流⽔灯电路的组装与调试
2019-10-15
摘要：S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。
本⽂介绍《流⽔灯电路的组装与调试》项⽬的由来、设计思路、电路原理图、⼯作原理、组装所需的元器件清单、实际组装和调试的过程等。展现了⼀个完整的⼀体化教学项⽬，适⽤于有⼀定理论知识与技能操作基础的学⽣。
关键词：流⽔灯；NE555；CD4017；组装与调试
【分类号】TP368.1
前⾔
我们学校历来⾮常重视教学模式的改⾰和创新。我们教研组的⽼师也经常进⾏集体备课，教学模式的探索
和教学资源的优化。我们这次的教学任务《流⽔灯电路的组装与调试》就进⾏了新的探索和尝试。⾸先，我介绍⼀下这次任务的由来，我们在进⾏疏散演习的时候，同学就会发现楼道⾥的指⽰灯并不很明显，处在中间的同学不容易到出⼝，同学就提出了⼀个想法，我们能不能⾃⼰设计⼀个动态的流⽔灯，辅助这个疏散灯，这样使同学更容易到安全出⼝。于是，我们就有了这次的项⽬。⼀般的⼀体化教学任务是由企业的⽣产实践中的典型⼯作任务提炼⽽来的。虽然他有针对性和实践性，但是缺少了学⽣的参与在⾥⾯。⽽我们这次，就进⾏了⼆者有机的集合，⼴泛征求了学⽣的意见和想法，由教研组⽼师进⾏讨论，最后确定了基本⽅案，由⽼师带领学⽣进⾏了电路的设计。我们将这次任务设计成引导型，开发型的。在电路的设计当中我们预留了许多可以改进的地⽅，给同学⼀个发挥的空间，让他们对电路进⾏改进。这样让他们觉得设计电路并不难，引发他们对电路设计的兴趣，从⽽，引起他们对专业课深⼊学习的兴趣。
⼀、设计思路
1. ⼗个LED灯相继被点亮，形成流⽔灯。
2. 要做双⾯印制电路板，电路元件要兼顾贴⽚式的和通孔的。（为了增加⼀定的组装难度，也为了让学⽣发现它的不完美，从⽽进⾏改进）
3.可以⼀块电路板单独使⽤，也可以级联起来多个⼀起使⽤。
4.不需要程序设计，只⽤硬件电路实现。（适⽤于职校⼆年级的学⽣，还没有学到程序设计，也为后⾯的继续学习打下伏笔）⼆、电路原理图
由NE555、CD4017和三极管控制的流⽔灯电路原理图如下图所⽰，该电路图由专业⽼师带领兴趣⼩组的同学进⾏设计，⽤Protel DXP 2004 软件画出来的。
三、电路⼯作原理
1.CD4017的⽤途和引脚功能
1）CD4017的⽤途
CD4017集成电路是⼗进制计数/时序译码器，⼜称⼗进制计数/脉冲分频器。它是4000系列CMOS数字集成电路中应⽤最⼴泛的电路之⼀，其结构简单，造价低廉，性能稳定可靠，⼯艺成熟，使⽤⽅便。⽬前世界各⼤通⽤数字集成电路⼚家都⽣产4017，在国外的.产品典型型号为CD4017，在我国，早期产品的型号为C217、C187、CC4017等。
2）CD4017C管脚功能
CMOS CD4017采⽤标准的双列直插式16脚塑封，如下图。
其引脚功能如下：①脚（Y5）：第5输出端；②脚（Y1）：第1输出端，③脚（Y0）：第0输出端，电路清零时，该端为⾼电平；④脚（Y2）：第2输出端；⑤脚（Y6）：第6输出端；⑥脚（Y7）：第7输出瑞；⑦脚（Y3）：第3输出端；⑧脚（Vss）：电源负端；⑨脚（Y8）：第8输出端，⑩脚（Y4）：第4输出端； 11脚（Y9）：第9输出端，12脚（Qco）：级联进位输出瑞，每输⼊10个时钟脉冲，就可得⼀个进位输出脉冲。因此，进位输出信号可作为下⼀级计数器的时钟信号，13脚（EN）：时钟输⼊端，脉冲下降沿有效；l4脚（CP）：时钟输⼊端，脉冲上升沿有效；（15）脚：清零输⼊端，在“R”端加⾼电平或正脉冲时，CD407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YO为⾼电平，16脚（VDD）：电源正端，3―18V直流电压。
CP端在输⼊时钟脉冲的上升沿计数，时钟允许端EN为0时允许时钟脉冲输⼊，为“1”时，禁⽌时钟脉冲输⼊。在输⼊时钟脉冲的作⽤下，Q0―Q9的⼗个输出端依次为⾼电平。 R为复位端，当R=1时，计数器清零，Q0为1，其余Q1―Q9均为0。CO为进位输出端，CD4017计满10个数后，C0端输出⼀个正的进位脉冲。
2.NE555引脚功能
NE555是⼀种应⽤特别⼴泛作⽤很⼤的集成电路，属于⼩规模集成电路，在很多电⼦产品中都有应⽤。NE555的作⽤是⽤内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。NE555时基电路有两种封装形式有，⼀是DIP双列直插8脚封装，另⼀种是sop-8⼩型（smd）封装形式。
Pin 1 （接地） -地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地点。
Pin 2 （触发点） -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须⼤于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。
Pin 3 （输出） -当时间周期开始555的输出脚位，移⾄⽐电源电压少1.7伏的⾼电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于⾼电位时的最⼤输出电流⼤约200 mA 。
Pin 4 （重置） - ⼀个低逻辑电位送⾄这个脚位时会重置定时器和使输出回到⼀个低电位。它通常被接到正电源或忽略不⽤。Pin 5 （控制） -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作⽅式下，这输⼊能⽤来改变或调整输出频率。
Pin 6 （重置i定） - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移⾄2/3 VCC以上时启动这个动作。
Pin 7 （放电） -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能⼒，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为⾼阻抗。
Pin 8 （VDD） -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特（最⼩值）⾄+16伏特（最⼤值）。
3.电路⼯作原理
本流⽔灯电路由振荡电路、译码电路和光源电路三部分组成。本⽂选⽤的脉冲发⽣器是由NE555与R21、R22、W1及电容器C2组成的多谐振荡器组成。主要是为灯光流动控制器提供流动控制的脉冲，灯光的流动速度可以通过电位器W1进⾏调节。由于W1的阻值较⼤，所以有较⼤的速度调节范围。
灯光流动控制器由⼀个⼗进制计数脉冲分配器CD4017和若⼲电阻组成。CD4017的CP端受脉冲发⽣器输出脉冲的控制，其输出端（Q0～Q9）将输⼊脉冲按输⼊顺序依次分配。输出控制的脉冲，其输出控制脉冲的速度由脉冲发⽣器输出的脉冲频率决定。10个电阻与CD4017的10个输出端Q0～Q9相连，当Q0～Q9依次输出控制脉冲时10个发光⼆极管按照接通回路的顺序依次发光，形成流动发光状态，即实现正向流⽔和逆向流⽔的功能。电源电路所采⽤的电源为6V。
四、PCB板图
⽤Protel DXP 2004 软件设计的双⾯PCB板图，正⾯是⼗个发光⼆极管，其余元器件都在反⾯。发光⼆极管、电容器、电位器采⽤通孔的，其余元器件都采⽤贴⽚式的。
五、元器件清单
六、电路的组装与调试
1.电路的组装⽅法和步骤
1）按照电路图明细表的型号及规格对所有的元器件进⾏编号，将所有元器件按先⼩后⼤、先低后⾼、先⼀般后特殊的顺序依据图⽰⽅向装接到件1（印制板）对应位置上，静电敏感器件最后要在防静电⼯作台上进⾏操作装接（图中IC1、IC2为静电敏感器件）。
2）贴焊电阻器R1--R22。
3）贴焊贴⽚三极管VT1-VT10。
4）将电容器C1-C2、电位器W1、插座J1、发光⼆极管VD1-VD10元器件的引线浸锡。
5）电容器C1、C2引线腿成型。
6）插焊电容C1-C2、电位器W1、插座J1元器件，插装时应注意电位器中⼼头⽅向，并将电位器W1、插座J1紧贴印制板放正、放平。
7）在防静电⼯作区台上贴焊IC1、IC2静电敏感器件，按图⽰⽅向贴装后，采取对⾓焊接原则，即先焊接⼀个引脚，调整器件使之所有的引脚与印制板上所对应焊盘对齐后，再焊接另⼀个引脚，然后再逐个焊接，
8）将VD1-VD10发光⼆极管插焊在印制板的背⾯，插装时将⼆极管短引线腿插⼊印制板标志圆缺的⼀侧，并确保发光⼆极管⾼度⼀致。
9）严格按照图纸技术要求施⼯。
10）所有元器件焊接位置应确保正确，焊点光滑、平整、牢固。
2.电路调试与故障排除
本电路⽆需多少调试，只要检查电路有⽆插错元器件，检查元器件的极性有⽆接错，电路连接是否正确，焊接是否良好，⽆虚焊等缺陷，然后接通电源+6V，观察灯闪是否按照从第1组到第10组灯顺序依次点亮成流⽔状即可。如有问题，先⽤万⽤表电压档测量IC （CD4017）的（14）脚的时钟信号是否正常。如正常，则是CD4017及其后⾯的电路问题，需检查元器件是否插错，电路连接是否正确，焊接是否到位等。如不正常，则是该振荡器没有产⽣振荡，说明IC（555）及其电路有问题，需检查相应元器件及其电路。
七、成品图⽚展⽰
这是学⽣完成的作品，95%以上的学⽣都能⼀次性组装调试成功，有个别学⽣的有点⼩问题，经过修复，最后也都调试成功，同学们对这次实训项⽬都很满意。
⼋、总结
通过这次教学项⽬，锻炼了学⽣综合运⽤所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题的能⼒。这次课设在⽼师的指导下以及各个⼩组⼈员的共同努⼒下，顺利地完成，这次项⽬，不仅提⾼了学⽣的动⼿能⼒，更培养了团队精神，让学⽣在独⽴思考解决问题的同时，⼜相互配合，顺利完成项⽬。
同时很多同学也提出了改进意见：
（1）所有元器件都⽤贴⽚式的
（2）⽤不同颜⾊的发光⼆极管
（3）⽤5伏电压，带USB接⼝
debug灯（4）印制板的尺⼨和形状进⾏改变
经过同学们的实验，有些⽅⾯已经实现。
参考⽂献：
[1] 康华光主编. 电⼦技术基础（模拟部分第五版）.⾼等教育出版社， 1999.6
[2] 康华光主编. 电⼦技术基础（数字部分第五版）.⾼等教育出版社， 2005.7
[3] 张毅刚，单⽚机原理及应⽤[M]，北京：北京⾼等教育出版社，2003年
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