心形流水灯课程设计之流水灯制作方法（含CD4017电路）

454398 2018-08-15 15818

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描述

此作品特别适合初学者制作，其本质就是用数字芯片CD4017构成的流水灯，显示方式根据自己的喜好、创意就OK。动手制作这样的礼物，送给ta绝对会是再好不过了。

首先，我们了解一下该作品的五脏六腑：

1. 杜邦线（若干）

2. 万能板X2

3. 电位器X2

4. 470uF电容X1

5. 二极管X4

6. 变压器X1

7. 104电容（若干）

8. LM7809芯片X1

9. 散热片X1

10. 各色LED灯（若干）

11. 100uF电容X1

12.2K电阻X1

13. 680欧电阻（若干）

14. 共阴数码管X4

15. NE555和 CD4017 （各一片）

16. 芯片底座X2（有利于芯片的二次利用）

17. 木板5块加包装纸2张（尺寸大小根据自己情况而定）

所需器件如下图所示：

我把作品电路分为3个部分，这3个部分都是以我的实物为依据的，你当然可以有更好的创意来改进它。

一、电源电路：

既然作品定位是礼物，所以电源一定要装在里面。

CD4017工作电压较高，加之彩灯使用环境是在室内的，所以我们考虑使用交流电源。3~5瓦的小型变压器即足够，要求变压器次级输出7~8V，这样经整流滤波后可得到系统需要的9~10V直流电压。

以下是该部分的原理图及实物图：

流水灯

二、LOVE型生日彩灯：

1. 流水驱动电路：

NE555和CD4017的作用。NE555组成振荡电路，CD4017则是计数电路。

心形中间部分LED产生流动的效果，就是靠NE555和CD4017的组合。我在下面为初学者详细讲一下电路原理。

振荡电路由一块时基集成电路NE555和C2、C3、R1、R2等组成（其中C2为延时充电电容，C3为抗干扰隔离电容，R1、R2为延时充电电阻，而R2又为放电电阻）。

通电后，因电容C2两端电压不能突变，2脚的电压为低电平，集成块NE555的内部触发器被置位，3脚输出高电平。

同时，由于电源经电阻R1和R2向C2充电，使6脚和2脚的电压不断提高，当电位上升到VCC的2/3时，集成块NE555的内部触发器被复位，3脚的输出电压翻转为低电平。

同时集成块NE555内部的放电管导通，即7脚通过内部的放电管和1脚相通，C2上储存的电荷就通过R2、7脚放电，使6脚和2脚的电压不断下降，当电位降低到VCC的1/3时，集成块NE555的内部触发器被置位。

同时集成块NE555内部的放电管截止，7脚被悬空，电源又通过R1、R2向C2充电，使6脚和2脚的电压不断提高……如此，周而复始，形成振荡。

输出端的高电平维持时间取决于电容C2的充电时间常数，输出端的低电平维持时间取决于电容C2的放电时间常数。由于R2≥R1，故可以认为f放≈f充，目的是减小彩灯熄亮交替的时间间隔的差异。

如用作其他情况，课按需要调整R1、R2、C2的参数。综上分析，3脚始终处于高电平和低电平的二进制变化状态，故此电路又称为无稳态电路。

译码电路由一块CD4017集成块组成。该集成块有3个输入端（2个时钟输入端CP的14脚和EN的13脚与复位端Cr的15脚）。有10个输出端Q0～Q9（依次为3脚、2脚、4脚、7脚、10脚、1脚、5脚、6脚、9脚、11脚）。

还有一个进位端CO，其功能是：当复位端Cr加上高电平和正脉冲时，输出端Q0为高电平，其余9个输出端Q0～Q9均为低电平。时钟输出端CP对输入时钟脉冲的上升沿计数，EN则对时钟脉冲的下降沿计数。Q0～Q9这10个输出端的输出状态分别与输入的时钟个数相对应。

如从0开始计数，则输入到第1个时钟脉冲时，Q1就变成高电平，输入第2个时钟脉冲时，Q2变成高电平……直到输入第10个时钟脉冲，Q0变为高电平。

同时，进位端C0就输出一个进位脉冲，作为下一级计数的时钟信号。Cr为复位端，也为清零端。当Cr输入高电平时，电路复位，即输出端Q0为高电平，Q1～Q9为低电平。

如此反复，只要集成块NE555的3脚送来的二进制信号不消失，CD4017将二进制信号转换为十进制信号的计码工作就会反复进行下去。

综上可知：调节可变电阻R2便可改变振荡电路的频率，反映在CD4017输出端则是流动的速率。

2. 布局及工作原理

关于这个LOVE型彩灯部分我画了一个直观的图，心形有30颗LED组成，但是CD4017只有10组输出，所以我把心形的顶部5颗LED和底部5颗LED独立开来，其他还有20颗LED则两两并联后由CD4017驱动，形成流水灯效果，Q0~Q9直接接到CD4017的对应端（两只高亮LED并联后工作电流在20mA以下，完全不必接三极管扩流驱动）。

流水灯

顶部和底部独立出来的2路LED，电路完全相同，它们是将5颗LED串联后直接接在电源上，有朋友会问：那不是这两路LED都静止在那儿了？

正因为如此，所以我把LED1和LED30换成了多色自闪的LED（这也是高亮LED中的一种，市售价格会高一些，我记得当时买的是一块钱一颗）。这样处理之后，这两颗LED总是在闪，发出七彩光，同时因为它们在闪的过程中自身压降总在忽高忽低的交替变化，使得分别所处的这两条LED通路上的其他4颗LED的分压也发生变化，导致支路中的其他4颗LED会呈现亮度高低起伏的效果，恰到好处地陪衬了两颗闪烁的LED。

注意在上图中，除LED1和LED30以外的LED颜色按个人喜好编排，但一定要保证左右对称，不然会很丑。

三、数码管显示LOVE：

作品做出来后，发现心形彩灯的中间很空，看上去挺别扭，于是想到用数码管显示LOVE，当时不知道怎么样驱动数码管，所以直接将数码管焊死了，即需要哪些笔画亮就将其通电，当然这是最傻瓜的方法，但是对于初学者来说可能是达到预期效果的最好方法。该电路使用共阴数码管。

流水灯

注：

硬件制作要点，我稍作一些解释

1、作为礼品，外观至关重要。不管作品是否采用我的这种结构，制作时一定要考虑到方不方便制作、固定外壳。

2、电路中的可调电阻R2，不要使用微调的，要用带手柄的（比如音量电位器那种），制作好之后不论是你自己调试还是礼品的主人，都可以调节LED流动速度。

以下是成品及效果图：

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