电子LED幸运转盘Word格式文档下载.docx
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四、设计时间
年月日至年月日
指导教师签名：
专业负责人签名：
年月日
1设计目的
本次设计本着锻炼学生的动手能力和思考能力的目的，把所学知识与实际相结合。
学生通过理论设计和实际制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《数字电子技术》一书中所学的理论知识和实验技能，掌握模拟电子系统的一般设计方法，提高设计能力和实际动手能力，为以后从事电子产品打下良好的基础。
提高学生的就业竞争力，激发我校大学生事实就是，刻苦钻研，发扬团队合作精神，培养学生的创新思维和动手实践能力。
加强学生对专业前沿技术的学习和能力的培养。
例如，焊接技术，自我解决问题的能力。
同时在设计以及实践的过程中不仅可以充分运用所学知识于实际中，还可锻炼学生的思维能力和知识拓展能完成力，调动学生学习电子信息技术的积极性。
2设计任务与要求
1.可用10个发光二极管模拟幸运物。
2.启动开关后，发光二极管高速循环点亮。
3.二极管循环点亮速度越来越慢，并最终随机停止于某个灯上。
3设计方案与论证
3.1设计思路
根据电子幸运转盘的功能要求，将电路划分为四个单元功能模块，即时钟信号发生模块、译码驱动LED显示模块、十进制计数模块和开关等逻辑控制。
3.2设计方案
本电路由555组成的多谐振荡器和CD4017十进制计数器／脉冲分配器组成。
10颗发光二极管模拟幸运物，当按下启动键1秒以上，发光二极管高速循环点亮，几秒钟后旋转速度越来越慢并最终随机停止于某颗灯上。
可以将每颗灯旁边标上幸运物品作为摇奖器。
47μF电解电容的数值决定延迟时间，1μF的电解电容数值决定循环速度。
电源供电电压为直流5V，也可以采用3节1.5V电池供电。
电子幸运转盘设计方框图如下图3-1所示。
图3-1电子幸运转盘电路系统方框图
3.3设计论证
若当按下开关1秒以上，发光二极管高速循环点亮，几秒钟后旋转速度越来越慢并最终停于某颗灯上。
重复试验，停留的位置随机。
则设计成功,否则,设计失败。
4设计原理及功能说明
4.1电路的设计原理
脉冲产生器由NE555及外围元件构成多谐振荡器，当按下按键S1时Q1导通，NE555的3脚输出脉冲，则CD4017的10个输出端轮流输出高电平驱动10只LED轮流发光。
松开按键后，由于有电容C1的存在，Q1不会立即截止，随着C1两端电压的下降，Q1的导通程序逐渐减弱，3脚输出脉冲的频率变慢，LED移动频率也随之变慢。
最后当C1放电结束后。
Q1截止，NE555的3脚不再输出脉冲，LED停止移动。
一次“开奖”过程就这样完成了。
R2决定LED移动速度，C1决定等待“开奖”的时间。
4.2 NE555的使用
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。
一般用双极型（TTL）工艺制作的称为555，用互补金属氧化物（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4.5V~16V工作，7555可在3~18V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。
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2VCC/3
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的反相输入端的电压为2VCC/3，C2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
2脚：
低触发端
3脚：
输出端Vo
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
6脚：
TH高触发端。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
图4—1NE555内部原理
单稳态触发器只有一个稳态状态。
在未加触发信号之前，触发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定状态。
单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。
接通电源后，未加负脉冲，而C充电，UC上升，此时，电路输出为低电平，放电管T导通，C快速放电.这样，在加负脉冲前，为低电平，这是电路的稳态。
在t=t0时刻负跳变,TH端电平小于2/3UDD所以输出翻为高电平，T截止，C充电。
按指数规律上升。
t=t1时，负脉冲消失。
t=t2时上升到（此时TH端电平大于TR端电平大于,又自动翻为低电平。
在这段时间电路处于暂稳态。
t>
t2，T导通，C快速放电，电路又恢复到稳态。
由分析可得：
输出正脉冲宽度tW=1.1RC
图4—2NE555单稳态工作电路和波形图
4.3CD4017的工作原理
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。
十进制计数／分频器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、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
CD4017有10个输出端（O0～O9）和1个进位输出端～O5-9。
每输入10个计数脉冲，～O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
CD4017有3个输（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1～O9）均为低电平。
CP0和～CPI是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；
若要用下降沿来计数，则信号由～CPI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。
图4－3CD4017引脚图
4.4发光二极管的工作原理
发光二极管简称为LED。
由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。
LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写。
\
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
发光二极管的反向击穿电压约5伏。
它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
限流电阻R可用下式计算：
R=（E－UF）/IF
式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流[1]。
图4－4LED示意图
LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
以下是传统发光二极管所使用的无机半导体物料和所它们发光的颜色
LED材料
颜色
铝砷化镓（AlGaAs）
红色及红外线
铝磷化镓（AlGaP）
绿色
磷化铝铟镓（AlGaInP）
高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色
磷砷化镓（GaAsP）
红色，橘红色，黄色
磷化镓（GaP）
红色，黄色，绿色
氮化镓（GaN）
绿色，翠绿色，蓝色
铟氮化镓（InGaN）
近紫外线，蓝绿色，蓝色
碳化硅（SiC）（用作衬底）
蓝色
硅（Si）（用作衬底）
蓝色（开发中）
蓝宝石（Al2O3）（用作衬底）
硒化锌（ZnSe）
钻石（C）
紫外线
氮化铝（AlN）,氮化铝镓（AlGaN）
波长为远至近的紫外线
4.5三极管9013工作原理
三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。
三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。
当前，国内各种晶体三极管有很多种，管脚的排列也不相同，在使用中不确定管脚排列的三极管，必须进行测量确定各管脚正确的位置（下面有用万用表测量三极管的三个极的方法），或查找晶体管使用手册，明确三极管的特性及相应的技术参数和资料。
非9014,9013系列三极管管脚识别方法：
（a）判定基极。
用万用表R×
100或R×
1k挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。
当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。
这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b。
黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值都较小，则可判定被测管子为PNP型三极管；
如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管如9013，9014,9018。
（b）判定三极管集电极c和发射极e。
（以PNP型三极管为例）将万用表置于R×
1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。
在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；
在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。
D不拆卸三极管判断其好坏的方法。
在实际应用中、小功率三极管多直接焊接在印刷电路板上，由于元件的安装密度大，拆卸比较麻烦，所以在检测时常常通过用万用表直流电压挡，去测量被测管子各引脚的电压值，来推断其工作是否正常，进而判断三极管的好坏。
如是象9013，9014一样NPN的用万用表检测他们的引脚，黑表笔接一个极，用红笔分别接其它两极，两个极都有5K阻值时，黑表笔所接就是B极。
这时用黑红两表笔分别接其它两极，用舌尖同时添（其实也可以先用舌头添湿一下手指然后用手指去摸，反正都不卫生）黑表笔所接那个极和B极，表指示阻值小的那个黑表所接就是C极。
（以上所说为用指针表所测，数字表为红笔数字万用表内部的正负级是和指正表相反的。
）
图4－5三极管9013引脚图
4.6CD4017与NE555在电路中的作用
在4017的14端接上一脉冲产生器便可成为电子幸运转盘。
脉冲产生器是一个用计时器集成电路555设计而成的无稳态多谐波振荡器，产生高低变化不停得方形脉冲波。
当按一下按钮式开关（PBSW）时，C1会及时充电至电源电压9V，此电压经晶体管（TR）缓冲放大器后施加在IC2555无稳态多谐波振荡器的重置端上，令其开始震荡，在第三端输出方波脉冲。
当按钮式开关放开后，C1会经R1放电，其电压徐徐下降，IC3第4端的电压变得很低，令震荡停止，第三端停止输出方波脉冲。
5单元电路的设计
5.1电源装置
一般情况下，我们使用的电源信号都是交流电源即220V,50HZ。
，而我们所设计的幸运大转盘所采用的5V直流电源信号，由于这种信号不是很常见，而在实验室中备有220V的转换为5V的电源装置，此装置包括变压器、整流电路、稳幅。
其中整流电路是单相桥式整流电路，稳幅电路是一个三端集成稳压管。
若实现稳压电源，首先就要就电路进行稳压。
在稳压方面可选用变压器来完成。
由输入交流电压变为直流则须对电路进行整流。
本次设计选用全波桥式整流电路进行整流，然后要对输入的电压进行调节，在调节方面可选用可调节三端正电压稳压器进行调节（LM317）。
通过整流后得电流幅值变化很大，所以需要用电容对电流进行滤波。
如此下去，便得到全波整流电压。
但是考虑到本设计的目的是作为课题，所以决定不采用实验室的电源装置，而是选择使用干电池供电，虽然电压不能达到5V，但是三节干电池的串联使其电压达到4.5V，能够满足需要。
5.2应用电路设计
我们设计的是电子幸运转盘，主题是NE55和CD4017的连接装置，从电路图到实际电路的转换，需要注意元器件的串并联。
4017是一个十进计数器集成电路，16脚及8脚分别为正及负电源接脚，可在3-18V下工作。
14脚是时钟脉冲输入端，每当输入由低电位（约0V）转高电位（近正电源电压）时令输出脚（共十脚）依次序轮流输出高电位。
13脚是输入时钟脉冲控制端，一般接低电位，若接高电位会令14脚暂停作用。
15脚是置零脚，一般接零电位，若接高电位则使输出置零，即Q0输出脚”3”永远为高电位，失去计数作用。
12脚是进位脚，用来接下一个十进计数器用，变成双位计数器，现在的电路不用，故空接。
在4017的14脚接上一脉冲产生器便可成为电子幸运轮盘。
脉冲产生器是一个用定时器集成电路555设计而成的无稳态多谐波（方波）振荡器，产生高低变化不停的方型脉冲波。
当按一下按钮式开关（时，C1会实时充电至电源电压9V，此电压经晶体管（TR）缓冲放大器后施加在IC555无稳态多谐波（方波）振荡器的重置脚即4脚上，令其开始振荡，在第3脚输出方波脉冲。
当按钮式开关放开后，C1会经R1放电，其电压徐徐下降，IC2第4脚的电压也跟随下降。
在一定的时间后（由C1乘R1的时间常数决定，一般约十秒内），IC2第4脚的电压变得很低，令振荡停止，第3脚停止输出方波脉冲。
IC2555在起动时，第3脚输出约等于电源电压的高位电压，经R3向C3充电，当C3电压升至2/3电源电压时，经第六脚触发内部的电压比较器，令第3脚变为接近零的低电位。
之后C3经R3放电，当C3电压下降至1/3电源电压时，经第二脚触发内部另一个电压比较器，使第3脚变回高输出电位，再次重复向C3充电。
结果C3不停经R3充电和放电，555第3脚不停输出方型脉冲波。
R3及C3数值越大，频率越低。
R3及C3数值越小，频率越高。
6硬件的制作
6.1电烙铁的使用
常用就是内热式和外热式两种，还有可调温的，焊台，专用于拆卸电子原件的吸锡电烙铁等，20几W到上百W的都有;
烙铁头有尖头，平头，斜头，弯头等，有用纯铜做烙头还有长寿电烙铁头，初学者焊电路可以用30W长寿烙铁头的外热式。
外热式是烙铁头插到发热材料中，内热式是烙铁头在发热材料外.
一般来说，称职专业的高级技工（电工高级技师）家里都储存有几把电烙铁，以供不同场合需要，我家里就有九把不同的电烙铁。
使用别人用过的电烙铁，或买二手市场的烙铁，一定要注重质量、反复检查。
市面上粗制滥造的产品很多，应该有所认识和提防，否则，会把性命搭上。
电烙铁提倡专用，一般不应该公用和混用。
烙铁头的形状有多种多样，选择的要点是，能经常保持一定的焊锡，能快速有效地熔化接头上的焊锡，不产生虚焊、搭锡、挂锡，焊点无毛刺，不烫坏板子和元件。
机器上的焊点崭新锃亮，则烙铁头的何截面可大些，用扁平或椭圆头，传热快自然操作利索。
锡面氧化层较厚，烙铁头相对要尖些，便于突破。
元器件密度大，需要选用对应尖细的铁合金头，避免烫伤和搭锡。
装拆IC块，常使用特殊形状的烙铁头。
有时因为焊不到，和避免烫坏塑料件，选用弯烙铁头。
当然，也要看各人的操作习惯和嗜好。
内热式电烙铁上锡，刚锉好的烙铁头不一定能蘸锡，因为通电加热，金属表面又氧化了，这时可以把锉过的表面涂了松香，或浸在松香里，放在锡块上磨，锡融化后就在下边的硬木或环氧板上拖着锡珠磨，这样蘸锡相当可靠。
一边加热一边烙铁头，这样容易蘸锡，但也很危险，万一烙铁质量不可靠，会发生意外。
不要把烙铁头前端都蘸满锡，否则，也会搭锡。
而恒温烙铁的铁合金头是镀锡的，普通方法不能行成足够厚的锡合金层，不蘸锡了只有换新。
蘸锡不好的烙铁，常常给修理带来巨大的麻烦。
电烙铁的握法基本有两种，一种是满把抓住手柄，实握，初学者都这种方法，能够做到心应手;
另一种是头子朝下，象拿钢笔一样，虚握，老资格都这样拿，虚握操作时速度快，效率高，特别是装拆小型元器件。
当然，生产线上也有跟着设计文件来的其他拿法。
不能让头发和电线绞在一起，手汗大的，要带上手套焊接。
操作电源插头，手一定要捏牢绝缘部分，用力适度，防止松脱、损坏和伤害。
每天要用的电烙铁，应该加装电源开关，而不是操作接插件。
烙铁头别长时间浸在助焊剂里，其他部位不能碰到助焊剂。
不能使用其他腐蚀性很强的化工产品作助焊剂。
松香属于经典助焊剂，也有性能更好的新型液态焊剂，只是价格稍贵。
松香盒应采用层压板或硬木板制作，为了搪锡的热效率，一般不使用金属材料。
掌握焊接应该多进行练习，对各种型号的烙铁都要有实际操作。
最好有老师傅指导，把各种零件、元器件、焊片、接线端子，都试着焊一些。
刮脚、蘸锡、搪锡，一定要非常娴熟，多练会使功夫变扎实。
充分运用松香，会使焊接可靠、美观。
焊锡完全凝固后，焊点才能受力，否则一定虚焊。
拆零件时，烙铁应该往锡多的地方靠，这样传热快。
装配时，焊锡丝应该往印板铜箔或接线端子上送，往烙铁上送,常发生虚焊。
有的地方，为了焊接强度，焊锡要多用点，有时为了减少整机重量，则焊锡要少用。
焊接前烙铁要预热，通电时间短，温度不够不要焊接；
操作完毕要及时切断电源，也不要用断电后的余热焊接。
普通电烙铁应该放在带散热器的支架上，不焊时避免升温过高，焊接时减小热波动，延长烙铁寿命保障焊接质量。
烙铁等不能随便乱放，避免烫坏物品，引起火灾，同时，也给工作带来麻烦。
有时想象和规律并不一致，小功率烙铁因为热量不够，焊的时间长，把机器烫坏了，而功率稍大些，热量充足，一会而就焊好了，焊点反而接受的热能量小，不会损坏。
类似的道理很多，要在实践中反复推敲，慢慢领悟。
电烙铁的电源应采用单相三线制，并且要装有漏电自动开关，或接在工作台的隔离电源上，人生安全不是儿戏。
在经常焊接IC的场合，应采用低压24V、12V的烙铁（我们的焊台几乎都是24V的），避免感应静电损坏MOS器件。
内热式的烙铁头，壁厚要保证，要有一段实心的铜柱，以确保储能。
足够质量的紫铜，才便于热量的贮存和传输，避免烙铁心发出的热量，焊接时不够用，烙铁头钉在焊点上；
不焊时又太多，氧化铜层层剥落。
电烙铁匹配使用，基本没有氧化屑，在大多数情况下，是要及时清理氧化物的。
烙铁头变薄变细变短，都要及时更换。
电烙铁的电源线应使用花线，与塑料线相比，织物耐烫，橡胶受热时气味大，能提醒人。
电烙铁使用了一段时间，特别是频繁使用后，要更换电源线，或适当截短后重新联结，防止根部内部折段。
电烙铁坏了，修理时一定要细心。
压紧螺丝未松，千万不能旋动烙铁手柄。
内热式电热心最易折段，外热式烙铁心穿管用力稍猛，引线就会拉脱，更换时要掌握好。
各螺丝必须拧得恰到好处，焊接的一定焊牢，小瓷管一定要穿，压紧螺丝下的绝缘套管不能漏装，内部短路绝不是闹着玩儿的。
电烙铁要保持干燥，避免摔落和敲击，定期测定绝缘，发现情况及时处理。
图6-1使用电烙铁的方法
7PCB与制作完毕后的图及其相关的工作参数
7.1电子幸运转盘的PCB板图
图7-1电子幸运转盘的PCB板图
7.2相关工作参数的测量结果
供电电源为+5V，在开关按下前，三极管的电压e级、b级电压为0、c级电压为+5V，电容C1电压为0V。
在开关按下的瞬间三极管电压e级为4.4V、b级电压5V、c级5V，电容C1电压为4.8V。
开关按下谈起后三极管的b级的电压随着电容C1的放电电压逐渐减小最后变为零。
发光二极级工作时的电压是正级为0.8V负极为0.2V。
所以发光二极管的两极间的电压差为0.6V。
8电子幸运转盘的功能及玩法
幸运转盘就是先预测旋转中的圆盘停止时，到底会停在哪个位置的工具。
也可用作估号码游戏，电子骰子，抽奖机等。
电子幸运转盘就是以电子的方式达成相同的功能，本套件把10只LED配置成一个圆圈，当按一下按键后，每只LED顺序轮流发光，流动速度越来越慢，最后停在某一只LED上不再移动。
若最后发亮那个LED与玩家预测的相同，则表示“中奖”了。
9总结与体会
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