神奇的旋转彩灯 课题设计报告docdeflate.docx

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神奇的旋转彩灯课题设计报告docdeflate

一、课程设计目的、任务和内容要求：

现在的光技术或光信息方面的具体实现都是以电子、电磁场或二者的结合的理论和技术为基础。

光的应用还未达到完全可以独立的阶段，所本次课题是以电子方面技术为基础，实现光在生活的服务。

具体设计任务如下：

1．熟悉神奇旋转彩灯的工作原理；

2．写出神奇旋转彩灯的设计方案；

3．用硬件加以实现；

4．写课程设计报告。

设计要求：

设计一个神奇旋转彩灯的电路，实现光在生活的普通应用，要求：

能实现神奇彩灯的正常工作，能给人带来神奇而美的视觉感受，让对光的应用产生兴趣。

熟悉神奇旋转彩灯的工作原理，以及各个部件和元件的工作原理。

二、进度安排：

第１~3天：

查找资料，熟悉神奇旋转彩灯的设计原理，给出设计总体方案；

第4~6天：

各模块的详细设计；

第7~12天：

硬件连线，调试；

第13~14天：

写课程设计报告。

三、主要参考文献：

【1】扬振江，雷光纯.《新颖实用电子设计与制作》.西安：

西安电子科技大学出版社，2000.6.28-29.

【2】彭云国.《CD4066与CD4069组成的二维彩灯控制器的电路分析与制作》,电子制作杂志，2005－1

【3】肖冰.主编《数字电路与逻辑设计实验技术》，北京邮电大学出版社。

【4】杨振江，蔡德芳编著.《新型集成电路典型应用与使用指南》.西安：

西安电子科技大学出版社，1998

指导教师签字：

年月日

目录

摘要4

1课题概述5

2设计方案简述6

3详细设计7

3．1电路结构与特点7

3．2元器件选择8

3．3部分主要元件简要说明10

3．3．1CD406610

3．3．2CD401711

3．4电路装接、调试与改装12

4设计结果及分析13

5光技术综合设计课题总结14

摘要

彩灯是现代社会的一种简单的实用装饰物品，它的制作方法多种多样，样子也各有特色。

旋转彩灯的制作方法比较简单，本课题对一种可以出现随机转动彩灯的电路进行设计，电路功能上的介绍，以及其中主要元器件功能上的阐述。

此外，本课题也是为了增强学生对于理论和实践的结合能力，加深对书本上理论的理解，培养对光信息科学与技术的兴趣，增强专业信心。

关键字：

十进制计数译码器；振荡器；与非门。

1课题概述

通过本次的光技术综合设计课题使学生了解光技术以及电子技术在日常生活中的结合应用；使学生了解光电不分家的道理。

CD4017是一款十进制计数译码器，又称十进制计数脉冲分频器它是4000系列CMOS集成电路应用最广泛的其中之一IC，其结构简单造价低廉，性能稳定可靠使用方便。

利用它这款IC设计可以变换的彩灯电路是十分合适的。

同时这个电路设计也是以CD4017为核心的；辅助以六非门电路，其中两两组成方波振荡器，此部分作为信号生成部分；信号输出部分是由10个发光二极管组成的。

因为振荡器频率不同，所以产生效果不同。

控制器采用数字集成块，外围元器件少、电路结构简单，只要元器件完好、装接无误，装后无须调试即可一举成功。

2设计方案简述

彩灯电路由10支发光管、振荡器以及译码器组成，电路如图2-1所示。

其中，核心部分是CMOS十进制计数译码器U2（CD4017）。

U2有3个输入端，当15脚加高电平或正脉冲时，计数器输出均为“0”；当14脚输入低到高的正脉冲时，计数器才能计数；当13脚加入低电平时，允许计数，当13脚加入高电平时，计数器被封锁，输出状态保持不变。

U2有10个译码器输出端，它们随时钟输入而依次输出高电平，以此驱动LED0~LED9，轮流发光，形成旋转。

图2-1

3详细设计

3．1电路结构与特点

彩灯电路由10只发光二极管，振荡器以及译码器组成，电路如图所示。

其中，核心部分是CMOS十进制译码器U2（CD4017）.U2有3个输入端，当15脚加高电平或者正脉冲的时候，计数输出均为“0”；当14脚输出低到高的正脉冲时，计数器才能计数；当13脚加入低电平时，允许计数，当13脚加入高电平时，计数封锁，输出状态不变。

U2有10个译码输出端，它们随时钟输入依次输出高电平，以此驱动LED0~LED9,轮流发光，形成旋转。

U1是一片CMOS六非门电路，两两组成方波振荡器。

其中，门1、门2组成的振荡器供U2作时钟输入，使之能驱动LED发光，振荡频率由R2、C1决定。

门3、门4组成的振荡器控制电子开关S1，当门4输出高电平时，开关S1导通，U2就有了时钟输入。

反之S1截止，U2就无时钟输入。

门5、门6组成的振荡器控制电子开关S2，S2导通时，＋5V电源加到U2的13脚，将时钟封锁，LED0——LED9停止转动。

当门4输出低电平和门6输出使S2导通时，均使彩灯转动暂停。

电子开关S3受门2、门4、门6共同控制，这3个门只要有1个输出高电平，电子开关S3就导通，U2的清零端15脚就通过S3接地，U2正常计数工作；当这3个门均输出低电平时，开关S3截止，U2的15脚变为高电平，将U2清零。

由于3个振荡器的频率及相位均不相同，所以各种情况的出现也是随机的，彩灯的转动也是变化无常的。

3．2元器件选择

如电路图所示，U1选用的是CD4069六反相器；S1——S3选用的是CMOS四模拟开关CD4066或者CD4016;U2选用了CD4017或CC4017、C187;V1——V3选用了1N4148硅二极管；LED1——LED9选用ф3mm不同颜色的发光二极管；R1、R3、R5选用1MΩ，R4选用510KΩ，R6选用470KΩ,R7、R8、R9选用100KΩ，R11选用510Ω，均为RJ-1/4W电阻器；R2选用1MΩ的多圈电阻器；C1、C2、C3选用0.1μF瓷介电容器。

图3.2-1

图3.2-2

图3.2-3

图3.2-4

（几种文中提到IC的管脚以及内部结构）

CD4069逻辑功能及引脚如图所示，其中非门F1、F2和外接电阻R2、R3、电容C1构成多谐振荡器，产生约3Hz的脉冲方波，供给CD4017作计数脉冲。

R2、C1为振荡定时元件，调节这两个元件可改变振荡信号频率，从而控制彩灯色彩的流动速度，以呈现各种不同的视觉效果。

CD4069为CMOS数字集成电路，是一种高输入阻抗器件，容易受外界干扰造成逻辑混乱或出现感应静电而击穿场效应管的栅极。

虽然器件内部输入端设置了保护电路，但它们吸收瞬变能量有限，过大的瞬变信号和过高的静电电压将使保护电路失去作用，因此，CD4069中未使用的非门的输入端脚均接到Vss接地端，以作保护。

CD4069多谐振荡器输出端脚送出的脉冲串，一路直接送入CD4017的计数脉冲输入端脚。

用于产生CD4066模拟开关切换的控制信号。

其引脚功能如图所示。

Cr为复位端，当Cr端输入高电平时、计数器置零态。

CD4017具有自动启动功能，即在电路进入无效状态时，在计数脉冲作用下，最多经过两个时钟周期就能回到正常循环圈中，因此本控制器的CD4017未设置加电复位电路。

Co为进位输出端，当计数满10个时钟脉冲时输出一个正脉冲。

CD4017有CL和EN两个计数输入端，CL端为脉冲上升沿触发端，若计数脉冲从CL端输入，则EN端应接低电平；EN端为脉冲下降沿触发端，若计数脉冲从EN端输入，则CL端应接高电平，否则禁止输入计数脉冲。

取自CD4069的计数脉冲从其CL端脚输入，故EN端脚接地。

Y0～Y9为计数器的十个输出端，

3．3部分主要元件简要说明

3．3．1CD4066

CD4066是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。

引出端排列与CC4016一致，但具有比较低的导通阻抗。

另外，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。

CD4066由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号，开关中的p和n器件在控制信号作用下同时开关。

这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。

与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点。

但若应用于采宝电路，仍推荐CD4016。

当模拟开关的电源电压采用双电源时，例如=﹢5V，=﹣5V（均对地0V而言），则输入电压对称于0V的正、负信号电压（﹢5V～﹣5V）均能传输。

这时要求控制信号C=“1”为+5V，C=“0”为-5V，否则只能传输正极性的信号电压。

　　元件电路如下：

图3.3.1-1

3．3．2CD4017

CD4017：

十进制计数器/脉冲分配器

CD4017是5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，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，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。

INH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，并用作多级计数链的下级脉动时钟。

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种封装形式

推荐工作条件

电源电压范围：

3V-15V

输入电压范围：

0V-VDD

工作温度范围

M类：

55℃-125℃

E类：

40℃-85℃

极限值

电源电压：

-0.5V-18V

输入电压：

-0.5V-VDD十0.5V

输入电流：

±10mA

贮存温度：

-65℃-150℃

引出端功能符号

CO：

进位脉冲输出

CP：

时钟输入端

CR：

清除端

INH：

禁止端

Q0-Q9计数脉冲输出端

VDD：

正电源

VSS：

地

真值表如下：

图3.3.2-1

3．4电路装接、调试与改装

印制板的装接是制作成功的关键，为了取得更好的效果和顺利装盒，工艺要求如下：

集成电路、电阻器、二极管采取水平安装方式。

集成块不可插反，同时应避免其引脚未完全插入插孔的现象。

电阻器、二极管引脚成形时，应在距引脚根部1.5mm处开始折弯，以防止引线折断；器件应贴靠印刷电路板安装。

电容器、三极管等垂直安装。

电容器引脚不作成形处理，可直接插入插孔焊接，但电容器底部要紧贴印刷电路板，否则其高度会给装盒造成不便。

三极管、晶闸管器件体底部距印刷电路板高度以2～3mm为宜，以利于散热。

焊接时，要确保焊点无漏焊、虚焊、搭焊等现象。

焊接完成后，要剪去引脚多余的部分，留头在焊面以上0.5～1mm，且不可损伤焊接面。

如图所示的电路结构与元器件在自制的印刷电路板上焊接。

如果没有安装错误，即可成功。

唯一需要更改之处就是根据个人的喜好改变3个振荡器的频率。

一般先调R2，之后根据个人喜好可调R4、R6。

如果需要将LED换成大型灯泡，则可以在U2的各个输出端加接继电器或单向（双向）可控硅。

若用单向，则彩灯亮度稍弱。

4设计结果及分析

5光技术综合设计课题总结

通过对旋转彩灯的设计和制作，逐渐熟悉和掌握了对于光信息科学与技术与电子线路的知识，无论是电子线路基础还是数字电路方面，这对一名作为学习光信息科学与技术专业的学生来说是必不可少的一课，在设计的过程当中对于电路元器件的选择更是让我们受益非浅，不但掌握了许多其他的我们不知道的元件的结构和电器性，还学习到了许多书本中没有的知识。

经过课题小组成员的不懈努力和良好的团队合作，终于完成了这个作品，我们在制作过程中也体会到了理论和实践二者是缺一不可，相辅相成的关系。

希望在今后的学习生活中有更多的机会去进行这样的实践练习。

参考文献

【1】扬振江，雷光纯.《新颖实用电子设计与制作》.西安:

西安电子科技大学出版社,2000.6,28-29.

【2】彭云国,《CD4066与CD4069组成的二维彩灯控制器的电路分析与制作》,电子制作杂志，2005－1

【3】肖冰主编《数字电路与逻辑设计实验技术》，北京邮电大学出版社。

【4】杨振江，蔡德芳编著.《新型集成电路典型应用与使用指南》.西安：

西安电子科技大学出版社，1998