光控七彩流水灯

项目简介

本项目采用555时序电路产生一定频率的方波输入至计数器芯片CD4017从而依次产生驱动各个LED的高电平脉冲，从而实现流水灯的效果

项目功能特点

1. 光控电路通断
2. 流动周期可调
3. LED灯渐灭效果
4. 七彩流水灯
5. 插件贴片封装各有，所用器件涵盖大部分常用器件，很适合初学者练习电路设计焊接

原理解析（硬件说明）

本项目由电源输入电路、光控电路、脉冲产生电路、LED驱动及LED电路以下几个部分组成

1.电源输入电路

• 考虑到我们经常使用电脑的COM口或充电宝来供电，为了方便，我们选用Type-A的公头作为系统的供电输入口。

• 在立创商城里有很多类似的，随便挑选一个不那么贵且有货的选中放置在画布上（如图）

• 这种Type-A口很简单，只有四个引脚。当只用作供电时，只需连接其VCC与GND引脚，信号线D+/D-可以打上非连接标识不用，MH1与MH2为其固定引脚，与外壳相连，一般我们直接将其接地即可。有不明白的同学可以选中这个器件，快捷键“Alt+F”打开封装管理器，在封装管理器里面可以明确看到各个引脚对应网络以及3D模型（如果有的话）。

2.光控电路

• 说到光控最简单的方案就是采用光敏电阻——光敏电阻在光强变化时其阻值会发生变化。在有光照时，光敏电阻亮电阻只有10~20K左右，而在无光照或光强很弱时，暗电阻能有1M左右。那我们要如何使用光敏电阻的这种变化来达到我们的目的呢？别慌，我们接着往下看。
• 我们知道，三极管具有开关的功能，这正符合我们想要控制整个电路通断的目的，那么如何对三极管与光敏电阻进行配置呢？首先要知道，三极管一共有三种工作状态，分别是截止、放大、饱和。以NPN硅管为例，当基极与发射极电势差小于0.7V时，三极管处于截止状态；当大于0.7V时，三极管处于放大或饱和状态。至此，只要改变基极与发射极电势差便可以改变三极管的工作状态。
• 理论可行，现在我们简单配置一下直接来进行Multisim仿真。由于Multisim我没找到光敏电阻，所以就用一个1M的可调电阻来模拟光敏电阻的阻值变化。
• 在有光时，光敏电阻阻值很小（电位器调成10K~20K左右），对于100K来说分到的电压很小，这样基极电压就很小,此时三极管处于截止状态，无法让集电极与发射极导通，负载电压只有不到2.5V，无法带动后级电路

• 在无光时，光敏电阻很大（电位器调成1M欧姆），这样基极分到的电压较大，基极与发射极电势差大于0.7V，三极管集电极与发射极导通，可以看到负载电压可达4.5V，足以驱动后级电路

• 在Multisim里仿真过后，成功验证了我们所选方案的可行性。
• 回到原理图我们将电源输入+5V与VCC分别连接至三极管的集电极与发射极负载上，这样便可实现光控电路通断

3.脉冲发生电路

• 选用555定时器作为脉冲发生芯片是经典中的经典

输出的频率计算公式为:

• 对照原理图可以计算出频率调节范围为0.67Hz-1.24Hz,即周期为0.81s-1.50s。

4.LED电路驱动芯片

• 方案选用计时器芯片CD4017，其本质是D触发器，我们一起来看一下它的数据手册
• 可以看到我们所选用的芯片封装为SOP-16，Q0~Q9都是其译码输出端，VDD与VSS引脚不用多说，分别连接原理图中的VCC网络与GND网络，其他为CD4017的功能引脚，具体功能需要看其真值表。

• 来到真值表，可以看到芯片在RESET引脚处于高电平时处于复位状态，Q0输出高。RESET引脚处于低电平芯片正常工作，有两种进位模式，其一是时钟输入引脚（CLOCK）接受来自555定时器产生的脉冲，CLOCK INHIBIT引脚处于低电平时，在上升沿触发，计数器开始进位；其二是当CLOCK引脚处于持续高电平时，CLOCK INHIBIT引脚作为脉冲输入端，在脉冲下降沿触发，计数器开始进位。而CARRY OUT是计数器在级联时使用，本次只使用一颗芯片无需级联，所以该引脚可以打上非连接标识。

• 观察时序图可以很直观的看出循环。

• 本设计为七彩流水灯，需要用到7种不同的LED，所以需要从Q1引脚开始，一直到Q7引脚，分别用七种颜色的英文作为网络标签的名字。而我们只使用7个输出口，所以在第8个输出时结束循环。所以我们需要将Q8连接至RESET引脚，当循环完7个LED时，Q8输出高电平，与RESET相连，从而使芯片复位再次从Q0开始输出这样便可以完成7个一循环。其他不用的引脚我们都打上非连接标识。

5.LED电路

• LED电路同样也使用三极管作为开关，每个三极管的基极连接至CD4017计数器的Q1Q7引脚，当Q1Q7依次输出高电平时，每个三极管的集电极与发射极依次导通，VCC与电容连接，电容开始充电；同时LED也导通发光。当三极管截止时，电容由于充了电可以充当电源给LED继续供电，直到电荷耗尽。这样便可以实现LED的渐灭效果。

注意事项

1. 本设计光敏电阻采用插件的目的是放置在PCB板的边缘，焊接时掰弯，使其垂直于板子边缘。
2. 在PCB放置Type-A公头时，整体边框要对齐其封装里自带的板框层，不然会导致Type-A装配受阻。
3. 插件电容可以放置在与LED所在层级的另一侧，一是板子整体美观，二是插件电容可以掰弯贴在PCB板背面，减小板子体积，提高美观性。
4. PCB板上放置了两个M3限位铜柱，目的是为了方便3D外壳的安装（本设计中未画出，因为笔者没钱打3D外壳），如果不需要3D外壳也可以不加M3铜孔。