这是我做的一个可调控流水灯NE555

ID:723002 · 发表于 2021-5-24 15:15

可调控流水灯

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，应用领域逐渐增多。同时，在看到LED巨大的市场潜力后，纷纷出LED在各领域中的应用。目前，LED的应用已经从最初LED应用正呈现出多样化发展趋势。

1、设计目的与需求

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。
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、 CD4017）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。

2、系统方案
2.1现使用系统总方案

主流水灯由 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。

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。

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。

3电路设计
3.1总电路设计

本设计为可调控流水灯，主要电路设计由NE555与CD4017组成。NE555为一个脉冲产生芯片可以控制电阻R1来改变流水频率，也可以通过选择电容的大小来改变流水的频率。

3.2电路单元设计
3.2.1 555定时器

555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。

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。

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。

Vi2 （ TR ）：低电平触发端，简称低触发端，标志为 TR 。

VCO：控制电压端

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 1/ 3 VCC和2/3 VCC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 23 VCC，比较器 C2反相输入端接参考电压 13 VCC ，为了学习方便，我们规定：当 TH端的电压 >2 3 VCC时，写为 VTH=1，当 TH端的电压 < 23 VCC时，写为 VTH=0。当 TR 端的电压 > 1 3 VCC时，写为 VTR=1，当 TR 端的电压 < 13 VCC时，写为 VTR=0。① 低触发：当输入电压 Vi2 < 1/3 VCC 且 Vi1 < 2/3 VCC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”；② 保持：若 Vi2 > 13 VCC 且 Vi1 < 23 VCC，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”。③ 高触发：若 Vi1 > 23 VCC，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； 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 的参考电压。正常工作时，要在 VCO和地之间接 0． 01μ F（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。

3.2.2 脉冲分配器 4017 及其简单应用

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。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。其内部结构图如下：

引出端功能符号说明：
TC：进位脉冲输渊
CP：时钟输入端
MR：清除端
CE：禁止端
Q0-Q9 计数脉冲输出端
VCC：正电源
GND ：地

CD4017引脚功能：
CD4017内部是除 10 的计数器及二进制对 10 进制译码电路。 CD4017有 16 支脚，除电源脚 VCC及 GND为电源接脚，输入电压范围为 3– 15V之外，其余接脚为：
(1) 、频率输入脚： CLOCK(Pin14)，为频率信号的输入脚。

(2)、数据输出脚：
1）、 Q1-Q9(Pin3， 2， 4， 7， 10，1， 5， 6， 9， 11) ，为解码后的时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为 Hi，其余为 Lo 电位。
2）、 CARRYOUT（ Pin12），进位脚，当 4017计数 10 个脉冲之后，CARRYOUT将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。
(3)、控制脚：
1) 、 CLEAR(Pin15)：清除脚或称复位 (Reset) 脚，当此脚为 Hi 时，会使 CD4017的 Q0为” 1”，其余 Q1-Q9为” 0”。
2）、 CLOCKENABLE(Pin13)，时序允许脚，当此脚为低电位， CLOCK输入脉波在正缘时，会使 CD4017计数，并改变 Q1-Q9的输出状态。