《专业课程设计（一）》课程设计说明书-自动循环调光灯电路的设计 .doc

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1、目 录 1 技术指标 1 1.1 初始条件.1 1.2 技术要求.1 1.3 555 定时器1 1.4 计数器 CD40172 1.5 74LS2904 1.6 74LS1394 2 设计方案及其比较 5 2.1 方案一5 2.2 方案二6 2.3 方案三6 2.4 方案比较7 3 实现方案 8 4 调试过程及结论 9 5 心得体会 9 6 参考文献 10 武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书 1 自动循环调光灯电路的设计 1 技术指标 1.1 初始条件 直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子 等必备工具。 1.2 技术要求 设计一种自动循环调光灯电路，

2、可以使灯在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态 中不断地循环工作。要求灯光变化的循环速度可以进行调节。 1.3 555 定时器 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 4.5V16V 工作，7555 可 在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，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

3、发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器 广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的外引 脚排列图和内部电路框图分别如图 1.1 和图 1.2 所示。 武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书 2 图 1.1 555 引脚图 管脚分布及供能： 2低电平触发输入端 TRI。该端低于 VCC/3（或 VCO/2）时，输出 Q 为高电平； 3输出端 OUT； 4复位端 RST。RST=0 时，Q=0； 5控制电压输入端 CON； 6高电平触发端 THR。该端电平高于 2VCO（或 VCO）时，输出 Q 为低电平； 7放电端 DIS； 8电源 VCC。 图 1.2

4、 555 内部电路框图 它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电 管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压 VCC / 3 和（2 VCC）/3。 1.4 计数器 CD4017 十进制计数器 CD4017 其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现 武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书 3 对脉冲信号的分配，整个输出时序就是 O0、O1、.、O9 依次出现与始终同步的高 电平，宽度等于时钟周期。 引脚图如图 1.3: 图 1.3 CD 4017 引脚图 其引脚功能如下： 1 脚(Y5)，第 5 输出端； 2 脚(Y1)，第 1 输出端； 3 脚(

5、Y0)，第 0 输出端，电路清零时，该端为高电平； 4 脚(Y2)，第 2 输出端； 5 脚(Y6)第 6 输出端； 6 脚(Y7)，第 7 输出端； 7 脚(Y3)，第 3 输出端； 8 脚(Vss)电源负端； 9 脚(Y8)，第 8 输出端； 10 脚(Y4)第 4 输出端； 11 脚(Y9)第 9 输出端； 12 脚(CO)，级联进位输出端，每输入 10 个时钟脉冲，就可得一个进位输出脉 冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。 13 脚(EN)，时钟输入端，脉冲下降沿有效； 14 脚(CP)，时钟输入端脉冲上升沿有效； 武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书 4 15

6、 脚(CR)，清零输入端，在“R”端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 Y0 为高电平； 16 脚(VDD)，电源正端318V 直流电压。 1.5 74LS290 74LS290 是一个异步十进制计数器。其引脚图如图 1.4，其供能表如表 1 图 1.4 74LS290 引脚图 表 1 74LS290 功能表 1.6 74LS139 74LS139 为 2 线-4 线译码器，输出信号低电平有效。其引脚图和功能表如图 1.5 和表 2 所示。 武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书 5 图 1.5 74LS139

7、 引脚图 表 2 74LS139 功能表 2 设计方案及其比较 2.1 方案一 方案一设计电路如图 2.1: 图 2.1 方案一电路图 电路工作原理如下： 如图 2.1，将 555 定时器的 2 和 6 并联连接后作为电路的输入端，就构成了施密 特触发器，此时这两段的输入信号电压相同。 当电路接入电源时，555 触发，产生的脉冲从 3 脚输出经电容 C2 稳定后接入 CD4017 计数器，使其被触发工作，这时，依次会从 Y0Y9 依次输出高电平，但当 Y4 与清零端 CR 相连接后，当 Y4 输出高电平时，计数器被清零，从头开始计数，因此， 在 Y1Y3 这三个脚上依次接上 47K,20K,1

8、0K 的电阻并将这三个脚同时接入一个发光 二极管， ，发光二极管会依次出现熄灭，微亮，较亮，最亮四个状态。 因为脉冲频率 f=1.43/(R1+R2)/C1,故改变滑变电阻器的阻值即可改变 R1 和 R2 武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书 6 的阻值比，这样即可改变发光二极管闪烁的频率。 武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书 7 2.2 方案二 方案二设计电路如图 2.2： 图 2.2 方案二路图 电路工作原理如下： 555 触发器产生的脉冲使芯片 74LS290 工作，从零开始计数，将 Qa,Qb 接入译码 器 74LS139，译码器 74LS139 为低电平输出有效

9、，故通过非门后，低电平变为高电平， 此时，若接上小灯泡，则灯即可亮。图中，若电阻分压太大，使灯泡两端电压过小， 这时三极管两端电压大于 0.7V，则三极管导通，灯亮；若分压电阻分压很小，小灯 泡两端压差很小（小于 0.7V） ，则这时三极管截至，灯就不会亮。由此，将分压电阻 逐个减小，就可使灯泡两端电压由零增大，是灯泡依次出现熄灭，微亮，较亮，最 亮四种状态。 改变滑变电阻器的阻值即可改变 R1 和 R2 的阻值比，这样即可改变小灯泡闪烁 的频率。 2.3 方案三 方案三设计电路如图 2.3： 图 2.3 方案三电路图 武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书 8 电路工作原理如下： 如

10、图 2.3，非门 1，2 组成多谐振荡电路。电源接通后 G2 阻断电压为高电平，右 边为低电平，低电平经过 C2 进入芯片 CD4017。此时电容 C1 不导通，高电平通过 RP，R2 至 G1 左端，这时 G1 右端为低电平，G2 左端为低电平，右端为高电平，对 C1 进行充电，此时通过 C2 进入芯片 CD4017 的是低电平，当 C1 充电完毕后，接着放电， 这时高电平通过 C2 进入 CD4017，而 G2 左端的低电平通过 RP,R2 到达 G1 左端，是其 右端变为高电平，之后 G2 右端呈低电平，通过 C2 进入芯片 CD4017，如此循环即产 生了时钟脉冲信号，再作用于芯片 C

11、D4017。之后原理与方案二一样。 改变滑变电阻器的阻值即可以改变脉冲频率。 2.4 方案比较 以上三个方案中： 方案一与实现方案最接近，理论上是最简单的电路。但实验时还要考虑实际情 况和芯片工作环境，芯片 CD4017 输出端接电阻处直接接灯泡，由于 CD4017 输出端 高电平为整个电路电源电压，若电阻分压不够，或是电源电压偏高，会导致灯泡烧 掉这样使灯两边电压直接变化，对等的寿命也有影响。 方案二则是运用本学期学的书本上我们熟知的计数器 74LS290 和译码器 74LS139 来代替方案一中的 CD4017，原理简单且熟练， ，但因为译码器 74LS139 是低电平输出 有效，故要使灯

12、亮就得将低电平转换成高电平，因此会用到多个非门，实际操作中 不方便。 方案三将 555 信号发生器改用非门构成的信号发生器，整体原理和方案一差不 多，同时也克服了方案一的不足，但发生器部分实物连线很麻烦，为布线和调试带 来不方便。 因此，考虑多方面因素，实现方案采用 555 发生器和 CD4017 计数器。 3 实现方案 实现方案设计电路如图 3.1： 武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书 9 图 3.1 实现方案电路图 电路工作原理如下： 如图 3.1，将 555 定时器的 2 和 6 并联连接后作为电路的输入端，就构成了施 密特触发器，此时这两段的输入信号电压相同。 当电路接入电

13、源时，555 触发，产生的脉冲从 7 脚（Y3）输出经电容 C2 稳定后 接入 CD4017 计数器，使其被触发工作，这时，依次会从 Y0Y9 依次输出高电平，但 当 Y4 与清零端 CR 相连接后，当 Y4 输出高电平时，计数器被清零，从头开始计数。 接于 Q1,Q2,Q3 之后的二极管和电阻均是起分压作用。图中，若电阻分压太大，使灯 泡两端电压过小，这时三极管两端电压大于 0.7V，则三极管导通，灯亮；若分压电 阻分压很小，小灯泡两端压差很小（小于 0.7V） ，则这时三极管截至，灯就不会亮。 由此，将分压电阻按 47K,20K,10K 逐渐减小，就可使灯泡两端电压由零增大，是灯 泡依次出

14、现熄灭，微亮，较亮，最亮四种状态。 改变滑变电阻器的阻值即可改变 R1 和（R2+RP）的阻值比（这里的 RP 指的是滑 变电阻器有效的那部分） ，这样即可改变小灯泡闪烁的频率。 各部件功能： （一） 、555 定时器 将 555 定时器的 2 和 6 并联连接后作为电路的输入端，就构成了施密特触发器， 此时这两段的输入信号电压相同。 在 R1：（R2+RP)2:1 时，555 内部三级管导通，555 从 3 脚 输出低电平；当 1: 2 R1：（R2+RP)2:1 时，555 内部三极管截止，3 脚输出高电 平。 武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书 10 （二） 、计数器 CD4

15、017 十进制计数器 CD4017 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 O0、O1、.、O9 依次出现与始终同步的高电 平，宽度等于时钟周期。 （三） 、VT9013 当基极和射极间电压超过 0.7V 时，晶体管导通，这时即可放大电流；当基极和 射极间电压小于 0.7V 时，晶体管截止，此时不能起到放大电流的作用。 （四） 、电容 C1 的作用是滤波并避免干扰从而稳定电路；电容 C2 的作用是滤波 并避免干扰从而使脉冲更稳定，以免信号失真。 4 调试过程及结论 调试过程中，无论怎样都少一个状态，一遍遍的从头检查电路板并分析其中的 关系，才发现在

16、接电路时 CD4017 输出端应接 Q1,Q2,Q3,Q4,而我接成了 Q0,Q1,Q2,Q3，致使在 R 清零时灯就亮了，因此总是只有三个状态在闪烁。另外，若 是三个电阻搭配不合理，状态也会缺失，如我之前电阻用的是 100K,47K 和 0.3K 的， 那样电阻跨度太大，致使灯泡亮度太大，又由于视觉暂停效果，等的闪烁会有紊乱 的现象。要检查输出状态是否正确，可用示波器测试 CD4017 各输出端的波形，即使 有的状态用肉眼看不出来（比如本实验中的微量状态登几乎没发光） ，因此有时候除 了观察实验现象外，还应结合理论数据。 5 心得体会 从原来的羡慕别人假期有事可做，到听说我们也要做课程设计是

17、的兴奋，到看 到题目刹那间的心慌，到自己的认真准备，到答辩时的紧张，到调试时的反复，到 写报告时的忙乱，到完成后的满足，虽然前后一共只有半个月的时间，期间还得分 出精力准备期末考试，但这段时间过的很充实。 以为不会很难，但看到任务书时才发现不是很简单，因为不是简单的只是一种方 法就行了，而是要多种方法。可是如果只是一种方法，又如何叫做真正的设计，如 武汉理工大学专业课程设计（一） 课程设计说明书 11 何起到真正要的效果？ 查资料，设计方案，布线，调试，写报告一步一步认真的走下来，自己受益匪 浅。不再是面对庞大的 Internet 无从下手，同时也会好的利用了一次图书馆面对图 书馆的“五花八门

18、”的书要找到自己想要的那一点点相关东西，还真不容易。设计 方案更是全部是自己根据自己的理解设计出来的，虽然很简单，但也是自己的劳动 成果。布线和调试是实验中最重要，也是最麻烦的环节。好不容易布线完了，好不 容易找到电源了，可是结果就是出不来，这时就需要足够的耐心和细心。 “历经艰辛” 终于找到“罪魁祸首”是的激动和兴奋是无以言表的。 通过这次课程设计，发现自己不只在知识有欠缺，自己再遇事态度和处理上都 很是迟钝，很难静下心来。一直以来，理论课有老师督促，考试鞭策，平时实验也 有老师指导，而这次原原本本都要自己独立完成。我一直是个不大自信的人，只要 不是我非常擅长的东西，即使我觉得是对的，也没勇

19、气去大声赞同自己，原来，遇 到这种情况的时候，往往会向同学求证。但这次，我告诉自己既然是要独立完成， 就要做到真的独立。所以设计出方案后，我花了很久来“检查”自己电路的正确性， 可确实又找不到错误。最后我拿上自己独立设计的电路去参加了预答辩。虽然结果 不是很理想，但自己努力的结果仍然值得欣慰。 这次课程设计是一次不错的经历，我也积攒了不少经验，相信下次课程设计我会做 的更好。 6 参考文献 1 刘浩斌.数字电路与逻辑设计.电子工业出版社，2007 2 Dave Cutcher.电子电路制作.科学出版社，2007 3 卢成健.555 定时器的功能模型及其应用.玉林师范学院学报（自然科学版） ， 2006 年 05 期 4 伍时和.数字电子技术基础.清华大学出版社，2009