波显著减少，同时输出电压的平均值也增大了输出电压平均值Uo的大小与滤波电容C及负载电阻RL的大小有关，C的容量一定时，RL越大，C的发电时间常数τ就越大，其放电速度越慢，输出电压就越平滑，Uo就越大。
让RL开路时，Uo=
U2。
为了获取良好的滤波效果一般取
RL
（3~5）
式中，T为输入交流电的周期。
此时输出电压的平均值近似为
Uo
1.2U2
（4）稳压
图4.4稳压二极管稳压电路
由图4.4可知，当稳压二极管正常稳压工作时，有下述方程式：
Uo=U1－IrR=UZ
Ir=Iz+IL
若U1增大，Uo将会随着上升，加于稳压二极管两端的方向电压增加，使电流Iz大大增加，由上式可知，Ir也随之显著增加，从而使限流电阻上的压降IrR增大，其结果是，U1的增加量绝大部分都降落到限流电阻R上，从而使输出电压Uo基本维持恒定。
反之，U1下降时Ir减少，R上的压降减少，从而维持Uo的基本恒定。
若负载电阻RL增大（即负载电流IL减少），输出电压Uo将会跟随增大，则流过稳压管的电流Iz大大增加，致使IrR增大，迫使输出电压Uo下降，同理，若RL减少，使Uo下降，则Iz显著减少，致使IrR减少，迫使Uo上升，从而维持了输出电压的稳定。
4.2无稳态多谐振荡器电路
无稳态多谐振荡器电路是一种简单的振荡电路。
它不需要外加激励信号就能连续地、周期性地自行产生矩形脉冲，该脉冲是由基波和多次谐波构成，因此称为多谐振荡器电路。
多谐振荡器可以由三极管构成，也可以用555或者通用门电路等来构成。
本次设计中采用NE555多谐振荡器电路。
将NE555与三个电阻一个电容如图2.1中连接，便构成了无稳态多谐振荡模式。
与单稳模式不同之处在于触发端接在了充、放电回路的C上，而不是受外部触发控制。
当加上电压后，由于电容C上端电压不能突变，故NE555处于置位状态吗，输出呈现高电平“1”，而内部的放电管截止，C通过两个串联电阻对其充电，2脚电位随C上端电压的升高呈指数上升。
当C上的电压随时间增加，达到
输入电压阈值电平时，上比较器翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出呈低电平“0”。
此时放电管饱和导通，C上的电荷放电，当C放电使其电压降至
输入电压触发电平时，下比较器翻转，RS触发器复位，经倒相后，使输出端呈高电平“1”。
多谐振荡器的振荡周期T为
T=tW1+tW2
tW1为电容C上的电压由
Vcc充到
Vcc所需的时间，充电回路的时间常数为（R1+R3+R2）C。
tW1可用下式估算：
tW1=（R1+R3+R2）C㏑2≈0.7（R1+R3+R2）C
tW2为电容C上的电压由
Vcc下降到
Vcc所需的时间，放电回路时间常数为（R3+R2）C。
tW2可以用下式估算：
tW2=（R3+R2）C㏑2≈0.7（R3+R2）C
所以多谐振荡器的振荡周期T为
T=tW1+tW2≈0.7（R1+2R3+2R2）C
振荡频率为
f=
=
4.3顺序脉冲发生电路时序控制电路
基于NE555组成的无稳态多谐振荡电路，3脚输出的振荡信号作为CD4017的时钟，频率可通过滑动变阻调节，5个发光二极管接CD4017的输出端，当555的3脚输出第一个脉冲时，CD4017的Q0端输出高电平，当第二个脉冲到来时，Q1输出高电平，发光二极管D1点亮，当第三个脉冲到来时，Q2输出高电平，依次类推，当第七个脉冲到达时，Q6输出高电平，使CD4017复位，CD4017回到初始零状态，开始进行下一个循环。
总结
毕业设计是我们作为学生在学习阶段的最后一个环节，是对所学基础知识和专业知识的综合应用，是一种综合的在学习、在提高的过程，这一过程对我的学习能力和独立思考及工作能力也是一次培养，同时毕业设计也反映了大学教育的综合水平，因此学校十分重视毕业设计这一环节，加强了对毕业设计工作的指导。
在大学的学习过程中，毕业设计是十分重要的，是我进入社会参与实际工作的一次极好的演练，也是对我自学能力和解决问题能力的一次考验，是学校生活与社会生活的一种过渡。
在完成毕业设计的时候，我尽量的把毕业设计和实际工作有机的结合在一起，这样更有利于自己能力的提高。
社会是不断变化的、发展的，眼下社会发展迅速，对人才的要求越来越高，要用发展的眼光看社会，要学会学习，学会创新，学会适应社会的发展需要。
在走出校园，迈向社会之即，把握今天，才能创造未来。
毕业设计工作中，在老师的熏陶和教诲下，使我懂得了更多的设计思想，有了一定的创新精神和专研精神。
在完成毕业设计的这段时间里，我收获颇多。
本文设计的节日彩灯循环闪亮控制器，能够有规律的使彩灯闪亮，本系统具有硬件简单，容易实现，性能稳定可靠，成本低，寿命长等特点。
主要做了下面几点较突出的工作：
一、通过查阅相关资料，详细了解了NE555定时器、CD4017和LED发光原理，明确了设计采用的元件，明确了研究目标。
二、本文给出了系统具体的硬件设计方案，硬件结构电路图，设计中采用的元件介绍，电路图模块化分析等方面。
三、在这次毕业设计的过程中，进一步学习了Protel99SE的基本使用，感到了Protel99SE对电气自动化专业的重要性。
通过本次设计我对电子电路知识有了一定的认识，这是我对专业知识一次实际性检验和巩固。
毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料，分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了许多经验公式是前人不懈努力的结果，在设计中要保持清醒的头脑，不断接受新事物，遇到不明白的要及时请教，从中获益，让自己的思想也不断得到修正和提高。
其实我们可以把毕业设计看作是一个工作内容，在完成毕业设计的时候，所用到的知识，以及所具有的专注力和责任心，同样在工作中也是不可缺少的，由于社会生活的变革和科技进步对社会及个人的影响，任务学校能满足人生所有教育需要的理性主义幻想破灭。
社会的发展要求劳动者不断更新知识，每个人的职业不可能终身不变。
这一切都要求现在的学生除获取一定的理论知识和技能外，还必须培养自己进一步学习的能力。
而教育的改革和发展，既要反映当代社会的实际需求，更要充分考虑社会的发展趋势。
学校要为学生的终身发展提供相应的知识、能力和素质基础，学生的发展高于一切。
因此，我们要更新职业教育观念，调整职业教育的深度，不仅着眼于今天和明天，还要着眼于学生的未来发展。
课题设计能够加强各门课程的联系，拓展一些相关或相近专业知识的技能，给学生留下适应多项工作所需要的知识的“接口”，为学生的终身教育奠定知识基础和能力基础。
理论与实际相结合，不仅包括课堂上学习的有关知识要与技能训练相结合，还要包括了解可接触社会实际的能容。
进行毕业设计，是在专业知识的指导下，通过各种方式，解决一些实际性的问题。
在设计过程中，可以将所学习得理论知识运用到实践中，不仅能加深自己对专业知识的理解，而且能丰富和发展书本上的理论知识，使之转化成更高层次的经验、技能和技巧。
在毕业设计过程中也暴露出自己专业基础知识的很多不足之处。
例如对知识综合运用的技巧的缺乏，对材料了解的不够彻底，等等。
感觉自己所学的只是冰山一角，面对稍微复杂的东西还是不能得心应手，再一次体会到了学无止境的意义。
致谢
毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。
本设计是在房金菁老师的精心指导下完成的，在此，向她表示衷心的感谢。
从陌生到开始接触，从了解到熟悉，是每个人学习事物所必经过的一般过程，我对彩灯循环闪亮控制器的认识过程亦是如此。
经过一个多月的努力，这次毕业设计划上了一个圆满的句号，为以后的工作打下了基础。
同时希望各位老师及同学对此文的不足给予指导。
再次，对关心和指导过我的老师和帮助过我的同学表示衷心的感谢！
参考文献
[1]石生《电路基本分析》高等教育出版社
[2]胡宴如《模拟电子技术》高等教育出版社
[3]杨志忠《数字电子技术》高等教育出版社
[4]张涛《电力电子技术》电子工业出版社
[5]尹克宁《变压器设计原理》中国电力出版社
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