NE555 流水灯.docx

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NE555流水灯

创新实践环节Ⅰ

第一章前言

摘要

当今的社会是一个新技术层出不穷的时代，科技迅速发展，在电子领域的发展更是迅速，同时也在影响着我们的生活。

随着人民生活水平的提高，流水灯在现实生活中所起的作用越来越重要。

例如：

在人流拥挤繁忙的交通路段，闪烁着的流水交通灯，提醒着我们要遵纪交通规则，在霓虹闪烁的繁华大街上，闪烁的流水灯无不吸引过路人的眼球，甚至在一些大型商场大厦的自动门上都装有自动流水灯，告诉人们的时间和日期。

通常的流水灯是应用单片机设计的，而单片机的设计成本较高，对编程的要求也比较高，由于我们学习了数字电路，所以采用了小型集成电路设计流水灯。

流水灯的设计要求在预定的时间到来时，会产生一个控制信号控制LED灯的流向、间歇等，LED灯流向可以随着电路的改变而改变，并具有自控、手控、流向控制功能等。

主要参考数字电路中计数器的原理。

NE555振荡器的作用等相关知识在设计的过程中需要了解相关芯片（CD4017、NE555）的具体功能。

认真连接设计电路，由于最后流水灯的流向十分的清晰和稳定，所以所得的结果测试十分简洁并且很成功。

Abstract

Intoday'ssocietyisaneraofnewtechnologyemergeinendlessly,therapiddevelopmentofscienceandtechnology,morerapiddevelopmentinthefieldofelectronics,aswellasaffectsourlives.Withtheimprovementofpeople'slivingstandard,thewaterlightsinreallifetheroleofmoreandmoreimportant.Forexample:

inthebusytrafficroadtraffic,flashingwatertrafficlights,remindustoadisciplinedtrafficrules,inabusystreet,neon-litflickeringlamptheyattracttheattentionofpassers-by,waterandeveninsomebigmallbuildingonautomaticdoorsareequippedwithautomaticwaterlamp,tellpeoplethetimeanddate.Usuallywaterlampapplicationofsinglechipmicrocomputerisdesigned,andMCUdesigncostishigher,therequirementofprogrammingishigh.

Thedesignrequirementsofflowingwaterlightatapredeterminedtimearrived,willproduceacontrolsignaltocontroltheflowofLEDlights,suchasintermittent,ledsflowcanbechangedwiththechangeofthecircuit,andhasthefunctionofautomaticcontrol,manualcontrol,flowcontrol,etc.Mainlyrefertotheprincipleofdigitalcircuitofcounter.NE555oscillatorrolerelatedknowledgeintheprocessofdesignneedtoknowthespecificfunctionofrelatedchip（CD4017,NE555）.Seriousconnectioncircuitdesign,asaresultofthelastlightwaterflowisveryclearandstable,sothetestresultisverysimpleandverysuccessful.

第二章基础技术

2.1Proteus基础技术

Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

1）Proteus软件的功能

1．原理布图

2．PCB自动或人工布线

3．SPICE电路仿真

2）革命性的特点

1．互动的电路仿真

用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

2．仿真处理器及其外围电路

可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。

还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境

3）智能原理图设计

丰富的器件库：

超过27000种元器件，可方便地创建新元件；

智能的器件搜索：

通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；

智能化的连线功能：

自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；

支持总线结构：

使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；

可输出高质量图纸：

通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。

4）完善的电路仿真功能

ProSPICE混合仿真：

基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：

可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；多样的激励源：

包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；丰富的虚拟仪器：

13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；

生动的仿真显示：

用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；高级图形仿真功能（ASF）：

基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析；

2.2Protel基础技术

Protel99采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。

Protel99是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。

所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。

Protel99软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel98大体相同，新增加了一些功能模块。

Protel公司引进了德国INCASES公司的先进技术，在Protel99中集成了信号完整性工具，精确的模型和板分析，帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。

Protel99容易使用的特性就是新的“这是什么”帮助。

按下任何对话框右上角的小问号，然后选择你所要的信息。

现在可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。

1）电路设计编辑

到现在许多PCB工程师们也许还在使用Protel99或者protel99se在他们所熟悉的编辑环境下进行PCB设计，他们都很有经验，能够在protel99或protel99se上设计出一块很棒的PCB。

但有的时候他们甚至不相信软件的智能化给他们带来的巨大方便。

于是许多PCB工程师根本不使用软件带有的强大的自动布线功能，因为即使重复布上几百次都不能得到他们满意的方案，或是调整的线太多还不如完全手工布线。

这些都让他们不愿意接受也不相信更新换代了的人工智能能给他们的设计带来什么巨大的方便，他们相信的只是他们多少年积累的经验。

但实际上他们都很清楚当他们设计一块多层高密度PCB所需要付出的代价是什么，同时他们也希望真的有那么一款软件能让他们的设计效率有极大的提高的PCB设计软件。

现在Altium公司2004年最新产品Protel2004完全能满足这方面的要求。

当然Protel2004面对的用户不光是为了方便这些有多年经验的PCB工程师们。

Protel2004同时还降低了制作PCB的门槛，通过短时间的培训（即使是自学），很短时间您都可以很快的制作一块合格的PCB。

Protel2004共可进行74个板层设计，包含32层Signal（信号走线层）;16层Mechanical（机构层）;16层InternalPlane（内层电源层）;2层SolderMask（防焊层）;2层PasteMask（锡膏层）;2层Silkscreen（丝印层）;2层钻孔层（钻孔引导和钻孔冲压）；1层KeepOut（禁止层）;1层Multi-Layer（横跨所有的信号板层）。

2）特殊元件的布局

（1）高频元件：

高频元件之间的连线越短越好，设法减小连线的分布参数和相互之间的电磁干扰，易受干扰的元件不能离得太近。

隶属于输入和隶属于输出的元件之间的距离应该尽可能大一些。

（2）具有高电位差的元件：

应该加大具有高电位差元件和连线之间的距离，以免出现意外短路时损坏元件。

为了避免爬电现象的发生，一般要求2000V电位差之间的铜膜线距离应该大于2mm，若对于更高的电位差，距离还应该加大。

带有高电压的器件，应该尽量布置在调试时手不易触及的地方。

（3）重量太大的元件：

此类元件应该有支架固定，而对于又大又重、发热量多的元件，不宜安装在电路板上。

（4）发热与热敏元件：

注意发热元件应该远离热敏元件。

（5）可以调节的元件：

对于电位器、可调电感线圈、可变电容、微动开关等可调元件的布局应该考虑整机的结构要求，若是机内调节，应该放在电路板上容易调节的地方，若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相对应。

（6）电路板安装孔和支架孔：

应该预留出电路板的安装孔和支架的安装孔，因为这些孔和孔附近是不能布线的。

2.3PCB板制作基础技术

主要采用了热转移的原理.利用激光打印机的“碳粉”（含黑色塑料微粒）受激光打印机的硒鼓静电吸引，在硒鼓上排列出精度极高的图形及文字，在消除静电后，转移于经过特殊处理的专用热转印纸上，并经高温熔化热压固定,形成热转印纸版，再将该热转印纸覆盖在敷铜板上,由于热转印纸是经过特殊处理的,通过高分子技术在它的表面覆盖了数层特殊材料的涂层，使热转印纸具有耐高温不粘连的特性,当温度达到180.5℃时，在高温和压力的作用下，热转印纸对融化的墨粉吸附力急剧下降，使融化的墨粉完全吸附在敷铜板上,敷铜板冷却后,形成紧固的有图形的保护层,经过腐蚀后即可形成做工精美的印制电路板。

制作方法与步骤:

1.用Protel制作好印制电路板图形。

2.用激光打印机打印在热转印纸上。

3.用细砂纸擦干净敷铜板，磨平四周，将打印好的热转印纸覆盖在敷铜板上，送入照片过塑机（调到180.5~200℃）来回压几次，使融化的墨粉完全吸附在敷铜板上。

4.敷铜板冷却后揭去热转印纸，放到FeCl3溶液中腐蚀后即可形成做工精细的印刷电路板。

（注意：

热转印纸是一次性用纸，不可多次使用，以免影响激光打印机硒鼓寿命）

平时多余的转印纸应保存在阴凉干燥处，不可受日光长期照射，否则影响转印效果。

总结经验如下：

1、为保险起见，建议布线的宽度在15mil或以上。

2、线距定在10mil或以上

3、零件焊盘可以定义大一点。

我是定义为四方的70*70mil.IC脚是定为为方的60*80

4、打印时将过孔也要打印出来，这样，钻孔时就有定位，非常方便。

5、用烫斗的温度不要过高。

我的National烫斗有6档，我只用到第3档。

过高的温度可能会烫坏敷铜板。

6、用烫斗的时间大约1分钟左右，用力压及不同方向移动。

7、不要在敷铜板热的时候撕开热转印纸，否则会将热转印纸的胶也撕在铜板上，影响腐蚀。

8、请准备好笔尖较细的油性笔，可以补救稍有问题的转印。

本章小结：

在做一个工程时，一定要先仿真，看看效果之后再来画原理图，画图的时候一定要仔细，做PCB板的时候，也要按照其中的规则仔细作图。

第三章总体方案设计

3.1芯片简介

3.1.1芯片CD4017

（1）CD4017

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。

（2）工作条件编辑

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℃

（3）极限值编辑

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℃

（4）功能符号编辑

CO：

进位脉冲输出CP：

时钟输入端

CR：

清除端INH：

禁止端

VDD：

正电源VSS：

地

Q0-Q9计数脉冲输出端

（5）管脚

1脚：

第5输出端

2脚：

第1输出端

3脚：

第0输出端

4脚：

第2输出端

5脚：

第6输出端

6脚：

第7输出端

7脚：

第3输出端

8脚：

电源负极

9脚：

第8输出端

10脚：

第4输出端

11脚：

第9输出端CD4017管脚图

12脚：

级联进位输出端，每输入10个时钟脉冲时，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

3.1.2芯片NE555

（1）NE555

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号

（2）主要特点

1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。

其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。

3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

（3）引脚

Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。

Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。

触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。

Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。

周期的结束输出回到O伏左右的低电位。

Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。

它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。

Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。

当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。

Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。

NE555管脚图

3.2方案设计

CD4017具有10个译码输出端，CLK为脉冲信号输入端，时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟上升和下降时间无限制，随着脉冲的输入CD401710个输出引脚依次输出高电平，当完成10个输出时CD4017自动复位，CO（进位输出）在前五个脉冲为高电平，后五个脉冲时为低电平。

运用555时基电路构成多谐震荡器以提供时钟脉冲。

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。

主要特点：

1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。

其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。

3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

本章小结：

首先要理解每个芯片的功能与其逻辑对应关系，了解芯片在电路当中的作用和连接规律,设计方案要清晰。

第四章硬件设计

4.1设计要点

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。

计数器是用来累计和寄存输入脉冲个数的时序逻辑部件。

在此电路中采用十进制计数分频器4017它是一种用途非常广泛的电路。

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依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。

显示电路主要由发光二极管组成，当4017的输出依次输出高电平时，驱动发光二极管也依次点亮，产生一种流动变化的效果。

4.2方案总体电路及其工作原理

4.2.1总体电路

在protues中的仿真图如下

4.2.2工作原理

NE555时基电路组成振荡电路，电源VCC通过电阻R2、RP1向电容C1充电，当充电到一定程度后，2、6脚电压升高，当2、6脚电压升高到2/3VCC后，3脚输出为低电平，7脚对地呈低阻态，电容C1通过电位器和7脚对地放电，当放电至使2、6脚电压低于1/3VCC时，3脚输出为高电平，7脚对地呈高阻态，VCC通过RP1又开始对电容C1充电，周而复始。

通过调节RP1的阻值，可以改变电容充放电的时间常数从而改变3脚输出脉冲的频率。

从3脚输出振荡脉冲作为CD4017工作的时钟脉冲，在时钟脉冲的作用下，CD4017十进制计数器开始计数，从10个输出端依次输出高电平，不断循环。

10只发光二极管被依次点亮。

定时器由一块时基集成电路NE555和C1、C2、R1、R2等组成（其中C1为延时充电电容，C2为抗干扰隔离电容，R1、R2为延时充电电阻，而R2又为放电电阻）。

通电后，因电容C1两端电压不能突变，2脚的电压为低电平，集成块NE555的内部触发器被置位，3脚输出高电平。

同时，由于电源经电阻R1和R2向C2充电，使6脚和2脚的电压不断提高，当电位上升到VCC的2/3时，集成块NE555的内部触发器被复位，3脚的输出电压翻转为低电平。

同时集成块NE555内部的放电管导通，即7脚通过内部的放电管和1脚相通，C2上储存的电荷就通过R2、7脚放电，使6脚和2脚的电压不断下降，当电位降低到VCC的1/3时，集成块NE555的内部触发器被置位。

同时集成块NE555内部的放电管截止，7脚被悬空，电源又通过R1、R2向C2充电，使6脚和2脚的电压不断提高……如此，周而复始，形成振荡。

输出端的高电平维持时间取决于电容C2的充电时间常数，输出端的低电平维持时间取决于电容C2的放电时间常数。

由于R2≥R1，故可以认为f放≈f充，目的是减小彩灯熄亮交替的时间间隔的差异。

如用作其他情况，需要调整R1、R2、C2的参数。

综上分析，3脚始终处于高电平和低电平的二进制变化状态，故此电路又称为无稳电路。

3.1.2脉冲分配器4017及其简单应用其功能是：

当复位端Cr加上高电平和正脉冲时，输出端Q0为高电平，其余9个输出端Q0～Q9均为低电平。

时钟输出端CP对输入时钟脉冲的上升沿计数，EN则对时钟脉冲的下降沿计数。

Q0～Q9这10个输出端的输出状态分别与输入的时钟个数相对应。

如从0开始计数，则输入到第1个时钟脉冲时，Q1就变成高电平，输入第2个时钟脉冲时，Q2变成高电平……直到输入第10个时钟脉冲，Q0变为高电平。

同时，进位端C0就输出一个进位脉冲，作为下一级计数的时钟信号。

Cr为复位端，也为清零端。

当Cr输入高电平时，电路复位，即输出端Q0为高电平，Q1～Q9为低电平。

如此反复，只要集成块NE555的3脚送来的二进制信号不消失，CD4017将二进制信号转换为十进制信号的计码工作就会反复进行下去。

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。

本章小结：

本章是电路的硬件设计部分，要明白电路的逻辑连接关系，主要是知道CD4017芯片的工作原理。

第五章电路板的调试与测试

5.1电路板的调试

（1）检查电路设计的原理图即导线的链接，并确定导线的链接与电路原理图一致。

（2）检查导线的链接，并检查导线是否断路，根据电路原理图，用数字万用表打到合适的档位，测试各导线对应的按点是否导通。

（3）检查试验仪器和器材是否完好，电源5V直流电压输出正常。

发光二极管全部可以正常发光，电阻和电容全部正常，电位器可以正常调节。

芯片CD4017和定位器NE555工作正常。

当接通电源，流水灯可以正常顺畅的流动。

5.2电路板的测试

（1）流水灯没有正常流动，首先检查电路板是否有虚焊或短路，检查之后重新测试；若仍有问题，检查原件是否有错误焊接，并进行修正。

（2）流水灯只有部分闪烁，使用