CD4017流水灯电路设计

CD4017流水灯电路设计

摘要：随着LED技术的不断发展以及LED在低功耗、长寿命、环保等方面的优势，LED应用领域逐渐增多。同时，许多国家在看到LED巨大的市场潜力后，纷纷出台各项鼓励措施大力推动LED在各领域中的应用。目前，LED的应用已经从最初的指示灯应用转向更具发展潜力的显示屏，景观照明、背光源、汽车车灯、交通灯、照明等领域，LED应用正呈现出多样化发展趋势。

本次毕业设计就是用小功率LED作为发光体替代实验室中价格昂贵的钠光灯或白炽灯。并利用555定时器、可变电阻普通电阻、电解电容以及普通电容构成可调驱动电路，驱动CD4017计数器构成的译码电路，使LED依次循环发光，从而组成循环流水灯。

关键词： CD4017 555定时器 LED

1

××× 基于单片机数字频率计

目录

设计任务和要求 ................................................ 3 1.引言 ........................................................ 3 2.总体设计方案选择与说明 ...................................... 5 2.1 方案选择 .................................................. 5 2.2 电路工作原理： ............................................ 5 3.单元硬件设计说明 ............................................ 5 3.1 555定时器 ................................................. 5 3.2 自激多谐振荡器 ............................................ 9 3.3 十进制计数／分频器CD4017 ................................. 10 3.3.1 CD4017内容说明： ....................................... 10 3.3.2 CD4017十进制计数器内部电路图： ......................... 11 3.3.3 CD4017时序波形图： ..................................... 13 3.3.4 CD4017引脚图如下： ..................................... 14 3.3.5 CD4017引脚功能： ....................................... 14 3.4 发光二极管（LED） ........................................ 15 3.4.1 LED 特点 ...............................................13

3.4.2 LED光源的特点 .......................................... 16 3.5 元件明细表 ............................................... 17 4.软件说明 ................................................... 17 4.1 Protel99简介 ............................................. 17 4.2 Proteus简介 .............................................. 19 5.安装调试方法 ............................................... 19 5.1 安装方法 ................................................. 19 5.2 调试方法 ................................................. 20 6.总结 ....................................................... 20 7.致谢 ....................................................... 21 8.参考文献 ................................................... 21 附录一 ....................................................... 22 附录二 ....................................................... 23 附录三 ....................................................... 24 附录四 ....................................................... 24

2

设计任务和要求 设计任务:

以CD4017计数器为基础设计一灯组流动速度和亮度均可调的循环流水灯。 要求：

（1） 独立完成设计任务，通过课程设计，锻炼自己综合运用所学知识的能力，并

初步掌握电子技术设计的方法和步骤。

（2） 熟悉电子线路Protel99软件及电子线路仿真Proteus软件的使用方法。 （3） 学会查阅资料和手册，学会选用各种电子元器件。 （4） 掌握安装电子线路的基本技能和调试方法。 （5） 设计时尽量使用廉价环保元件。

（6） 设计产品必须是灯组流动速度和亮度均可调的。

3

××× 基于单片机数字频率计

1.引言

随着电子科学技术的飞跃发展以及生活水平的提高，娱乐场所越来越多，如酒吧、舞厅、KTV等。我们在这些地方看到的循环彩灯就是最原始的循环流水灯演变而来的，而这些灯几乎用的都是低功耗、长寿命、环保等特征的LED。

在新兴应用市场不断出现的带动下，近些年LED市场规模快速提升。2005年中国LED的产量已经达到262.1亿只，市场规模更是突破百亿元大关达到114.9亿元。 LED的应用领域已经从最初简单的电器指示灯、LED显示屏发展到LCD背光源、景观照明、室内装饰灯等其他领域。而由于LED具有的长寿命、无污染、低功耗的特性，未来LED还将逐步替代荧光灯、白炽灯成为下一代绿色照明光源。为此，美国、韩国、欧盟、中国台湾都制定了适合各国国情的半导体照明计划，大力推进LED灯进入普通照明灯具市场。室内照明将是LED最具市场规模和发展潜力的应用。

从数量上看，凭借着国内强大的制造能力，指示灯依旧是LED的使用大户，其用量占据LED市场消耗量的半壁江山。但由于指示灯多为普通亮度LED，经过多年的发展产量很大早已形成买方市场，供过于求的市场现状导致价格持续下跌，严重影响了指示灯领域的LED市场规模增长。LED指示灯市场规模只保持了一位数增长，但是随着价格的进一步滑落，LED指示灯市场规模很难在维持正增长，预计从2006年起，该市场将呈现出负增长。

对于进入通用照明市场而言，功率白光LED除面临着诸如发光效率低、散热不好、成本过高等问题外，还将面临到光学、机构与电控等的整合以及LED照明产品通用标准的制定。解决上述问题需要很长的一段时间，赛迪顾问预计LED在2010年前还不能进入通用照明市场。

由于酒店、商务会馆、高档商用写字楼等商用场所相对于价格的敏感度低。同时这些高档场所更注重于彰显品味与尊贵的地位，对于新兴产品抱有更大的兴趣度。这些都降低了LED照明进入的门槛。赛迪顾问预计LED照明将率先进入商用市场，逐步向民用市场扩展。

4

2.总体设计方案选择与说明

2.1 方案选择

根据课程设计的要求：用4017芯片设计一流水灯。我的总体设计方案如下：

由于4017芯片本身是一十进制计数器（分配器），所以只需在CLK端口（15脚）接入一时钟信号且Q0至Q9端（1至7脚和9、10、11脚）接十只发光体就可得到一组流水灯。其时钟信号可用时钟信号发生器产生，也可用简单的芯片和元件组合成一多谐振荡电路产生，发光体可用钠光灯、白炽灯、发光二极管等。但从功耗高低、寿命长短、价格、环保等方面考虑，其时钟信号我采用由555定时器组成的多谐振荡器输出的周期性矩形波，发光体采用发光二极管（LED）。4017芯片会以输入信号的高电平为1低电平为0组成以二进制数再转化成十进制数分配给Q0至Q9端，从而使各发光二极管依次发光，若输入信号不间断，发光二极管循环发光。 2.2 电路工作原理：

流水灯由555组成的多谐振荡器和CD4017十进制计数器电路组成。当第一个脉冲到来时Q0输出高电平，LED1亮，第二个脉冲到来时，Q1输出高电平，LED2亮，?,直到Q9输出高电平，LED10亮，接着进行下一轮输出。改变多谐振荡器的振荡周期就可以改变灯组的流动速度，改变电流的大小可改变灯光的亮暗程度，所以本次课程设计以4017芯片为前提设计的流水灯其速度和亮度都是可调的。电路原理图见附页。

3.单元硬件设计说明

在进行单元硬件设计时，必须对所选的器件了解清楚后。下面是对所有选择的器件进行简单的说明和分析：

3.1 555定时器

555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起

5

××× 基于单片机数字频率计

来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。

集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位

表3.1 (a)双极性型5G555的主要性能参数 参数名称 电源电压 电源电流 阈值电压 符号 VCC ICC VTH VTR VOL VOH IOMAX fMAX △t 单位 V mA V V V V mA KHz nS 参数 5~16 10 2VCC 31VCC 3 (b) CMOS型7555的主要性能参数 参数名称 电源电压 电源电流 阈值电压 符号 VCC ICC VTH VTR V V IOMAX fMAX △t 单位 V μA V V V V mA KHz nS 参数 3~18 60 2VDD 31VDD 3触发电压 输出低电平 输出高电平 最大输出电流 最高振荡频率 时间误差 触发电压 输出低电平 输出高电平 最大输出电流 最高振荡频率 时间误差 1 13.3 ≤200 ≤300 ≤5 0.1 14.8 ≤200 ≥500 ① VTH即Vi1 ,VTR即Vi2 。 数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4．5～12V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。其主要参数见表3.1。

555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图3.1和图3.2。 引脚功能：

Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。

.VCCRdRVco5KRQG1G3VoC1Vi1(TH)RVi25KG2(TR)C2SR5KQR1TDisVo'.图3.1 555定时器内部结构

Vi2（TR）：低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。

6

VCO：控制电压端。 VO：输出端。

.8726VCCRd4Dis555TRTHQ3GNDVco51(a) 555的逻辑符号VCC8Dis7TH6Vco5 5551.GND2TR3Vo4Rd(b) 555的引脚排列图3.2 555定时器逻辑符号和引脚

Dis：放电端。

Rd：复位端。

555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生13VCC和

23VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS

触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。

Rd是复位端，低电平有效。复位后,

基本RS触发器的Q端为1（高电平），经反

相缓冲器后，输出为0（低电平）。

分析图8.1的电路：在555定时器的VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬

空，则比较器C1的同相输入端接参考电压23VCC，比较器C2反相输入端接参考电压

13VCC ，为了学习方便，我们规定：

当TH端的电压>23VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压<23VCC时，写为VTH=0。 当TR端的电压>13VCC时，写为VTR=1，当TR端的电压<13VCC时，写为VTR=0。

7

××× 基于单片机数字频率计

①

低触发：当输入电压Vi2<13VCC 且Vi1<23VCC时，VTR=0，VTH=0，比较器

C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端S=0、R=1，使Q＝1，

Q＝0，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。这时称555定时器“低触发”；

保持：若Vi2>13VCC 且Vi1<23VCC，则VTR=1，VTH=0，S=R=1，基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。高触发：若Vi1>23VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因R=0，使Q＝1，经输出反相缓冲器后，VO＝0；

②

③ T导通。这时称555定时器“高触发”。

555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必须牢牢掌握。

VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的

8

表3.2 555定时器控制功能表 输 入 TH TR 输 出 Rd L H H H VO Dis × <2VCC 3<2VCC 3>2VCC 3× <1VCC 3>1VCC 3× L H 不变 L 导通 截止 不变 导通

参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接0．01μF（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。555定时器的控制功能说明见表3.2。

根据555定时器的控制功能，可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路，例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。

3.2 自激多谐振荡器

图3.3所示为自激多谐振荡器电路和波形图。自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。电路采用电阻、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容C，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出。

脉冲宽度计算公式：Tw≈0.7 (R1+RW+R2) C 振荡周期计算公式：T≈0.7 (R1+RW+2R2) C

.VCCR1RW100K3KV1Vo8.DIS4V2VCCR7tQ3VoVoR210K62555THTRGNDVC5V3C3103TwTtC1103C210uF(a) 自激多谐振荡器电路1(b) 振荡波形

9 图3.3自激多谐振荡器电路和波形图

××× 基于单片机数字频率计

电容器C的充电电阻是R1+RW+R2 ，放电电阻是R2 。当VC是低电平时，555定时器低触发，VO为高电平，放电管T截止，电容器经（R1+RW+R2）充电，当充电至VC=VTH>23VCC时，电路高触发，输出VO变为低电平，放电管T导通，电容器经R2放电，当放电至VC=VTR<13VCC时，电路又进入低触发，VO变为高电平，如此周而复始，循环不止，输出连续脉冲信号。

3.3 十进制计数／分频器CD4017 3.3.1 CD4017内容说明：

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。

10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ij1p.html