多功能流水.docx
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多功能流水
课程设计说明书
课程设计名称：
数字逻辑
课程设计题目：
多功能流水灯
学院名称：
信息工程学院
专业：
计算机科学与技术班级：
110451
学号：
11045106姓名：
曹海潮
评分：
教师：
2013年6月16日
数字逻辑课程设计任务书
2011－2012学年第二学期 第15周－16周
题目
多功能流水灯
内容及要求
〖基本要求〗
1.设计一个彩灯控制电路，能使彩灯的流向可以变化。
2.实现彩灯流速可以改变；
3.彩灯可以间歇流动；
〖提高要求〗
1.按下开关，在彩灯频率比较低的情况下，开关可使彩灯依次暂停。
2.实现流水灯的显示图案循环的控制电路，如间隔一盏灯实现循环，单向流水。
进度安排：
1、根据任务要求，查阅相关资料，完成设计的前期工作；（两天）
2、根据资料，进行方案设计并对比论证，完成参数计算；（三天）
3、库房领取元器件，联接电路，完成电路调试；（五天）
4、检查完毕后，撰写实验报告。
学生姓名：
曹海潮
指导时间：
2013年6月3日到2013年6月13日
指导地点：
综合楼509室
任务下达
2013年6月3日
任务完成
2013年6月13日
考核方式
1.评阅□ 2.答辩□3.实际操作√4.其它□
指导教师
彭嵩
系（部）主任
康密军
注：
1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
摘要
这次设计的多功能流水灯是CC4510芯片,CD4013芯片，CC4028芯片NE555芯片的集成电路，是CC4510芯片,CD4013芯片，CC4028芯片和NE555芯片的综合运用。
该流水灯的功能是能够根据需要实现自动或手动控制彩灯的正逆流向。
本次设计的方案中利用555定时电路组成一个多写振荡器，发出脉冲，作为计数器的时钟脉冲源。
通过分频器改变时钟脉冲的频率，从而改变流速；CC4510计数器和CC4013触发器进行计数和控制流向实现正逆向流水，配合二极管，进而形成相应的多功能流水灯电路。
在整个课题设计的准备和调试过程中，通过与同组人的共同努力，顺利地完成了课程的设计和制作。
准备工作主要是收集信息，通过互联网查找一些相关的资料，并向学长虚心学习一些经验。
调试过程中发现了一些问题，通过共同的分析研究得到的解决，此次的课程设计巩固了前阶段所学的理论知识，增强了动手时间能力。
在这次设计过程中，采用了模块设计，使得电路能更简洁，在排除障碍过程中也能很好的找到问题的根源。
根据原理图，领好元器件，排好版后，连接线路。
关键字：
多功能，流水，正逆
目录
前言………………………………………………………………………………1
第一章设计要求及系统组成………………………………………………2
1.1要求设计………………………………………………………2
1.2系统组成………………………………………………………2
第二章系统设计方案选择…………………………………………………3
2.1方案一…………………………………………………………3
2.2方案二…………………………………………………………4
2.3方案三…………………………………………………………4
第三章设计方案及工作原理………………………………………………5
3.1时钟信号电路……………………………………………5
3.2计数译码电路……………………………………………7
3.3控制电路…………………………………………………8
3.4总体电路…………………………………………………9
第四章实验，调试及测试结果与分析…………………………………11
结论……………………………………………………………………………12
参考文献………………………………………………………………………13
附录一芯片管脚功能图…………………………………………………14
附录二元件清单…………………………………………………………18
附录三电路原理总图……………………………………………………19
前言
随着电子技术的快速发展尤其是数字技术的突飞猛进，多功能流水灯凭着简易，高效，稳定等特点得到普遍的应用。
在各种娱乐场所、店铺门面装饰、家居装潢、城市墙壁更是随处可见，与此同时，还有一些城市采用不同的流水灯打造属于自己的城市文明，塑造自己的城市魅力。
目前，多功能流水灯的种类已有数十种，如家居装饰灯、店铺招牌灯等等。
所以，多功能流水灯的设计具有相当的代表性。
多功能流水灯，就是要具有一定的变化各种图案的功能，主要考察了数字电路中一些编码译码、计数器原理，555定时器构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲，设计过程中需要了解相关芯片（NE555、CC4510）的具体功能，引脚图，真值表，认真布局，在连接过程中更要细致耐心。
现在在国内外，彩灯流水控制技术已经相当成熟。
但是这一点并不能否认我们对其进行数字逻辑课程设计。
因为其中对逻辑电路进行设计分析的思路仍然值得我们去学习和研究。
故本次的设计课题为设计一个彩灯流水控制电路，其主要部分实现定时功能，通过可逆计数器和译码器来实现正、逆流水功能，利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能。
主要使用555定时电路、CD4510、CD4013和CD4028来实现，通过调节电阻阻值可以使实验现象更明显。
通过这次课程设计，明白了一般的电子产品的设计及制作过程的复杂，加深了对所学知识的了解和掌握了许多芯片的使用方法。
第1章设计要求及系统组成
1．1设计要求
1、功能要求：
设计一个彩灯流水控制电路，其主要部分实现定时功能，即在预定的时间到来时，如何产生一个控制信号控制彩灯的流向、间歇等，可通过利用中规模集成电路中可逆计数器和译码器来实现正、逆流水功能，利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能。
2、工作原理：
555定时电路组成一个多谐振荡器，发出脉冲，作为计数器的时钟脉冲源。
通过滑动变阻器改变阻值从而改变时钟脉冲的频率；使用CD4510加/减计数器和CD4013触发器加上一个非门进行计数和控制流向实现正逆向流水，CD4028译码器进行译码。
1．2系统组成
原理框图如图1-1所示：
图1-1等功能流水灯原理框图
第2章系统设计方案选择
设计方案
2.1方案一：
本方案是从网络上找到的一电路。
设计的多功能流水灯原理电路图如下图所示。
原理电路图由振荡电路、译码电路和光源电路三部分组成。
脉冲发生器是由NE555与R2、R3及C3组成的多谐振荡器组成，主要为灯光流动控制器提供流动控制的脉冲。
流动速度可通过电位器RP进行调节。
灯光流动控制器由一个十进制计数脉冲分配器CD4017和若干电阻组成。
CD4017的CP端受脉冲发生器输出脉冲的控制，其输出端（Q0~Q9）将输入脉冲按输入顺序依次分配。
输出控制的脉冲，其输出控制脉冲的速度由脉冲发生器输出的脉冲频率决定。
12个电阻与CD4017的10个输出端Q0~Q9相连，当Q0~Q9依次输出控制脉冲时6个发光二极管按照接通回路的顺序依次发光，形成流动发光状态，实现正逆向流水的功能。
电源电路采用电容降压，二极管整流和稳定管稳压的供电方式，直流工作电压由稳压管的稳压值决定。
本电路所采用的电源为5V。
系统电路如图2-1所示：
图2-1系统方案1电路
次方案基本实现了控制彩灯的流向，通过利用中规模集成电路中可逆
数器和译码器实现正、逆流水功能等，但未达到实现自控、手控等功能。
2.2方案二：
原理电路图由振荡电路、译码电路和光源电路三部分组成。
在设计电路时，选用的脉冲发生器是由NE555与R2、R3及C3组成的多谐振荡器组成。
主要是为灯光流动控制器提供流动控制的脉冲，灯光的流动速度可以通过电位器RP进行调节。
由于RP的阻值较大，所以有较大的速度调节范围。
灯光流动控制器由一个十进制计数脉冲分配器CD4017和若干电阻组成。
系统电路如图2-2所示：
图2-2系统方案2电路
此方案不足之处是不能手控，和正，逆流水。
只是实现了基本功能。
2.3方案三：
本方案是在通过与同组人的共同研讨分析及挑选下得到的一电路。
本电路通过利用中规模集成电路中可逆计数器和译码器来实现正、逆流水功能，利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能，基本达到设计要求。
第三章设计方案及工作原理
3.1时钟信号电路：
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。
当555定时器组成自激多谐振荡器时，输出的矩形脉冲的周期为：
T=0.7*（R1+R2）*C。
高电平暂稳态的持续时间为：
T1=0.7*（R1+R2）；低电平的暂稳态持续时间为：
T2=0.7R2*C。
占空比：
q%=R1/（R1+R2）
图3-1555组成的多谐振荡器
当555定时器组成自激多谐振荡器时，输出的矩形脉冲的周期为：
T=0.7*（R1+R2）*C。
高电平暂稳态的持续时间为：
T1=0.7*（R1+R2）；低电平的暂稳态持续时间为：
T2=0.7R2*C。
占空比：
q%=R1/（R1+R2）。
本电路中，调节可变电阻R2便可改变振荡电路的频率，反映在CD4028输出端则是流动的速率。
图3-2555工作波形图
3.2计数译码电路：
由CC4510计数器和CC4028译码器组成，实现20个彩灯的正逆水、间歇流水功能。
图3-3流水计数译码电路
CD4510计数器:
1.具有BCD计数功能。
2.具有清除控制功能，故多了一只清除控制端R。
清除端R在使用上具有最高优先权，及当R=1，则Q不论其它输入为何，其输出QDQcQBQA必皆被清除为0，令R=0，正常计数。
其功能：
Ci：
进位输入端，当其为1，则clock输入都无效，只有在Ci=0时，clock的正缘触发才能使计数器计数。
Co：
进位输出端，平常输出都保持在1，只有在上数计数到9，或下数计数到0时才会变为0输出，以作为进位或借位之准备，直到下一个时序信号的正缘输入才转为1。
因此做计数器串联时，需将个位数Ci接地，而将其Co接到十位数计数的Ci中。
CD40284线－10线译码器：
CD4028是BCD－十进制或二进制－八进制译码器，它由4个缓冲输入端口、译码逻辑门和10个缓冲器组成。
加至四个输入端口A0～A3的一个BCD码在十个十进制译码器输出十个相应的顺序脉冲，输出为高电平有效。
同样，若A3＝0，加在输出口具有高驱动能力，以在高输出应用中增强直流和动态性能。
CD4028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。
3.3控制电路：
由CC4510计数器和CC4013双D触发器组成，实现手控和自控功能。
而CC4027可用于性能控制、寄存器和触发器等电路。
加在输入端的逻辑电平通过内部自行调整来控制每个触发器的状态，在时钟脉冲上升沿改变触发器状态，置位和复位功能与时钟无关，均为高电平有效。
其流水控制电路如图3-3所示。
图3-4流水控制电路
3.4.总体电路：
如图所示为可逆式流水彩灯控制电路。
该控制器主要由脉冲发生器、单时钟二一十进制加、减法计数器、4—10线译码器和加、减计数反馈控制器等组成。
脉冲发生器由NE555和电阻、电容组成，其产生低频信号的频率为
f=1/T=1/0.7（R1+R2）c，图示参数对应最低值约为1Hz，且输出脉冲信号加至加、减法计数器的CP端，作为计数脉冲。
IC1的U/D端为加/减计数控制端，当10脚为高电平时，IC1作加法计数，当10脚为低电平时，IC1作减法计数。
CC4013是D触发器，其D端与Q非端相连，构成计数状态，
即CP端每有一个脉冲出现，触发器的状态就改变一次。
电源电路接通时。
微分电路C2、R3给IC1的Cr端提供一个正向尖脉冲，使IC1清零，相应译码器CC4028的“0”端输出高电平，该高电平又加至IC3的R端（①脚），使其置0,相应⑥脚为高电平，lC1⑩脚为高电平，使IC1作加法计数。
当C003向IC1送入一个计数脉冲时，IC1的QA～QD端的BCD码经二-十进制译码器IC2译码后，在其“0”～“9”十个输出端依次输出高电平。
若此十个输出端通过接口电路与继电器或可控硅相连，则可使继电器或可控硅所挂彩灯从“0”～“9”依次点亮。
当IC2的“9”端输出高电平时，此电平信号加至IC3的CP端，使其翻转，IC1的U/D端变成低电平，则IC1从下一个时钟脉冲开始作减法计数，这会使所控彩灯从“9”～“0”依次点亮。
当IC2的“0”端输出高电平时，重复上述过程，使IC1又作加法计数。
图3-5电路总图
第4章实验，调试及测试结果与分析
完成电路设计，安装元器件及连好导线后，进行实验结果测试。
实验前首先完成以下步骤：
1.检查电路原理图及导线的连接。
在电脑上仿真，能够得出正确的实验现象，
所以电路原理图正确。
检查导线的连接是否与电路原理图上一致。
2.检查导线的连接。
对照电路原理图，用数字万用表打到合适的档位，测试各对应的接点是否连接好并导通。
3.检查实验仪器和器材是否完好。
电源5伏直流电压输出正常，CC4510等芯片测试其功能均正常，用万用表检查开关，按下时导通均正常。
完成上述步骤后，接通5伏的直流电源，实验现象为：
按下开关，发光二极管出现循环亮暗变化，通过改变相关电容的大小，进一步确定发光二极管各自发光停留的时间，从而形成多彩的流水灯效果。
至此，多功能流水灯电路设计，调试与实验成功。
结论
经过不断的检查、调试和分析，成功完成了多功能流水灯的基本要求和部分提高要求，得出了正确的实验现象，按下电源开关，电路可在预定的时间到来时，产生一个控制信号控制彩灯的流向，与此同时，通过利用中规模集成电路中可逆计数器和译码器来·实现正、逆流水功能，利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能。
实验的检查测试阶段，实验现象不符合理论时，切忌过分紧张和焦急，而应该冷静地检查分析存在的问题，在导线的连接过程中，作者连一根检查测试一根，查处问题及时解决，避免了完成连接后出现问题无头绪，没法解决的局面。
这也是每个人在平时的实验过程中值得重视和注意的。
多功能流水灯的设计这个课题重点考察了对数字电路知识的理解和应用，如试验中的编码和译码，555定时器的应用，进一步强化和巩固了理论知识的学习，理论和实践相结合，从而更好地掌握所学知识，达到学为所用的目的。
可惜的是，由于时间不够充分，本次所设计的多功能流水灯的功能并不是很完善，作者与同组人并未使流水灯电路实现间歇功能。
不过，总体来说，这次实习获益胜多。
不仅培养了实践能力，还培养了设计思维，同时也锻炼了动手实际操作能力，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，锻炼了运用所学知识的灵活性，加深了对知识的理解及提高了解决问题的能力。
在体会到设计电路的艰辛的同时，更能体会到成功喜悦和快乐。
参考文献
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[4]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2002.2
[5]康华光.电子技术基础数字部分（第四版）.高等教育出版社.2003.3
[6]崔瑞雪.电子技术动手实践.北京航空航天大学出版社.2007
[7]赵珂，彭嵩.脉冲与数字电路实验指导书.南昌航空大学电子信息工程学院实验实践中心.2008
[8]杨志忠.数字电路逻辑设计.高等教育出版社.2008
附录一芯片管脚功能图
NE555管脚图
CC4510管脚图
CC4510真值表
CC4028管脚图
CC4028真值表
4013D管脚图
4013D真值表
附录二元件清单
序号
类型
型号
数量
1
芯片
CC4510
1
2
CC4028
2
3
CD4013
1
4
555
1
5
电阻
4.7kΩ
1
6
100kΩ
1
7
电容
10μf
1
8
0.01μf
1
9
二极管
发光二极管
20
10
滑动变阻器
100kΩ
1
11
开关
Key
2
附录三电路原理总图
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