流水彩灯控制器的设计

电子技术综合课程设计报告

设计题目：

专业班级：

学生姓名：

学生学号：

指导教师：

设计时间： 流水彩灯控制器的设计 电信0801 陈琛、任晓峰 08090103、08090107 曹斌芳 2010年6月7日

1、课程设计目的、意义；

目的：

1．了解并掌握电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力；

2．学会查阅手册和文献资料；

3．初步掌握对普通电子线路安装、布线、焊接、调试等基本技能；

4．提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力；

5．进一步掌握电子仪器的正确使用方法。

意义：

电子技术科学与技术是一门实践性很强的课程，加强工程训练，特别是技能的培养，对于培养功臣人员的素质和能力具有十分重要的作用。在电子信息科学类本科教学中，电子技术课程设计是一个非常重要的实践环节。课程设计强调动手和硬件实验应用能力的锻炼，培养工程实践和电子创新设计的能力，养成理论联系实际和一丝不苟的工作作风，为今后从事电子工程师的工作打下基础。

2、设计题、方案比较、论证；

（1）设计题目 ：

流水彩灯控制器的设计

（2）设计任务：

完成对“物理与电子信息科学”和“物电人”的流水彩灯控制显示，控制顺序为：物理、电子信息科学、物理与电子信息科学、物电人。

（3）设计要求：

设计时用220V交流电源直接供电；制作样品采用低压直流供电。字符显示可用其他图案装饰。

（4）设计所需元件：

电容，555定时器，CD4017芯片，电阻，发光二极管。

（5）设计方案：

555 定时器3 端输出方波给二——十进制分频计数器CD4017 做时钟, 于是CD4017 在计数过程中Q0～Q9 依次输出方波脉冲, 每个脉冲宽度等于时钟的一个周期。将输出端Q0～Q9依次接所控发光管，变化方式根据需要调整相应输出连接。当Q0输出为高电平时，Q0所连接的发光二极管导通，二极管发光。Q1输出为高电平时，同理，发光导通，由此呈现出彩灯循环的效果。通过软件仿真检测，电路设计方案可行。参数计算基本符合电路仿真实验测试数据。

3、各单元电路设计，元器件常识、参数计算、选择、电路图绘制，总体电路图；

1.元器件常识

（1）电容器

电容器具有通交流隔直流的特性，直流电的极性和电压大小是固定不变的。电容器广泛应用在各种高、低频电路和电源电路，起退耦、耦合、滤波、谐振、旁路、降压、定时的作用。电容器是一种能储存电荷的电容。它是有两片靠的较近的金属片，中间隔以绝缘物资而组成。按绝缘材料的不同，可制成各种各样的电容器。反映电容器物理性能的主要参数为容量和耐压，有的直接标明，有的采用工程编码，也有的标在外包装上。有的电容器是有极性的，电容器上还会标明极性的方向。本次实验分有极性和无极性电容，大于1 F以上的电容基本为有极性的电容。

（2）电阻

下面图示就是对于四环电阻辨认读识。

通过此表可以知道，金色和银色不是电

阻的第一环。

读法举例：

红 黄 棕 紫

数值为 ：240Ω ±0.1

（3）555定时器

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。一般用双极性工艺制作的称

为 555，用 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。

（4）CD4017芯片

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是常用的coms十进制计数器芯片，常用在各种数字电路中的记数脉冲等功能电路中，应用十分的广泛.

cd4017引脚功能:芯片有10个译码输出

Q0～Q9;MR为清零端,CP0和～CPl是2个时

钟输入端,三个输出端的控制. 0Y1Y2Y。每

个译码输出一般处于低电平,且在时钟脉

冲由低到高的上升沿输出高电平;每个高

电平输出维持1个时钟周期;每输入10个

时钟脉冲,输出一个进位脉冲,因而进位输

出信号可作为下一级计数器的时钟信号.

在清零输入端(R)加高电平或正脉冲时,只

有输出端Q0为高电平,其余各输出端都为

低电平"0".

如图，CD4017芯片时序图，从图可知，10个输出端口依次输出高电平后一个循环，每个端口高电平时驱动所控发光二极管发光。

（5）发光二极管

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，磷化钾二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。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。

选择震荡电路：

通过555定时器构成多谐振荡电

路，产生时钟信号提供给CD4017芯片。

然后比较和分析最后决定选择由555定

时器组成的多谐振荡器产生音频信号，

因为555定时器的比较器灵度高、输出

驱动电流大、功能灵活。

参数计算：

输出高电平时间

TPH 0.7(R2 R1)C

输出低电平时间

TPL

0.7R2C

本次电子设计电路：

经过用EWB软件仿真检测，电路运行正常，5个发光二极管循环发光。通过对参数的计算，占空比tw=50%，频率f=0.87。可调电阻控制循环亮灯的速度。

4、元器件布局、布线技巧，焊接工艺技巧；

1.元器件布局、布线技巧

（1）对于元器件的布局，我觉得按照电路图的顺序，注意简洁，位置等，各元器件管脚间的距离。总的来说就是简洁美观，易于连接，不是接地的管脚不能接在地或是电源回路插孔中。

（2）布线技巧：

1.输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。

2、电源、地线之间加上去耦电容。尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm,最经细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5mm.

3、&数字电路与模拟电路的共地处理，数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，所以必须在内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB

与外界连接的接口处（如

插头等）。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。

4、尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

5、在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观．而且装焊容易．易于批量生产。

6、输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。

地线设计

地线设计的原则是：

(1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而租，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。

(2)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于万用板上的允许电流。如有可能，接地线应在2~3mm以上。

(3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的万用板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。

7、(1)电源输入端跨接10 ~100uf的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。

(2)原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4~8个芯片布置一个10pF的但电容。

(3)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应

在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。

(4)电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。

8、此外，还应注意以下两点：

(1)在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用附图所示的

(2)coms的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源.

2、焊接工艺技巧

1、焊接步骤

（1）利用EWB制作的电路图，经过调试正确后、测试个芯片和元器件是否正常，然后依次安插到电路板上后，再开始焊接。

（2）开始焊接，首先根布局焊接按键开关，焊接完毕后，用万用表测试各个开关闭合电阻是否为0，正常后进行下一步。

（3）焊接频率调节部分，主要是D触发器。

（4）焊接多谐振荡电路，主要是555定时器和周边的辅助电路，如电阻、电容等，完毕后测试电路是否工作。

对于模块连接就是依照电路图将所用组件连接到电路板上，连接模块是要注意元器件要按照电路图所示逐个连接，要分类进行。连接电阻时分清电阻的阻值和类别。集成块的安装要对应了方可安装。三极管的安装要分清它的集电极、基极、发射极。电位器的安装要分清开关的位置。焊接时要看好元器件，不能装错，而且焊接时要注意焊接时间不要过长、防止焊坏电路板。

2、焊接注意事项:

1.焊接时间不宜过久，但要完全熔着，以免造成冷焊。

2.焊点的表面要平滑、有光泽。

3.焊点完全冷却前，不可移动。

4.电烙铁不用时要放置于电烙铁架上，并随时保持烙铁头的清洁。

5.焊接完毕，要在烙铁头镀上薄层焊锡，避免氧化，并等冷却后再收存。

（1）从烙铁架上拿出电烙铁，以45度靠紧焊接面进行预热；

（2） 然后将焊锡丝同时伸向被焊的组件脚及焊盘，一起接触被焊处；

（3） 焊锡丝熔化，向焊接处推入焊锡丝，使焊锡润湿焊盘与组件脚，当焊点上的焊锡成圆锥形时即抽离焊锡丝（应控制焊锡丝的熔化量不能过多，以免造成浪费；

（4） 在焊锡完全熔化后，移去烙铁头。如焊锡过多，可把烙铁头上的焊锡甩干净，然后不用焊锡丝或极少量的焊锡丝重焊一遍，移去时正好吸去多余的焊锡；

（5） 如果焊点有连焊，也应将焊锡线（其中有助焊剂）与烙铁头一起接触在连焊的焊点之间，待焊锡丝与助焊剂一起熔化后，移去焊锡丝，再将烙铁头侧放着向下移走，吸去多余的焊锡；

（6） 如果要用电烙铁去除焊盘孔中的锡（ 即挑孔），应该将印制板拿高，把烙铁头置于比印制板低的位置，将烙铁头在焊盘孔上擦几下，可以将焊盘孔中的焊锡吸流到烙铁头上去。如果印制板较小，可以用烙铁将焊盘上的锡熔化， 然后迅速开烙铁，将印制板在工作台上轻敲一下，使焊盘上的熔锡振落；

（7） 将烙铁头上的多余焊锡甩在废锡盒中，再将电烙铁插入烙铁筒中。

（8） 正常焊接时，电烙铁与平面应保持角度是45度。

（9） 手拿锡线时，锡线头长度应留出3- 5CM。

（10）焊点的标准是：焊点呈锥形，焊锡要适量，表面有光泽，光滑，清洁等。

（12） 烙铁尖上有锡渣时在焊锡棉上擦掉，焊锡棉要清洗干净，使用时要保持湿润。

（13） 烙铁使用后必须放在烙铁架上，不充许传递，防止意外烫伤。

（14） 组件脚突出线路板太短会导致锡球或 焊。

（15） 排焊时，要把握用锡量，速度要快，拖到最后点应还有助焊剂。

（16） 防止不良焊点的发生除要正确有焊接技术外，还应注意待焊接面必须是清洁的，如发现待焊接面不洁净，必须先处理光亮后，方可重焊。 4、电烙铁的选择

电烙铁的功率应由焊接点的大小决定，焊点的面积大，焊点的散热速度也快，所以选用的电烙铁功率也应该大些。一般电烙铁的功率有20W 25W 30W 35W 50W 等等。选用30W左右的功率比较合适。

电烙铁经过长时间使用后，烙铁头部会生成一层氧化物，这时它就不容易吃锡，这时可以用锉刀锉掉氧化层，将烙铁通电后等烙铁头部微热时插入松香，涂上焊锡即可继续使用，新买来的电烙铁也必须先上锡然后才能使用。

5、焊锡和助焊剂

选用低熔点的焊锡丝和没有腐蚀性的助焊剂，比如松香，不宜采用工业焊锡和有腐蚀性的酸性焊油，最好采用含有松香的焊锡丝，使用起来非常方便。

6、焊接后的检查

焊接结束后必须检查有无漏焊、虚焊以及由于焊锡流淌造成的元件短路。虚焊较难发现，可用镊子夹住元件引脚轻轻拉动，如发现摇动应立即补焊。

5、安装、调试过程、故障问题分析及解决

经过一天的紧张而刺激的电路焊接，我们组的电子设计终于完成，第一次调试失败，接入电源时，发现彩灯只有第一盏亮，这时我们利用万能表检查各个芯片是否有电压输出，发现555定时器输出有频率输出，而且频率大致符合仿真数据，然后检测发光二极管以及电阻部分，且都正常，我们分析出应该是计数器CD4017芯片出了问题，起初我们认为是芯片引脚接错，并依次检测阵脚电压，分析电路板电路连接图，排除客观因素，整理修改焊接下次，清理任何可能的错误，但是显示仍然是第一盏发光二极管亮，其他均未亮，这让我们很头疼，没有一点头绪，不知道如何是好，只有期待第二天老师的分析帮忙了。

第二天调试，在曹老师精心辅导下，我们基本排除了引脚接错的可能，在老师指导下将INH端接地，根据电路图，IHN接地才能导致芯片正常工作。接通电源再次调试，结果只有第一盏和第五盏依次循环发光，但是中间三盏始终未发光，我们在老师辅导下再次对电路板进行检查，利用万能表进行逐级检测，经过老师分析检测，发现每个发光二极管输入端有电平依次输入，但是相对都比较低，中间三盏发光二极管无法导通，从老师分析得知，原来这样设计的电路，由于二极管过多，芯片提供的电流达不到所需的电流，驱动不了如此多的二极管，导致无法正常显示，但是电路工作正常，只是没法带动二极管正常发光。

通过老师的分析，我们知道了这次实验设计出的问题，也让我们知道实践和电路仿真测试的区别。让我们知道了电路设计要考虑的方方面面。

后来，我们利用下午的时间对电路进行改进，将中间三个发光二极管输入端改接三极管发射集，由CD4017芯片提供触发信号给三极管基极来驱动发光二极管发光，认为增大电流就能够解决我们的问题，但是事与愿违，管子是依次发光了，但是却未遵循循环依次按顺序发光，我们再次请教了老师，分析后得知经过三极管放大后，电流会很大，可能会烧坏二极管，而且此时电路中发光二极管的保护电阻已不能保护二极管，改接后的电路连接合理性出现问题。果不其然，第三次重复测试后，中间三个发光二极管烧坏，经电源直接触碰测试无显示。

此次实验，虽总体效果显示来说，实验失败，但是理论、原理以及工作状态都符合设计测试。而从中学到的知识以及制作过程中的实践过程，心得体会才是最重要的。在失败的过程中学会成功，学会解决问题，克服困难，培养我们实践动手的能力，这也是我们实验意义的真正所在。

6、心得体会

心得体会（1）：

组员：陈琛

本学期电子综合实验设计，是学习本专业以来第一次实物模拟操作，用了两天半的时间，很有意思，也很累，曹老师也很辛苦，在此很感谢老师的精心执导。

在第一天的下午，是我们第一次接触电路板焊接方面的操作，曹老师没让我们焊接自己的电子设计，只是让我们先熟悉环境，熟悉元器件，熟悉工具和焊接感觉，为第二天的正式焊接做准备。

第二天一早，我们这组第一个来到实验室，迫不及想感受一下焊接电子设计的感觉，去元器件房领取元器件的过程也让我增长了不少见识，也把常用的元器件识别辨认了解了一遍。

在焊接过程中，我慢慢学会如何正确用过烙铁加热元器件焊点，用左手将焊锡触碰元件焊点，三秒时间即可。在电路排版布局上，我实现也做好了分析准备，只可惜实际情况有出入，电路板背后的铜线很有讲究，我临时根据电路板后的铜线纹路重新规划设计了电路图，于是就和队友分工合作焊接了，对于焊接电路板，首先要把主要元器件插好，布控好电路总体布局，然后焊接主要芯片，而且先焊接低的电路元器件，保持焊接板水平放置焊接，最后焊接局部元件，而且焊接好子模块后，最好进行简单调试检测。最后经过一天的努力，我们在晚上之前完成了电子设计。

通过本次电子设计实验，让我们知道电子课程设计是重要基础实践课。经过查资料、选方案、设计电路、撰写设计报告、使我得到一次较全面的工程实践训练。理论联系实际，提高和培养创新能力，为后续课程的学习打下基础。 我认为，积极地参与电子课程设计设计，不仅可以充分的体会到自己动手实践的乐趣，获得哪怕是前进一小步时候的那种成功的喜悦，还有以下的几点收获：

（1）有利于我们学习能力的提高。这里所说的学习能力包括获取资料的能力、理解前人思路的能力、动手能力、分析排除故障能力、表达能力等很多方面，电子设计设计的赛制决定了上述能力缺一不可。

（2）有利于我们团队精神的培养。在课堂之外实际的工作中，我们一般都要与人合作共同完成某一项目，这就非常需要团队精神，而这一点在课堂常规教学中得到的锻炼是很有限的。

作为一名电信专业的大二学生，我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。

虽然完成了任务，但是，我们对一些电子技术知识掌握的不够牢固，导致，我们设计很吃力。所以，学过的知识要经常地复习，方便以后地学习。

最后，非常感谢曹斌芳老师对我们耐心的指导，正因如此，我们才顺利的完成这一次的设计任务。

心得体会（2）： 组员：任晓峰

电子课程设计，是以学生自己动手动脑，并亲手设计、制作、组装与调试为特色的。它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神，。作为信息时代的大学生，仅会书本理论是不够的，基于动手力是一切工作和创造的基础和必要条件。

通过这两周的设计，使我对数字电子技术的理论有了更深的了解。了解到了焊普通元件与电路元件的技巧、电路的设计制作、流水彩灯控制器的原理等。这些知识不仅在课堂上有效，在日常生活中更是有着现实意义，也对自己的动手能力是个很大的锻炼。在设计的过程中，我锻炼了自己动手能力，提高了自己解决问题的能力。通过本次实习培养了我理论联系实际的能力，提高了我分析问题和解决问题的能力，体会了团队合作的精神。

首先，在得到课程设计的题目后，我们就在网上和图书馆查关于这次设计的资料，了解此次设计的项目原理。也查到了，我们设计中所需要的元器件的型号和参数。对我们在生活在搜集资料的能力也得到了锻炼；

其次，在找到我们所需要的资料后，我们就用电子电路仿真软件（EWB、PROTEL等）设计电路，在设计过程中出现过很多困难，从刚开始不会使用，到操作熟练，最后仿真设计电路成功，我们经历了心酸曲折，但是最后心里还是很有成就感；

最后，在仿真成功后，老师发了元器件，在实际焊接过程中，我们精心设计电路连接方案，使最后的电路板焊接的很美观，焊接技术有很大的提高。在调试过程中，我们的发光二极管只有两个亮，于是，我们检验电路是否连接错误及各个器件部分是否正常工作，最后在老师的指导下，明白二极管两端电压不足，明白在电脑上仿真的结果和实际操作中的结果还是有一些不一样的。

这次的电子课程设计让我学到很多，既巩固了课本上的知识，也充分理解了所学的器件的原理，更在实际操作中锻炼了自己的动手能力，让我的思维有了新的拓展。也非常感谢老师的细心指导。希望以后能多些类似这种课程设计的，让我们的锻炼机会更多一些。为以后出去工作打好坚实的基础!

最后，感谢老师对我们的精心指导，让我们以愉快的心情通过本次实验，并学会了很多相关方面的知识。