八路循环彩灯.docx
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八路循环彩灯
赣南师院物理与电子信息学院
数字电路课程设计报告书
姓名：
班级：
电子信息工程1001班
学号：
时间：
2012年6月20日
光控八路循环彩灯的控制电路
1、课程设计的内容与要求
1.1本次课程设计是通过光实现八路彩灯循环控制电，彩灯由发光二极管模拟代替。
1.2该电路在有光照的条件下，没有电源输入，555震荡电路不工作，电路也没有输出，彩灯不会亮；当没有光照的条件，555开始工作，计数器开始计数，译码器有输出，彩灯自然会循环亮。
2、总体方案的设计
2.1方案比较
方案一：
本方案是由555定时器、7490计数器、74138译码器和74ls794移位寄存器组成。
7490计数器和74138译码器及74194移位寄存器的时钟信号由555振荡电路提供，改变555的振荡频率，即可改变计数器的计数快慢，即可控制彩灯闪烁快慢，计数器的输出信号输入至74138译码器，由74138译码。
根据计数器输出不同的计数结果，即可控制74138译码器译码得到8种不同的输出信号，决定控制彩灯的循环变化。
74138的输出接在74198的八个数据输入端，可以控制彩灯的循环移位的方向，即左移和右移。
当计数器清零时，可以实现全灭功能。
如图1所示。
图1方案一的框图
方案二：
555d定时器组成的振荡器，其输出的脉冲座位下一极的时钟信号，计数器是用来累计和寄存输入脉冲个数的时序逻辑部件。
在此电路采用十进制的计数分频器CD4017，气内部由计数器及译码器两部分组成，由译码器输出实现对脉冲信号的分配作用。
整个电路输出时序就是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。
如图2所示。
图2方案二所得的设计方案
方案三：
电路中555定时器组成多谐振荡器，输出一定平率的矩形脉冲。
74HC163是同步4位二进制计数器，当输入周期性脉冲信号时，其输出为二进制数形式，并且随着脉冲信号的输入，其输出在0000-1111之间循环变化。
通过4线-16线译码器74HC154，其中8条是输出线按照74HC163所加的二进制数依次变成低电平，哪条输出线为低电平，与它相连的发光二极管就亮。
因任意时刻，只有1个发光二极管，故所有8个发光二极管直接1个限流电阻。
2.2方案论证
以上三种方案经比较以后。
考虑电路的合理性，我觉得第二种方案更加科学合理，以及方案二不是很复杂就，易观察。
并且方案二的器件比较容易买到，便宜。
因此我选择方案二。
3.单元模块电路设计
用555做无稳态电路间接反馈型,振荡电阻是连在电源VCC上的。
其中第1个单元电路是应用最广的。
第2个单元电路是方波振荡电路。
555的第3端输出给4017让它循环计数:
CD4017引脚功能:
芯片有10个译码输出Q0～Q9;MR为清零端,CP0和～CPl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".
3.1时钟信号发生器
主要用来产生脉冲信号。
因为循环彩灯对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以可以采用555组成多谐振荡器，其输出脉冲作为下一级的时钟信号。
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在5~16V工作，最大负载电流可达200mA，7555可在3~18V工作，最大负载电流可达4mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
555定时器构成多谐振荡器，组成信号产生电路接通电源后，VCC通过电阻R1、R2给电容C充电，充电时间常数为（R1+R2），电容上的电压vC按指数规律上升，当上升到VREF1=2VCC/3时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，RS=10，触发器被复位，放电管T28导通，此时v0输出低电平，电容C开始通过R2放电，放电时间常数约为R2C，vC下降，当下降到VREF2=VCC/3时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，RS=01，触发器被置位，放电管T28截止，v0输出高电平，电容C又开始充电，当vC上升到时VREF1=2VCC/3，触发器又开始翻转。
如此周而复始，输出矩形脉冲。
其电路原理图如3所示。
图3555多谐震荡电路
按一下运行键后，可看见输出端是出现高低电平交替，时间间隔是由电路中的电容和电阻决定。
脉冲信号发生器是由555定时器连接而成，工作电压为+5v。
图4所示是555的引脚排列情况，表1是它的引脚功能。
图4555的引脚排列
引脚
符号
功能
1
GND
接地
2
THRES
地址输入端
3
OUT
输出
4
RESET
复位端
5
CONT
电压控制端
6
TRIG
地址输入端
7
DISC
电容充放电
8
VCC
电源端
表1555各个引脚的功能
3.2CD4017循环彩灯的功能
CD4017是5位jonhson计数器，具有10个译码输入端，，CP、CR、INH、输入端，时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入脉冲信号上升和下降时间无限制，INH为我低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数器功能无效，CR为高电平，计数器清零，Jonhson计数器提供快速操作、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。
并用做多级计数器链下的脉冲时钟。
图5是CD4017的引脚排列。
表二是CD4017引脚的用途。
图5CD4017的引脚排列
引脚
符号
功能
1
Q5
第5输出端
2
Q1
第1输出端
3
Q0
第0输出端
4
Q2
第2输出端
5
Q6
第6输出端
6
Q7
第7输出端
7
Q3
第3输出端
8
GND
接地端
9
Q8
第8好输出端
10
Q4
第4号输出端
11
Q9
第9号输出端
12
CO
级联输出端
13
INH
时钟输入端
14
CP
时钟输入端
15
R
清零输入端
16
VDD
电源端
表2CD4017的引脚用途
3.3光控部分
3.3.1光敏电阻
光敏电阻是一种特殊的电阻，简称光电阻，又名光导管。
常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。
光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。
光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。
设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强，阻值愈低。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。
在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
通过光敏电阻的特性，我们需要把他与电阻与UA741构成反向比例放大器。
来实现光控。
当绝缘胶布盖上光敏电阻我们的循环彩灯不会亮。
如6图所示光敏电阻。
图6光敏电阻
3.3.2UA741的功能测试
宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。
高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。
（1）无频率补偿要求；
（2）短路保护；
（3）失调电压调零；
（4）大的共模、差模电压范围；
（5）低功耗。
如7图所示UA741的管脚图.以及表3所示的功能表
图7所示UA741的管脚图
引脚
符号
功能
1
调零端
2
IN-
反向运放输入端
3
IN+
正向运放输入端
4
GND
接地端
5
调零端
6
OUT
输出端
7
VCC
接电源端
8
空端
表3UA741的引脚用途
4.电路参数计算与设计
4.1脉冲信号的参数设计
脉冲这部分我们是用555构成的多谐振荡器。
由于我要产生1s的脉冲信号，有公式可得：
T1=R1Cln2
T2=2R2Cln2
T=（R1+2R2）Cln2
我们选定电源VCC是5V。
设定电容是10UF。
因为T为1S。
（R1+R2）Cln2=1
解得R1=1/3CIn2,C=10uf.
R1=R2=48K.
我选择R1=50K电阻R2为50K的电位器。
4.2CD4017部分
由于我门采用的是5V电源电压。
一般产生太大的电流会把LED彩灯烧掉。
所以我们要串上电阻。
一般电流控制在10maA左右。
R=V/I=5V/0.01=500欧
只要在500欧左右就可以。
因此我们选用470欧的电阻。
4.3光控部分
由于我们选用的光敏电阻一般的4K至8K欧。
所以我们需要采用放大器根据反向比例运算电路我们取电阻为10k与光敏电阻串联。
因为我们选用来反向比例运放电路，所以我们需要用一个9013的放大电路实现。
由于所能承载的电流与电压不同，所以我们需要在UA741的输出端与三极管的基极串上一个100kz电阻。
并且在三极管的集电极上串上一个2K的电阻。
5.总原理图以及元件清单
5.1循环彩灯的总原理图
如下图8所示总原理图以及图9的仿真波形图
图8光控八路循环彩灯总原理图
图9电路仿真波形图
5.2元件清单
下表4是元件清单
元件序号
型号
数量
备注
1
UA741
1个
单价1元
2
CD4017
1个
单价2元
3
555
1个
单价1元
4
9013
1个
单价1元
5
电位器50K
1个
单价0.5元
6
瓷片电容
1个
单价0.1元
7
电解电容
1个
单价0.5元
8
8脚底座
2个
单价1.0元
9
16脚底座
1个
单价1.0元
10
100K电阻
1个
单价0.5元
11
10K电阻
4个
单价0.2元
12
2K电阻
1个
单价0.2元
表4元件清单
6.电路的安装以及调试
6.1安装部分
根据设计好的电路图，首先先布好局来进行焊接电路板。
[1]、大电解电容的正负极不能接反；
[2]、uA741、555、CD4017的各管脚不能接错；
[3]、三极管的三个管脚一定要分清楚：
[4]、发光二极管的正负极要辨清；
[5]、焊时拉线要直，焊点应均匀。
[6]、在焊接的时候我们不能有裸线的飞线。
6.2电路的调试
[1]、将电路板的正负极分别接上5v的电压。
[2]、将光敏电阻用绝缘胶布贴上，使它与光不接触，观察其灯亮暗现象。
[3]、将绝缘胶布撕开，观察灯亮按。
7.测试性能以及误差分析
7.1性能测试
现象：
将绝缘胶布贴上，八盏循环彩灯依次亮。
将绝缘胶布撕开，八盏灯不亮。
7.2误差分析
因为我们所加的电源不稳定，所以亮暗程度时间上把握的不是很好。
由于我们焊接的时候没有焊接的很好，也导致时间上有差异。
发光二极管由于他们的质量不是很好，导致灯不是很亮。
我设计的参数不是很合理也导致现象上有误差。
光敏电阻我应该改成光敏二极管或者光敏三极管。
8.设计体会
这次课程设计与以前的不一样，大家都是一个人一个题目，对我们的要求更高了，独立性也体现出来了。
当然这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识，这就离不开我们对数字电路课程知识的再学习。
这样的回顾让我对知识的理解更加透彻，对后来的快速设计起了很好的铺垫作用。
而且还参考了数字电路实验指导书，查看我这个课程设计的光控八路循环彩灯都需要些芯片才能实现其功能。
在这次课程设计当中我有许多心得体会，第一，在仿真电路的时候，我怎么都仿真不出来，我就将示波器加在脉冲信号的输入与输出端，看其脉冲的出现情况，我发现脉冲过来的时间很慢。
我查看了资料，原来是我们设计的真是的电路板，运用实验箱上的电路板脉冲时间是1s.但是仿真软件当中时间555的脉冲信号的1ms，所以我门看不到脉冲的到来，因此也就看不到灯亮。
。
后来我把仿真软件当中的时钟信号脉冲改小了，之后据实现了功能。
从这件事情当中我觉得我对仿真软件还不是运用的很熟悉。
在焊电路板的时候，由于很久没有焊接了，很不熟悉，这块电路板是我的第二块，前面那块焊接的很难看，飞线还有裸线，很不安全，还不能将功能实现。
于是我就重新焊接了一块电路板。
在焊接的时候我觉得细心很重要，每一个管脚有什么用途一定要把握，在焊接的开始我们就要将元件布局好，不然位置就不知道怎么排版好看，太紧凑不好看，所以要事先布局好。
在焊接的时候要注意不能有太多裸线在放置原件的一面。
并且在排列发光二极管的时候要注意正负极，不能接反了。
在焊接过程中，我把三极管9013与9014弄混淆了，导致灯光没有亮，9014是功率更大的器件在和UA741的同时我们需要介个比较大的电阻，大概是100K。
如果是9013，可以在100k的电阻的基础上并上2k的电阻。
同时我的光控效果不是很好，我应该下次将光敏电阻改成光敏二极管或者三极管。
这样光控效果应该就还行。
从电路图的设计、实现、仿真、实验报告，都是自己思考和动手。
在这数电课程设计过程中，不仅仅让我们动了手动了脑，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，凭空的理论是站不住脚跟的，需要时间来验证。
但我们又不得不承认理论的重要性，理论是前提，我们必须打好基础。
通过自身的不断努力，无论是思想上，学习上还是工作上，都取得了长足的发展和巨大的收获，现将工作总结如下：
思想上，学会了用科学的精神去解决问题。
很多事情看起来是很简单的问题，但实际做起来去会发现有许多奥妙！
这是因为其中蕴含着许多科学的问题。
运用科学的方法去解决问题，这是我这次设计给我带来的思想上的改变。
，努力按要求完成了任务，提高了自己的综合思考能力和动手实践能。
经过这段时间的实践是检验真理的唯一标准，当然也是检验学习成果的标准。
在经过一段时间的学习之后，我们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中，因为任何知识都源于实践，归于实践，所以要将所学的知识在实践中来检验。
9.参考文献
[1]康光华，邹寿彬，秦臻电子技术基础（数字部分）[M]高等教育出版社，2009
[2]西华大学电工电子技术实验指导书[M]电工电子实验实习中心，2009
[3]林涛四位双向移位寄存器74194使用中存在的问题及原因分[J]2006,16:
144-145[4]邹全华基于555定时器的电子实训项目设计[J]2007,1:
42-13
[5]康裕荣，康向东论带缓冲器的CMOS与非门电路2010
[6]朱挺，吴训威双边沿移位寄存器的设计原理及应用[J]2004，1:
2-3
[7]应李俊，曾奕平，王一简易多功能计数器[J]2008，9
[8]张展培，冼志敏，黄云555定时器构成的多谐振荡器[J]2009
[9]康华光陈大钦.《电子技术基础》（第四版）[M].高等教育出版社.1987
[10]谢自美.《电子线路设计.实验.测试》（第三版）[M]华中科技大学出版社.2006[11]江国强蒋艳红《现代数字逻辑电路实验指导》[M]电子工业出版社
物理与电子信息学院数字电路课程设计成绩评定表
专业：
班级：
学号:
姓名：
课题名称
光控八路循环彩灯
设计任务与要求
通过光来控制八路循环彩灯亮暗
1.当有光时，没有灯亮；
2.当没有灯光时，没有灯亮。
设计报告成绩
评分标准：
有合理的方案设计和论证、单元电路和总原理图电路分析、电路参数的计算和清单。
（0-15分）
电路板制作、调试规范，有详细制作和调试过程。
（0-8分）
电路板测试合理，性能指标测试数据完整，正确；进行数据处理规范，电路功能演示正确、醒目、直观。
（0-12分）
对课程设计进行了总结，有体会，并能提出设计的改进、建设性意见。
（0-5分）
格式规范程度，包括论文段落、标号、字体、图形绘制、参考文献等。
（0-10分）
设计报告成绩：
电子
作品成绩
评分标准：
电路正确，能完成设计要求提出的基本功能。
（0-30分）
电路板焊接工艺规范，焊点均匀，布局合理。
（0-20分）
电子作品成绩：
课程设计成绩
总成绩：
指导教师：
2012年6月24日
升级会员 