電子課程設計
---聖誕樹的設計與製作
學院：電子資訊工程學院
班級：電氣091501班
課設時間：2023年12月
目錄1、設計任務及要求1
2、總體框圖1
3、選擇器件2
4、功能模組11
5、總體電路圖設計16
6、硬體實驗17
7、課設心得18
聖誕樹的設計與製作
一、 設計任務與要求
聖誕樹一共有七層彩燈控制電路組成。頂層用乙個五角星紅色閃光燈構成；第一層由cd4017和lm555構成乙個雙閃或三閃式訊號閃光電路；第二層有8個不同顏色的彩燈組成的控制電路，控制要求彩燈依次由暗變亮，又變暗不斷重複閃爍發光；第三層由兩組不同顏色的彩燈構成，形成紅燈閃爍完畢綠燈接著閃爍，然後停3s到5s後紅燈再次閃爍，然後綠燈再次閃爍，從而形成乙個週期閃爍的彩燈控制電路；第四層由乙隻雙四位串入/並出移位儲存器cd4015組成形成光點逐個發光又逐個熄滅的移動閃爍效果；第五層在第四層的基礎上對電路結構進行適當的變化形成一亮一暗交替閃爍發光電路；第六層雙色花樣流動燈，。
任務完成後，總體效果就是各層設計的彩燈電路在各自控制的電路下形成交替動感閃爍發光效果。
二、總體框圖
圖（1）聖誕樹的設計與製作的總體框圖
在閃光燈電路中，我決定用二進位制計數器74ls293。利用它的二進位制功能，從而實現led閃光燈電路。在雙閃電路中，題目要求用lm555和cd4017組成乙個雙閃電路，但cd4017的晶元我們不是很熟悉，所以我決定利用十進位制計數器74ls160構成三進製計數器來實現雙閃電路。
在迴圈閃爍燈電路中，我打算將同步4位二進位制加/減計數器74ls193的輸出接到3-8解碼器的輸入端，再用四個與非門共同組成乙個迴圈閃爍的閃光燈電路。在移動發光式閃爍燈電路中，我用兩隻雙四位串入/並出移位暫存器4015bd組成led燈光移動閃爍電路，在脈衝的作用下，移位暫存器的輸出端依次輸出驅動脈衝，通過驅動二極體的發光，形成光點逐個發光又逐個熄滅的移動閃爍效果。交替發光式led閃光燈電路是在移動閃爍電路的基礎上改變的，即改變輸入資料。
在雙色花樣流動閃光燈電路中，我用了兩個4017bd晶元，通過輸出端與發光二極體的交叉連線，在時鐘脈衝的作用下兩計數器輸出的脈衝使雙色發光二極體呈現出複雜的流動花樣變化。在週期閃爍的閃光的電路中，我仍用十進位制計數器74ls 160實現了紅燈綠燈的迴圈閃爍，但不知道如何實現3-5s的停頓
三、選擇器件
cd4017是5 位johnson 計數器，具有10個解碼輸出端，cp、cr、inh 輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發器具有脈衝整形功能，對輸入時鐘脈衝上公升和下降時間無限制。inh 為低電平時，計數器在時鐘上公升沿計數；反之，計數功能無效。
cr 為高電平時，計數器清零。johnson 計數器，提供了快速操作、2 輸入解碼選通和**刺解碼輸出。防鎖選通，保證了正確的計數順序。
解碼輸出一般為低電平，只有在對應時鐘週期內保持高電平。在每10 個時鐘輸入週期co 訊號完成一次進製，並用作多級計數鏈的下級脈動時鐘。cd4017 提供了16 引線多層陶瓷雙列直插(d)、熔封陶瓷雙列直插(j)、塑料雙列直插(p)和陶瓷片狀載體(c)4 種封裝形式。
推薦工作條件
電源電壓範圍：3v-15v；輸入電壓範圍：0v-vdd
工作溫度範圍
m 類：55℃-125℃ ；e 類：40℃-85℃
極限值：
電源電壓：-0.5v-18v；輸入電壓：-0.5v-vdd 十0.5v；輸入電流：±10ma
貯存溫度：-65℃-150℃
引出端功能符號
co：進製脈衝輸出；cp：時鐘輸入端； cr：清除端； inh：禁止端； q0-q9 計數脈衝輸出端； vdd：正電源； vss：地
cd4017引腳圖：
圖（2）晶元cd4017的管腳圖
d4017引腳圖的功能：
cd4017內部是除10的計數器及二進位制對10進製解碼電路。cd4017有16支腳，除電源腳vdd及vss為電源接腳，輸入電壓範圍為3–15v之外，其餘接腳為：
a、頻率輸入腳：clock(pin14)，為頻率訊號的輸入腳。
b、資料輸出腳：
a、q1-q9(pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，為解碼後的時進製輸出接腳，被計數到的值，其輸出為hi，其餘為lo 電位。
b、carry out（pin12），進製腳，當4017計數10個脈衝之後，carry out將輸出乙個脈波，代表產生進製，共串級計數器使用。
c、 控制腳：
a、 clear(pin15)：清除腳或稱復位(reset)腳，當此腳為hi時，會使cd4017的q0為「1」，其餘q1-q9為「0」。
b、clock enable(pin13)，時序允許腳，當此腳為低電位，clock輸入脈波在正緣時，會使cd4017計數，並改變q1-q9的輸出狀態。
cd4015是乙個串入並出移位暫存器，從邏輯結構上看，移位暫存器有以下兩個顯著特徵：(1)移位暫存器是由相同的寄存單元所組成。一般說來，寄存單元的個數就是移位暫存器的位數。
為了完成不同的移位功能，每個寄存單元的輸出與其相鄰的下乙個寄存單元的輸入之間的連線方式也不同。(2)所有寄存單元共用乙個時鐘。在公共時鐘的作用下，各個寄存單元的工作是同步的。
每輸入乙個時鐘脈衝，暫存器的資料就順序向左或向右移動一位。通常可按資料傳輸方式的不同對cmos移位暫存器進行分類。移位暫存器的資料輸入方式有序列輸入和並行輸入之分。
序列輸入就是在時鐘脈衝作用下，把要輸入的資料從乙個輸入端依次一位一位地送入暫存器；並行輸入就是把輸入的資料從幾個輸入端同時送入暫存器。
在cmos移位暫存器中，有的品種只具有序列或並行中的一種輸入方式，但也有些品種同時兼有序列和並行兩種輸入方式。序列輸入的資料加到第乙個寄存單元的d端，在時鐘脈衝的作用下輸入，資料傳送速度較慢；並行輸入的資料一般由寄存單元的r、s端送入，傳送速度較快。移位暫存器的移位方向有右移和左移之分。
右移是指資料由左邊最低位輸入，依次由右邊的最高位輸出；左移時，右邊的第一位為最低位，最左邊的則為最高位，資料由低位的右邊輸入，由高位的左邊輸出。
移位暫存器的輸出也有序列和並行之分。序列輸出就是在時鐘脈衝作用下，暫存器最後一位輸出端依次一位一位地輸出暫存器的資料；並行輸出則是暫存器的每個寄存單元均有輸出。cmos移位暫存器有些品種只有一種輸出方式，但也有些品種兼具兩種輸出方式。
實際上，並行輸出方式也必然具有序列輸出功能。
cd4015是由兩組獨立的4位串入－並出移位暫存器組成。每組暫存器都有乙個cp輸入端、乙個清零端cl和乙個序列資料輸入端ds。每位寄存單元都有輸出端引出，因而即可作序列輸出，又可實現並行輸出。
加在ds端上的資料在時鐘脈衝上公升沿的作用下向右移位。當在cl端加高電平時，暫存器的輸出被全部清零。下表（1）為cd4015真值表,下圖（3）示出資料在cd4015中的移位過程。
該圖可以看出，cd4015的初始狀態為「0101」， 要序列輸入4位資料，就要給cp端加4個脈衝。通過資訊在cd4015中的流動過程，我們可知cd4015具有下述功能：(1)從序列輸入到序列輸出，資料延遲了4個時鐘週期。
因此，cd4015可用作延遲電路。(2)序列資料經過cd4015以後，轉換成了並行資料，可由q0～q3端並行輸出。(3)可作為資料暫存器使用。
表（1）cd4015的真值表
圖（3）cd4015的移位過程
3.74ls04n
74ls04n是乙個非門，其邏輯功能表如下表所示：
表（2）74ls04的邏輯功能表
下圖是其邏輯框圖：
圖（4） 74ls04的內部結構
4. 74ls160
74ls160n為十進位制同步加法計數器。其邏輯功能描述如下：在ct74ls160中為預置數控制端，d0-d3為資料輸入端，c為進製輸出端，為非同步置零端，q0-q3位資料輸出端，ep和et為工作狀態控制端。
當=0時所有觸發器將同時被置零，而且置零操作不受其他輸入端狀態的影響。當=1、=0時，電路工作在預置數狀態。這時門g16-g19的輸出始終是1，所以ff0-ff1輸入端j、k的狀態由d0-d3的狀態決定。
當==1而ep=0、et=1時，由於這時門g16-g19的輸出均為0，亦即ff0-ff3均處在j=k=0的狀態，所以cp訊號到達時它們保持原來的狀態不變。同時c的狀態也得到保持。如果et=0、則ep不論為何狀態，計數器的狀態也保持不變，但這時進製輸出c等於0。
當==ep=et=1時，電路工作在計數狀態。從電路的0000狀態開始連續輸入10個計數脈衝時，電路將從1111的狀態返回0000的狀態，c端從高電平跳變至低電平。利用c端輸出的高電平或下降沿作為進製輸出訊號。
下表（3）為74ls160n的邏輯功能表：
表（3）74ls160的邏輯功能表
74ls160n的邏輯符號74ls160的邏輯框圖:
圖（5）74ls160 的邏輯符號圖（6）74ls160的邏輯框圖:
74ls160的內部原理圖:
圖（7）74ls160的內部原理圖
5. in4001
in4001是乙個二極體，在主機板上二極體的作用是：做指示燈、整流、穩壓、鉗位、開關的作用。 主機板二極體的標註是在主機板中二極體一般用d或vd表示。其標註一般由5部份組成.
二極體的主要引數:1、最大整流電流是指二極體長期連續工作時允許通過的最大正向電流值，其值與pn結面積及外部散熱條件等有關。因為電流通過管子時會使管芯發熱，溫度上公升，溫度超過容許限度（矽管為140左右，鍺管為90左右）時，就會使管芯過熱而損壞。
所以在規定散熱條件下，二極體使用中不要超過二極體最大整流電流值。例如，常用的 in4001－4007型鍺二極體的額定正向工作電流為1a。2、最高反向工作電壓加在二極體兩端的反向電壓高到一定值時，會將管子擊穿，失去單向導電能力。
為了保證使用安全，規定了最高反向工作電壓值。例如，in4001二極體反向耐壓為50v，in4007反向耐壓為1000v。 3、反向電流反向電流是指二極體在規定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極體的反向電流。
反向電流越小，管子的單方向導電性能越好。值得注意的是反向電流與溫度有著密切的關係，大約溫度每公升高10℃，反向電流增大一倍。例如2ap1型鍺二極體，在25℃時反向電流若為250ua，溫度公升高到35℃，反向電流將上公升到500ua，依此類推，在75℃時，它的反向電流已達8ma,不僅失去了單方向導電特性，還會使管子過熱而損壞。
又如，2cp10型矽二極體，25℃ 時反向電流僅為5ua，溫度公升高到75℃時，反向電流也不過160ua。故矽二極體比鍺二極體在高溫下具有較好的穩定性。 4、最高工作頻率二極體工作的上限頻率。
超過此值是，由於結電容的作用，二極體將不能很好地體現單向導電性。
《電子聖誕樹電路》教學設計
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