课设论文——自动循环调光灯的设计

目 录
1技术指标 (1)
1.1 初始条件 (1)
1.2 技术要求 (1)
2设计方案及其比较 (1)
2.1方案一 (1)
2.1.1 单元电路设计 (1)
2.1.2 电路原理分析 (3)
2.1.3 电路参数计算 (4)
2.2方案二 (5)
2.2.1 单元电路设计 (5)
2.2.2 电路原理分析 (6)
2.2.3 电路参数计算 (7)
2.3方案三 (7)
2.3.1 单元电路设计 (7)
2.3.2 电路原理分析 (8)
2.3.3 电路参数计算 (8)
2.4方案比较 (9)
3 实现方案 (9)
3.1电路器件说明 (9)
3.2 电路原理分析 (14)
3.3 电路参数计算 (14)
3.4 思考题 (15)
4 调试过程与结论 (15)
5 心得体会 (16)
6 参考文献 (17)
自动循环调光灯电路的设计
1技术指标
1.1 初始条件
直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具。

1.2 技术要求
设计一种自动循环调光灯电路，可以使灯在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环工作。

要求灯光变化的循环速度可以进行调节。

2设计方案及其比较
2.1方案一
2.1.1 单元电路设计
自动循环调光灯电路由NE555组成的多谐振荡电路、CD4017组成的十进制计数/分配器、三极管9013组成的调光灯控制电路等组成，使灯E在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环工作。

1）由NE555组成的多谐振荡电路
由NE555 定时器构成本电路的多谐振荡电路，为十进制计数/分配器提供时钟脉冲信号，其电路图如图1所示。

当加上电源电压后，由于电容C1上端电压不能突变，故NE555处于置位状态，输出端（3脚）呈高电平“1”，而内部的放电管VT l截止，C1通过R1、R2对其充电，低电平触发端（2脚）电位随C1上端电压的升高呈指数上升，
当C1上的电压随时间增加，达到2/3V DD阈值电平(6脚)时，上比较器A1翻转，使RS
触发器置位，经缓冲级倒相，输出V0呈低电平“0”。

此时．放电管VT1饱和导通，C1上的电荷经R2至VT1管放电。

当C1放电使其电压降至1/3V DD触发电平(2脚)时，比较器A2翻转，RS触发器复位，经倒相后，使输出端(3脚)呈高电平“1”。

以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。

R1
R2
C 1
1μF
图1 多谐振荡器
2）CD4017组成的十进制计数/分配器
图2 十进制计数/分配器应用电路
CD4017集成电路是一种十进制计数/时序译码器，他由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组成。

其基本功能是对“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Q0-Q9这十个输出端，计满十个数后计数器复零，同时输出一个进位脉冲。

自动循环调光灯电路一共有四种状态循环变化，也就是需要四个输出端依次控制灯的亮度，可以利用4017可以依次输出高电平的特点来实现调光灯电路，其电路图如图2所示。

当时钟脉冲输入给CD4017的CP 端时，开始计数，随着时钟脉冲的不断输入，CD4017的Q 1-Q 4端依次出现高电平。

当Q 4端出现高电平时，将使CD4017清零复位。

就这样，随着Q 1-Q 4输山端电平的变化，Q 4Q 3Q 2Q 1的状态变化为0000→0001→0010→0100→1000→0000，循环进行。

3）三极管9013组成的调光灯控制电路
Q 0Q 1 1
E
Q 2
图3 调光灯控制电路
由三极管9013组成的调光灯控制电路如图3所示，Q 0-Q 2端依次出现高电平，Q 2Q 1Q 0的状态变化为000→001→010→100→000，循环进行。

当Q 0-Q 2端依次出现高电平时，经VT9013放大，点亮灯E ，由于R1-R3的阻值不同，起到了控制灯亮度的作用。

当Q3出现高电平时，可知Q 2Q 1Q 0被清零复位，为“000”，此时灯E 熄灭。

就这样随着Q 0-Q 3输山端电平的变化，灯E 在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中依次变换。

2.1.2 电路原理分析
电路自动循环调光灯电路的电路图如图4所示，由NE555组成的多谐振荡电路、CD4017组成的十进制计数/分配器、三极管9013组成的调光灯控制电路等组成，使灯E 在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环工作。

R 47k 1μ图4 方案一电路图
NE555组成多谐振荡电路，用来产生时钟脉冲信号，调节RP1可以改变振荡频率，也就是改变了灯光变化的循环速度。

当时钟脉冲输入给IC2的CP 端时，IC2开始计数，随着时钟脉冲的不断输入，IC2的Q1-Q4端依次出现高电平，当Q1-Q3依次出现高电平时，经VT1放大，点亮灯E ，由于R2-R4的阻值不同，起到了控制灯亮度的作用。

当Q4端出现高电平时，将使IC2清零复位，灯E 熄灭。

就这样随着Q1-Q4输山端电平的变化，灯E 在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中依次变换。

2.1.3 电路参数计算
NE555的工作电压为4.5V-15V ，CD4017的工作电压为3V-18V ，故电路的电源电压设置为+6V ，满足电路各个器件的正常工作。

1多谐振荡电路的振荡频率为111.44/(2)f R RP C =+i 30，设C1=1μF ，R1=47k Ω，RP1max=470k Ω，计算得1.46Hz f Hz ≤≤。

电路中其他参数为： R2=100k Ω，R3=50k Ω，R4=10k Ω。

2.2方案二
2.2.1 单元电路设计
自动循环调光灯电路由NE555组成的多谐振荡电路、CD4017组成的十进制计数/分配器、三极管9013与双向可控硅元件组成的调光灯控制电路等组成，使灯E 在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环工作。

1）由NE555组成的多谐振荡电路 参见方案一的单元电路设计。

2）CD4017组成的十进制计数/分配器 参见方案一的单元电路设计。

3）三极管9013与双向可控硅元件组成的调光灯控制电路
Q Q 0Q 1
图5 调光灯控制电路
由三极管9013与双向可控硅元件组成的调光灯控制电路如图5所示，利用三极管的开关特性来控制双向可控硅的G 极的电压通断。

Q 0-Q 2端依次出现高电平，Q 2Q 1Q 0的状态变化为000→001→010→100→000，循环进行。

当Q 2端出现高电平时，即VD3二极管有电压通过时，VT3三极管导通，则6V 电压通过三极管CE 极而触发双向可控硅，此时灯最亮（强电）；当Q 0端出现高电平时，VD1有电压通过时，VT1三极管导通，导通电压流过电阻R1降压而输出，此时灯微亮；同理，当Q 1端出现高电平时，由于R2阻值较R1小，故灯较亮。

；当Q3出现高电平时，可知Q 2Q 1Q 0被清零复位，为“000”，即VD1-VD3均没有电压通过时，三极管均不工作，灯E 熄灭。

就这样随着Q 0-Q 3输山端电平的变化，灯E 在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中依
次变换。

2.2.2 电路原理分析
自动循环调光灯电路的电路图如图6所示，由NE555组成的多谐振荡电路、CD4017组成的十进制计数/分配器、三极管9013与双向可控硅元件组成的调光灯控制电路等组成，使灯E在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环工作。

1
图6 方案二电路图
NE555组成多谐振荡电路，用来产生时钟脉冲信号，调节RP1可以改变振荡频率，也就是改变了灯光变化的循环速度。

当时钟脉冲输入给IC2的CP端时，IC2开始计数，随着时钟脉冲的不断输入，IC2的Q1-Q4端依次出现高电平，当Q3端出现高电平时，即VD3二极管有电压通过时，VT3三极管导通，则6V电压通过三极管CE极而触发双向可控硅，此时灯最亮（强电）；当Q1端出现高电平时，VD1有电压通过时，VT1三极管导通，导通电压流过电阻R1降压而输出，此时灯微亮；同理，当Q2端出现高电平时，由于R2阻值较R1小，故灯较亮。

；当Q4出现高电平时，可知Q3Q2Q1被清零复位，为“000”，即VD1-VD3均没有电压通过时，三极管均不工作，灯E熄灭。

就这样随着Q1-Q4输山端电平的变化，灯E在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中依次变换。

2.2.3 电路参数计算
NE555的工作电压为4.5V-15V ，CD4017的工作电压为3V-18V ，故集成芯片及三极管的电源电压设置为+6V ，满足电路中集成芯片及三极管的正常工作。

双向可控硅的工作电源为220V ，50Hz 的交流电。

1多谐振荡电路的振荡频率为111.44/(2)f R RP C =+i 30，设C1=1μF ，R1=47k Ω，RP1max=470k Ω，计算得1.46Hz f Hz ≤≤。

电路中其他参数为： R2=330k Ω，R3=200k Ω。

2.3方案三
2.3.1 单元电路设计
自动循环调光灯电路由与非门组成的多谐振荡电路、CD4017组成的十进制计数/分配器、三极管9013组成的调光灯控制电路等组成，使灯E 在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环工作。

1）与非门组成的多谐振荡电路
图7 与非门组成的多谐振荡电路
用与非门组成的多谐振荡器，其电路组成简单，使用元件少，应用极其广泛，图7所示为由74LS00与非门集成电路及R 、C 元件组成的振荡器电路，通过RC 电路的充放电使电路产生多谐振荡。

电路中的与非门被接成反相器的形式，其输出为矩形脉冲波，振荡频率可以通过选择R 、C 值来确定，启动开关S 是用来控制多谐振荡器的起振，当S 闭合时，电路振荡；当S 断开时，电路停振。

2）CD4017组成的十进制计数/分配器 参见方案一的单元电路设计。

3）三极管9013组成的调光灯控制电路 参见方案一的单元电路设计。

2.3.2 电路原理分析
自动循环调光灯电路的电路图如图8所示，由与非门组成的多谐振荡电路、CD4017组成的十进制计数/分配器、三极管9013组成的调光灯控制电路等组成，使灯E 在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环工作。

图8 方案三电路图
与非门组成的多谐振荡器，用来产生时钟脉冲信号，调节RP1可以改变振荡频率，也就是改变了灯光变化的循环速度。

当时钟脉冲输入给IC2的CP IC2开始计数，随着时钟脉冲的不断输入，IC2的Q1-Q4端依次出现高电平，当依次出现高电平时，经VT1放大，点亮灯E ，由于R2-R4Q4端出现IC2清零复位，灯E 熄灭。

就这样随着Q1-Q4输山端电平的变化，灯E 在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中依次变换。

2.3.3 电路参数计算
端时，Q1-Q3的阻值不同，起到了控制灯亮度的作用。

当高电平时，将使
为3V-18V ，故电路的电源电压设置为+6V ，满足电路各个器件的正常工作。

CD4017的工作电压多谐振荡电路的振荡频率为1/2.211f RP C =i ，设C1=10μF ， RP1max=47k Ω，计算得
0.97f Hz ≥。

0k Ω，R3=50k Ω2.4我们需要设计是自动循环调光灯电路，在我自己多次查找资料研究出来的几种方案中，信号产生电路部分有通过NE555实现的，有通过与非门实现的，还有通过RC 电，从而改变输出信号的频率来控制灯光变化的循环速度，在布线的时候准确计布线较为简单，现象也更容易观察。

总之，方案一在各个方面都比较符合实验要求，并且应该加以改进进行实
明
电路中其他参数为： R2=10，R4=10k Ω。

方案比较
本次实验路来实现；计数器部分有用CD4017实现的，还有使用74LS199实现的；调光灯控制电路有用三极管实现的，还有利用三极管和双向可控硅元件实现的。

经过综合分析和比较，信号产生电路部分用NE555电路比较简单，容易实现，而且比较经济、实用；计数器部分用CD4017芯片比较稳定，而且电路较为简单；调光灯控制电路用三极管来实现较为经济、安全。

方案一和方案二都是以NE555定时器所组成的多谐振荡器为信号发生电路电路的，改变RP1的电阻值算出各个电阻以及电容的值，即可产生出所需要的效果。

不同的是方案二使用了双向可控硅元件来控制灯光的亮度，在实际操作中比较麻烦,而且直接使用市电，不够安全，而方案一则比较容易实现。

方案三利用与非门来输出时钟脉冲信号，与方案一所使用的NE555相比，不方便调节脉冲频率，而且其需要的电阻和电容难以满足。

经过分析方案一比其他两种方案好一些,于是可以考虑采用方案一进行实验.这个方案对实验条件的要求相对小一些, 灯光变化的循环速度很方便调节,实验验。

3 实现方案3.1电路器件说
）NE555
器电路是一块介于模与数字电路的一种混合电路，由于这种特殊的地位，故5
图10 NE555的内部原理图
图11 NE555的输出波形图
1NE555定时55定时电路在报警电路、控制电路得到了广泛的应用。

图10为NE555 的内部电路，从图上可以看出，其仅有两个比较器、一个触发器、一个倒相器、放电管和几个电阻构成，由于比较器电路是一个模拟器，而触发器电路为数字电路， 故其为混合器件。

图9 NE555引脚图
Vcc
GND NE555
DIS TH V-C
TL Q R
D
NE555为一8脚封装的器件，1脚—GND ，接地图9为其引脚图，各引脚的名称和作用如下：端；2脚—TL ，低电平触发端；3脚—Q ，电路的输出端；4脚—D R ，复位端，低电平有效；5脚—V-C ，电压控制端；6脚—TH ，阈值输入端；7脚—DIS ，放端；8脚—V ，电源电压端，其电压范围为：4.5～15V 。

当 V-C 端不外接电压时，三个电阻对电电CC 源电压进行分压，每个电阻上的压降为1/3V CC ,则两个比较器的同相端的输出电压分别CC CC 1/3V CC 而阈值输入端电压大于2/3V CC 时, 其下面比CC ，而阈值输入端电压小于2/3V CC 时, 其两个比CC 阈值输入端电压大于2/3V CC 时, 其上面比表1 NE555真值表
为：1/3,2/3V 。

从图上可以看出，其555的工作可分为下列3种情况加以讨论：
1.当触发输入端TL 输入电压低于较器输出为高电平，触发器输出高电平；
2.当触发输入端TL 输入电压高于1/3V 较器输出皆为低电平，触发器输出保持不变；
3.当触发输入端TL 输入电压高于1/3V 而较器输出为高电平，触发器输出低电平。

从上面的讨论，可列出表1：
2）CD4017
电路是一种十进制计数/时序译码器，其结构简单，造价低廉，性能稳定可靠510；267849CD4017集成，工艺成熟，使用方便。

CD4017采用标准的双列直插式○16脚塑封，它的引脚图如图12所示。

其引脚功能如下：1脚（Q ），第5输出端；2脚（Q ），第1输出端；3脚（Q ），第0输出端，电路清零时，该端为高电平4脚（Q ），第2输出端；5脚（Q ），第6输出端；6脚（Q ），第7输出端；8脚（GND ），接地端；9脚（Q ），第8输出端；10脚（Q ），第4输出端；11脚（Q ），第9输出端；12脚（Qco ），级联进位输出端，每输入10个时
钟脉冲，就可以得到一个进位输出脉冲，因此进位输出信号可以作为下一级计数器的时钟信号；13脚（EN ），时钟输入端，下降沿有效；14脚（CP ），时钟输入端，上升沿有效；15脚（R ），清零输入端，在R 端加高电平或是正脉冲时，CD4017计数器中各计数单元输出低电平“0”，在译码器中只有对应“0”状态的输出端Q0为高电平；16脚（Vcc ），电源正端，3-18V 直流电压。

Vcc Q 5 D
Q 1 R CP Q 0 EN Qco Q 9 Q 4 Q 8 Q 2 Q 6 Q 7 Q 3 GN 图12 CD4017引脚图CD4017内部逻辑电路原理图进制计数器电路和时序译码电路两部
如图13所示。

它是由十分组成。

其中D 触发器F1-F5构成十进制约翰逊计数器，门电路5-14构成了时序译码电路。

十进制约翰逊计数器的工作工程是，当第一个脉冲作用时后，F1变成“1”，F2-F5仍保持“0”态，此时计数器为“10000”态，此时D1=5Q =1，D2=Q1=1，D3=132Q Q Q +=0，D4=D3=0，D5=D4=0。

所以在第二个脉冲作用后，F “1”态，F2为“1-F5仍保持“0”态，计数器为“11000”态。

依次类推，由于第9个CP 脉冲作用后，Q1-Q4=0，Q5=1，所以当第10个脉冲作用后，各触发器均处于“0”态，返回到初始状态“00000”，这样就完成了一个计数循环，从下一个脉冲开始，又重复上述计数过程。

时序译码电路也很简单，不难得出对应于计数器各状态下的译码器的输出状态。

当计数器为“00000”时，Y0=1为”态，F315Q Q =1；
当计数器为“10000”时，Y1=12Q Q =1。

显然，当计数器从“00000”到“00001”时，十出端便会得到顺序输出的正脉冲序脉冲。

在R 端加高电平或是正脉冲时，计数器中各计数单元F1-F5均被置零，计数器为“00000”状态。

个输，即时
图13 CD4017内部逻辑电路原理图
从上述分析中可以看出，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Q0-Q9这十个输出端，计满十个数后计数器复零，同时输出一个进位脉冲。

3）三极管9013
9013是一种NPN型小功率三极管，它是非常常见的晶体三极管，主要用于放大电路，应用非常广泛。

图14为9013的引脚图。

其中1脚为发射极，2脚为基极，3脚为集电极。

其参数为：
最大耗散功率P CM = 0.625 W（T=25℃）
最大集电极电流I CM =0.5 A
集电极--基极击穿电压V(BR)CBO : 45 V
123
图14 9013的引脚图
3.2 电路原理分析
电路自动循环调光灯电路的电路图如图15所示，由NE555组成的多谐振荡电路、CD4017组成的十进制计数/分配器、三极管9013组成的调光灯控制电路等组成，使灯E 在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环工作。

图15 实现方案电路图
NE555组成多谐振荡电路，用来产生时钟脉冲信号，调节RP1可以改变振荡频率，也就是改变了灯光变化的循环速度。

当时钟脉冲输入给IC2的CP 端时，IC2开始计数，随着时钟脉冲的不断输入，IC2的Q1-Q4端依次出现高电平，当Q1-Q3依次出现高电平时，经VT1放大，点亮灯E ，由于R2-R4的阻值不同，起到了控制灯亮度的作用。

当Q4端出现高电平时，将使IC2清零复位，灯E 熄灭。

就这样随着Q1-Q4输山端电平的变化，灯E 在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中依次变换。

3.3 电路参数计算
NE555的工作电压为4.5V-15V ，CD4017的工作电压为3V-18V ，故电路的电源电压设置为+6V ，满足电路各个器件的正常工作。

1多谐振荡电路的振荡频率为1211.44/(22)f R R RP C =++i ，设C1=1μF ，R1=1.5k Ω，
R1=10k Ω，RP1max=470k Ω，计算得1.567Hz f Hz ≤≤16 电路原理图
我先是在宿舍里按照实验电路图接好线后就进行了测试，效果很好，灯在熄灭、微到了实验室里后，更换了很多电阻值后，NE55520V 直流电压档测。

电路中其他参数为： C2=0.02μF ，C2=0.1μF ，R3=100k Ω，R4=330k Ω，R5=100k Ω，R4=20k Ω。

3.4 思考题
问：不用NE555，考虑用其他芯片及CD4017构成一种自动循环调光灯电路，给出电路原理图。

答：可以使用74LS00与非门集成电路替代NE555完成电路设计。

电路原理图见图16。

图
4 调试过程与结论
亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环工作。

灯光亮度变化不是很明显，我首先调整了R4-R6的阻值，灯光变化还是很不明显，于是我开始检查电路，首先我将一个发光二极管直接接在的输出端3上，灯不停的闪烁，证明多谐振荡器工作正常，接着我用万用表的CD4017各个输出端的电压变化，发现5脚（Q6）、6脚（Q7）、7脚（Q3无法正常工作，我更换
）其他输出端均正常，
很明显，电路5 心得体会
本次课程设计实验，将理论课尤其是数电课本知识与实践牢牢结合在一起。

通过这次课程E555、CD4017的原上模拟面包板的插孔布局，进行模慌，用万用表仔细，此次课程设计实验使我第一次完全独立的进行设计和制作一个电路，这有别与数电了输出端，再次打开电源，灯在熄灭、微亮、较亮及最亮四种状态中不断地循环工作，现象十分明显。

通过了老师的检查后，我又用示波器观察了输出波形，并调节RP1的阻值，灯光变化的循环速度随着RP1阻值的变化而变化，再次证明了实验的正确性。

通过调试，本次实验完全符合实验设计要求，达到了各项技术指标，实验现象板布线简洁、清晰，没有飞线、跳线，布局十分科学，整个实验进行的十分成功。

设计，我牢牢掌握了数字电子基础电路的设计、调试、制作等技术，使我的理论知识也得到了很大的强化，加深了对各种芯片的理解和应用能力，并且大大提高了我的文献查阅、学习能力，通过自己亲自制作电路板我的动手能力得到了很大进步。

在构思阶段，我通过图书馆、超星数据库等查阅了大量的资料，学习N 理和功能，再结合实验设计要求探索实验设计思路，参考了部分灯控电路后，我提出了4个设计方案图，这加强了我的文献检索和学习能力。

在实现阶段，为了布线的科学和节省时间，我首先在纸拟布线，经过几番尝试和修改，终于在图纸上绘制出了布线图，然后根据布线图进行接线，在接线时要注意尽量不要交叉，可以让最外面一排是Vcc,第二排是GND ，这样会省去很多的线，使电路板比较好看一些。

接线时还应把器件管脚太长的部分剪掉，这样就会使器件紧贴面包板，整体会比较好看一些。

最后做成实物。

这个过程由于我的提前模拟布线而很有效率，并且最终的面包板上的布线很科学，很简洁，清晰。

在实验过程中，要有耐心，特别是在电路调试出现问题之后，一定不要检查电路，我在调试中也是出了点小问题，但是经过仔细的排查，我发现了CD4017部分输出端无法正常工作的问题并很快解决了，这也是对我们的能力的一种锻炼。

还有就是一定要准确计算出各个元件的参数值。

不能只是凭主观臆断，不然可能就得不到想要的结果。

总之实验课上的设计性实验，但却大大提高了我的综合实验能力，这次课设提供了一个很好的锻炼平台，完全独立的从资料的查找、学习到相关理论知识的掌握，再从电路的设计到提出自己的方案，从电路方案的完善到电路的制作，从电路的调试到最后的顺利完成实
6 参考文献
[1] 黄继昌 . 数字集成电路应用300例 . 高等教育出版社，2002.1 0.1
验撰写报告，这每一步都需要我们努力地学习，勤奋主动的思考和探索，这对以后的个人发展和成长是很有帮助的，我也相信通过本次实验我所学到的必将对以后的工作和学习带来巨大的帮助。

[2] 陈永甫 . 新编555集成电路应用800例 . 电子工业出版社，200。