LED循环流水灯设计方案探讨

◇教学目标◇

◇任务描述◇

循环流水灯经常应用在一些广告宣传或灯光装饰场合，流动的发光效果比较吸引人的注意。图10-1是一个10路循环流水灯电路，通电后，10个发光二级管被循环点亮，点亮速度可以通过电位器进行调节。

图10-1 循环流水灯电路图

◇任务要求◇

（1）10个发光二极管安装位置设计成一闭合环形，循环点亮效果明显。

（2）根据电路图，设计单面PCB板，元器件布局合理，大面积接地。

（3）单面PCB板的设计和安装，面积小于10 cm×10 cm。

（4）发光二极管高度一致，集成电路采用插座安装，电位器安装在方便调节的位置。

◇相关知识◇

一、NE555振荡器

利用NE555可组成多谐振荡器，电路图和波形图如图10-2所示。6脚和2脚并联接在定时电容C上，电源接通后，VCC通过电阻R1、R2向电容C充电。刚通电瞬间，电容C的电压不会突变，电压从0 V逐步上升，当电容电压VC达到2/3VCC时，阀值输入端6脚触发，U0为低电平，7脚内部放电管导通，电容C通过R2放电；当电容电压VC低于1/3VCC时，2脚触发，U0为高电平，7脚内部放电管截止，电容C放电终止、重新开始充电。周而复始，形成振荡，在3脚输出一定频率的高低电平振荡信号。振荡周期与充放电的时间有关。

图10-2 NE555振荡器电路图和波形图

振荡周期：

振荡频率：

占空系数：

由以上分析可知：

（1）电路振荡周期T只与外接元件R1、R2和C有关，不受电源电压变化的影响。

（2）改变R1、R2即可改变占空系数，其值可在较大范围内调节。

（3）改变C的数值，可单独改变周期，而不影响占空系数。

（4）本电路复位端④接高电平时，一直保持振荡；当接低电平时，电路停振。

二、CD4017十进制计数/脉冲分配器

CD4017是一块5 位约翰逊计数器，具有10个译码输出端。

约翰逊（Johnson）计数器又称扭环计数器，是一种用n位触发器来表示2n个状态的计数器。它价格低廉，广泛使用在数据计算、信号分配等电路中。它提供16个引脚多层陶瓷双列直插（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。常用塑料双列直插式16脚封装，引脚功能如图10-3 所示。

图10-3 CD4017引脚功能

各引脚功能说明如下：

（1）TC：级联进位输出端，每输入10个时钟脉冲，就可得到一个进位输出脉冲，因此7进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。

（2）CP：时钟输入端，脉冲上升沿有效。

（3）CE：时钟输入端，脉冲下降沿有效。

（4）MR：清零端，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”。

（5）Q0～Q9：计数脉冲输出端。

（6）VCC：正电源。

（7）GND：接地。

CD4017内部逻辑原理图如图10-4 所示，它是由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组成。其中，D 触发器 Fl～F5构成了十进制约翰逊计数器，门电路5～14构成了时序译码电路。约翰逊计数器的结构比较简单，它实质上是一种串行移位寄存器。除了第 3 个触发器是通过门电路15、16构成了组合逻辑电路，作用于 F3的 D3端外，其余各级均是将前一级触发器的输出端连接到后一级触发器输入端 D 的，计数器最后一级的 Q5端连接到第一级的 D1端。这种计数器具有编码可靠、工作速度快、译码简单，只需由二输入端的与门即可译码，且译码输出无过渡脉冲干扰等特点。通常只有译码选中的输出端为高电平，其余输出端均为低电平。

图10-4 CD4017内部逻辑原理图（EN R CE）

当加上清零脉冲后，Q1～Q5均“0”，由于Q1 的数据输入端D1是Q5输出的反码，因此，输入第一个时钟脉冲后，Q1即为“ l ”，这时Q2～Q5均依次进行移位输出，Ql的输出移至Q2，Q2的输出移至Q3……。如果继续输入脉冲，则Q1为新的Q5，Q2～Q5仍然依次移位输出。由五级计数单元组成的约翰逊计数器，其输出端共有 32 种组合状态，而构成十进制计数器只需要10种计数状态，当电路接通电源之后，可能会进入不需要的22种伪码状态。为了使电路能迅速进入表10-1所列的状态，就需要在第三级计数单元的数据输入端加接两级组合逻辑门，使Q2不直接连接D3，而使D3由下列关系决定D3＝Q2（Ql+Q3）。当电源接通后，不论计数单元出现哪种随机组合，最多经过8个时钟脉冲输入之后，都会进入表10-1所列状态，波形如图10-5所示。

表10-1 约翰逊计数器状态表

续表

图10-5 CD4017波形图(www.xing528.com)

CD4017时钟输入端CP用于上升沿计数，CE端用于下降沿计数，CP和 CE 存在互锁关系，使用 CP 计数时，CE 端要接低电平；使用 CE 计数时，CP端要接高电平。从上述分析可知，CD4017的基本功能是对“CP”端输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在 Y0～Y9 这10个输出端，计满10个数后计数器复零，同时输出—个进位脉冲。只要掌握这些基本功能，就能设计出不同功能的应用电路。

◇软件仿真◇

一、原理图绘制

进入Multisim14，从元件库中选择555定时器、CD4017、发光二极管、电阻等，并置入对象选择器窗口，再放置到图形编辑窗口。在图形编辑窗口中画好仿真原理图，如图10-6所示。

10-6 流水灯控制电路仿真原理图

二、仿真调试

单击“虚拟仪表”按钮，在对象选择器中找到“Oscilloscope（双踪示波器）”，添加到原理图编辑区，按照图10-6所示流水灯控制电路仿真原理图布置并连接好。按下“仿真”按钮，观察并记录发光二极管的状态和记录示波器显示的波形。观察调节电位器R3和改变10路LED灯的流水速度。图10-7为555振荡输出波形，图10-8为555振荡输出与Q0波形。

图10-7 555振荡输出波形

图10-8 555振荡输出与Q0波形

◇任务实施◇

一、电路的安装

（1）焊接。在万能板上对元器件进行布局，并依次焊接。焊接时，注意电解电容及三极管的极性。

（2）检查。检查焊点，看是否有虚焊、漏焊；检查电解电容及三极管的极性，查查看是否连接正确。

（3）元件清单（表10-2）。

表10-2 元件清单

二、电路的测试与调整

1．工作原理分析

本电路主要由两部分组成：NE555可调振荡电路和脉冲计数电路。通电后，NE555的③脚输出一定频率的方波信脉冲信号，振荡频率通过RP1调节。脉冲信号送至CD4017的⑮脚，在脉冲上升沿时进行计数，按输入脉冲的个数分配在10个输出端，依次点亮D1～D10。满10个数后计数器清零，到下一个脉冲到来时再次点亮D1～D10，不断循环。

电路的定时元件是：________________________________________________

当RP1中心抽头往下调节时，阻值变________（大或小），振荡频率变________（高或低）；当C容量变小，振荡频率变________（大或小）。

2．调试与排除故障

电路安装完毕，经检查无误后即可通电调试，按表10-3的要求调试、测量数据，并将测量数据填入表10-3中。

表10-3 循环流水灯调试波形

◇思考题◇

如果在调试时发生以下故障，请分析原因，写出排除故障的方法。

1．发光二极管发光亮度不一致，有的很亮，有的很暗。

2．通电调试时，调节RP1发光管循环点亮的速度无变化。

3．10个灯几乎同时闪烁，调节RP1无效。

4．若IC2的4脚接地，电路会产生怎样的效果？

5．每个发光二极管都加限流电阻，电路能否只用一个限流电阻？会出现什么问题？

6．CD4017的15脚为复位端，如果悬空，电路会出现什么问题？

三、总结

本任务使你学习到发哪些知识？积累了哪些经验？填入表10-4中，有利于提升自己的技能水平。

表10-4 工作总结

四、工作岗位6S处理

工作任务全部完成后，关闭工作台总电源，拆下测量线和连接导线，归还借用工具仪器。组员对工作岗位进行“整理、整顿、清扫、清洁、安全、素养”处理。维护和保养测量仪器、仪表，确保其运行在最佳工作状态。

◇能力拓展◇

本电路只能循环点亮10个发光二极管，效果单一，若需要更多的发光管做循环点亮效果，电路能否升级改造？为了达到有多种循环效果，可以共用一个振荡产生电路，把输出脉冲信号送至多个计数分配器，分别点亮更多的发光二极管。总体设计方案可参考图10-9，请小组成员发挥团队协助精神，赶快讨论决策，制定计划实施。

图10-9 参考设计方案

◇任务评价◇

表10-5 十位LED循环流水灯装调评价表