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1、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
2、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
3、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，彩灯会根据琪定的 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
4、逆计数器和译码器实现正、逆流水功能，与此同畤， 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
5、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2.1 555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。VCC(8)CND(1)图2-1 555内部结构（1）基本RS触发器由两个与非门组成，R是专门设置的可以外部进行置0的复位端，当R =0时，使 Q =0、Q=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
6、特殊的 触发器有两个输入端：阀值端（th）可看成是置零端R，要求高电平；触发端（TR） 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Q 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Q端控制：Q=1时DIS端接地；Q =0时DIS端悬空。此外这个触发器还有复位端R，控制电压端CV,电源端VCC和接地端GND。即图2.2所示。图2-2 555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TR则要求低电平。（2）两 个输入端的触发电平，也就是
7、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TH（R）端来讲， 2/3Vcc是高电平1， 2/3Vcc是低电平0；而对TR（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RTHTROUTDIS110低电平101Qn保持大01高电平0大大0低电平（2）比较器q、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+
8、U_时，其输出为高电平，当U+U_时，输 出低电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入电阻趋近于无穷大。（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之一端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0.01m 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Q端控制，当Q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
9、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R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Q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2.2 555基本功能表UTH (6)U(2)TRR (4)uo (3)Td导通/0UOL导通2Vcc/3Vcc/31UOL导通Vcc/31不变不变/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。R =1、U 2/
10、3 Vcc、唱 VCC/3时，C1输出高电平、C2输出低电平，Q =0，Q =1， u0=u0H、TD 截止。555定时器的电源电压范围较大，双极型电路VCC=4.516V，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=318V,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3.2mA2。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
11、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
12、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CD40175是一种 用途非常广泛的电路。内部结构如图2.6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。
13、图2-3 CD4017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2.7所示。同时CD4017的工作条件为：电源电压控制在3V15V范围内，输入电压范围控制在0VVDD内, 工作温度范围：N类：55C125C、E类：40C85C。站尸只L P8 H h:S G ci5Co Y*W U VC) 2 W YT 3 VLLJ P12?Lj U45U U L 1图2-4 CD4017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
14、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Q0Q9；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
15、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（2 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23 CD4017真值表输入输出CPENCrQ0 Q9COXXHQ0
