實實務務專專題題報報告告書書 LL EE DD CC UU BB EE

指 導 老 師：程兆龍

專題製作學生：

四技電四甲 柳俊甫 BD101026

黃子原 BD101004 中 華 民 國 一 百 零 四 年 十 二 月 十 六 日

修 平 科 技 大 學 電 機 工 程 系

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING HSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

致謝

這次專題能如期完成, 我首先要感謝帶領我們專題程兆龍老師,從題目的決

定到完成專題作品過程,總是費心費力的提供專業知識協助我們,而且在我

們遇到挫折期間總是給我們鼓勵及有效的建議,更在專題前的暑期介紹我

們實習,讓我們提升自己的技術及專業領域,對我們本次專題有更多了解及

收穫,在此我們僅致上最崇高的敬意,來感謝程兆龍老師的諄諄教誨

在過程中我還要感謝同組所有組員,願意花費大量的時間一起努力,面對瓶

頸時總是共同面對一起共勉!

這次專題讓我們學會共同合作,發揮了我們三年所學的專業知識,感謝學校

提供充足的教育資源,希望以後能將所學的知識回饋給社會,不辜負老師們

的期望

ii

摘要 隨著科技的進步,人們越來越講求 3D立體影像,而藝術也能以立體來呈現

出來,我們本次專題就是要表達電子產品不僅能帶給人們娛樂性,更能與藝

術結合在一起,以 LED架成的方塊來呈現 3D立體藝術,利用光學瞬間錯綜影

像,帶給人們全新的視覺震撼力,更棒的是小巧方便線路簡單,適合當居家

的小型藝術品。

我們利用 555震盪 IC產生連續震盪頻率,4017計數 IC,訊號至 LED燈產生

震盪響應,使 LED CUBE能依電路設計閃爍不同形狀,我們外加一個可變電阻

來控制響應速度,能隨心所欲的控制閃爍速度,以便欣賞不同速度階段所呈

現的美感。

我們在不同的環境測試了 LED CUBE,包刮室內陰暗處,日光燈下,太陽底下,

及夜晚路燈下,經過阻值及硬體接法不斷調整更換,終於確定 LED CBE能在

不同環境中也能清楚呈現亮光。

,

,

iii

目錄

第一章 序論

1-1動機----------------------------------------------- 01

1-2系統架構圖----------------------------------------- 02

1-3動作流程圖----------------------------------------- 03

第二章 工作原理

2-1 LED閃爍原理--------------------------------------- 04

2-2 控制 LED閃爍速度---------------------------------- 06

第三章 相關硬體材料介紹與說明

3-1主控板-------------------------------------------- 07

3-1-1 555脈衝計時震盪 IC------------------------------ 07

3-1-2 4017CMOS計數 IC-------------------------------- 11

3-1-4 色碼電阻---------------------------------------- 14

3-1-5 可調電阻---------------------------------------- 16

3-1-6陶瓷電容----------------------------------------- 18

3-1-7電解電容----------------------------------------- 19

3-2硬體板--------------------------------------------- 20

3-2-1藍光 LED燈--------------------------------------- 20

iv

第四章 測試階段數據

4-1 555震盪 IC HIGHT LOW 波型------------------------- 22

4-2 4017CMOS計數 IC頻率調整波型----------------------- 23

4-2一階層測試----------------------------------------- 24

第五章 實驗過程

5-1製作流程------------------------------------------- 25

5-2硬體設計------------------------------------------- 26

5-2-1主控板電路--------------------------------------- 26

5-2-1硬體板電路--------------------------------------- 28

5-2-3 硬體組裝----------------------------------------- 30

第 6章 實驗成品結果

6-1 實物測驗成果------------------------------------- 32

第七章 討論與結論

7-1討論----------------------------------------------- 35

7-2結論----------------------------------------------- 36

7-3製作過程圖----------------------------------------- 37

附錄 1 參考文獻---------------------------------------- 40

附錄 2 作者資料--------------------------------------- 41

附錄 3 工作分配表-------------------------------------- 42

v

圖目錄

第一章

圖 1-1------------------------------------------------- 01

圖 1-2------------------------------------------------- 02

圖 1-3------------------------------------------------- 03

第二章

圖 2-1------------------------------------------------- 05

第三章

圖 3-1------------------------------------------------- 07

圖 3-2------------------------------------------------- 08

圖 3-3------------------------------------------------- 08

圖 3-4------------------------------------------------- 10

圖 3-5------------------------------------------------ 11

圖 3-6------------------------------------------------- 12

圖 3-7------------------------------------------------- 13

圖 3-8------------------------------------------------- 14

圖 3-9------------------------------------------------- 14

圖 3-10------------------------------------------------ 15

圖 3-11------------------------------------------------ 16

vi

圖 3-12------------------------------------------------- 18

圖 3-13------------------------------------------------- 18

圖 3-14------------------------------------------------ 19

圖 3-15------------------------------------------------ 20

圖 3-16------------------------------------------------ 21

第四章圖

圖 4-1-------------------------------------------------- 22

圖 4-2-------------------------------------------------- 22

圖 4-3------------------------------------------------- 23

圖 4-4------------------------------------------------- 23

圖 4-5------------------------------------------------- 24

圖 4-6------------------------------------------------- 24

第五章圖

圖 5-1------------------------------------------------- 26

圖 5-2------------------------------------------------- 27

圖 5-3------------------------------------------------- 27

圖 5-4------------------------------------------------- 28

圖 5-5------------------------------------------------- 29

圖 5-6------------------------------------------------- 29

vii

圖 5-7------------------------------------------------- 30

圖 5-8------------------------------------------------- 31

第六章圖

圖 6-1------------------------------------------------- 32

圖 6-2------------------------------------------------- 32

圖 6-3------------------------------------------------- 33

圖 6-4-------------------------------------------------- 33

圖 6-5-------------------------------------------------- 34

圖 6-6-------------------------------------------------- 34

第七章圖

圖 7-1-------------------------------------------------- 37

圖 7-2-------------------------------------------------- 37

圖 7-3------------------------------------------------- 38

圖 7-4------------------------------------------------- 38

圖 7-5------------------------------------------------- 39

圖 7-6------------------------------------------------- 39

viii

第一章 序論

動機

我們想利用電子結合現代藝術,帶給人們新的視覺體驗,搭配我們電路架構,

能按照自己喜愛,設計自己專屬 LED CUBE,

市面上的 LED CUB 程式電路設計複雜,維修費時線路多,不適合在一般家庭

展示,而我們簡化了複雜的設計,也能呈現出視覺的震撼力

555脈衝計時震盪 IC,能夠輕易控制 LED燈,且我們為了使 LED CUBE更藝術

性,整合了視覺差距及現代美學,不僅展現專屬個性 LED CUBE,更讓消費者

在家也能欣賞燈光藝術,為生活增添一點色彩

01

LED CUBE 是用 LED組成的方塊 圖 1-1

1-2系統架構

主控制板主要是以 555脈衝計時震盪 IC跟 4017CMOS十進位計數 IC與其它

元件來做控制,之後用排針外接硬體板做結合,供電給主控制板,藉由主控

板的 555IC傳出頻率訊號至 4017CMOS計數 IC做輸出至硬體板,而硬體板上

LED串接方塊模組會依我們電路設計做出頻率響應開始閃爍

圖 1-2

主控板

硬體板

LED CUBE

4x4x4

排針

555 IC

4017 IC

2

1-3 動作原理

圖 1-3

電源輸入

可變電阻頻

率速度調整

主控電路

555 IC

HIGHT LOW

4017 計數 IC

硬體板

LED CUBE 閃爍

REST

重複閃爍

3

第二章工作原理

2-1 LED閃爍原理

LED透過串接方式把正腳拉出作共同端型成正方形,並以極性相同焊接架高

成正方體,輸入電壓 5V電流 10~15mmA電源至控制板,透過 555脈衝計時震

盪 IC產生 HIGHT與 LOW震盪頻率傳送至 4017CMOS計數 IC,再以 4017拉出

四條接線作為每層的輸出 REST,當 LED CUBE接收震盪頻率訊號時,會依電

路設計產生頻率響應開始閃爍,完整頻率響應一週後 4017IC REST達到計

數重複閃爍,當輸出是高頻 LED會亮,當輸出訊號轉換成低頻時 LED就會熄

4

圖 2-1

共同 GND 輸入訊號

下圖是我們 4x4x4 LED 燈每層的接法:正端串接拉出接輸出

訊號,負端共同接地：

5

2-2 控制 LED閃爍速度

主控板上色碼電阻 R1跟可變電阻 R2的阻值跟 C1電容,主要控制頻率響應

速度,R1=500K,R2=500,C1=10uF充電週期 T1=3.46秒 T2=0.003465秒所以

一個週期是 3.463秒

T1=0.6939(R1+R2)C1

T2=0.6939R2C1

震盪週期 T1+T2

由上面公式推出當 R1,R2阻值越大,LED燈頻率響應速度越慢

R1,R2阻值越小,LED燈頻率響應速度

6

第三章 相關硬體材料介紹與說明

3-1主控板

3-1-1 555脈衝計時震盪 IC

555計時器是一種集成電路晶片，常被用於計時器、脈衝發生器和震盪電

路。555可被作為電路中的延時器件、觸發器或起振元件。

標準的 555晶片集成有 25個電晶體，2個二極體和 15個電阻並通過 8個

引腳引出(DIP-8封裝) NE555的工作溫度範圍為 0-70°C

555 震盪器實體 圖 3-1

7

圖 3-2 555接腳

555晶片各引腳功能如下表所示：圖 3-3

8

3-1-2 555 計時器工作模式：

• 單穩態 模式：在此模式下，555功能為單次觸發。應用範圍包括計時

器，脈衝丟失檢測，反彈跳開關，輕觸開關，分頻器，電容測量，脈

衝寬度調製（PWM）等。

• 無穩態 模式：在此模式下，555以振蕩器的方式工作。這一工作模式

下的 555晶片常被用於頻閃燈、脈衝發生器、邏輯電路時鐘、音調發

生器、脈衝位置調製（PPM）等電路中。如果使用 熱敏電阻 作為定時

電阻，555可構成溫度傳感器，其輸出信號的頻率由溫度決定。

• 雙穩態 模式（或稱 施密特觸發器 模式）：在 DIS引腳空置且不外接

電容的情況下，555的工作方式類似於一個 RS觸發器，可用於構成

鎖存開關

9

3-1-3 555 計時器 555 內部構造圖

圖 3-4內部放大器放大訊號震盪,反向器主要是 HIGHT LOW切換

10

3-1-4 4017 CMOS 計數 IC

十進制計數分配器 CD4017是 5位 Johnson計數器，具有 10 個譯碼輸出端，

CLK、ENA、RST輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發器具有脈衝整形功能，

對輸入時鐘脈衝上升和下降時間無限制。 RST 為低電平時，計數器在時鐘

上升沿計數；反之，計數功能無效。 RST 為高電平時，計數器清零。

CMOS集成電路 CD4017採用標準的雙列直插式 16腳塑封，它的引腳排列如

圖 l 所示。 CC4017 是國標型號，它與國外同類產品 CD4017在邏輯功能、

引出端和電參數等方面完全相同，可以直接互換。

4017計數 IC實體 圖 3-5

11

4017晶片各引腳功能如下表所示：

① 腳(Q5)，第 5輸出端。

② 腳(Q1)，第 1輸出端。

③ 腳(Q0)，第 0輸出端，電路清零時，該端為高電平；

④ 腳(Q2)，第 2輸出端。

⑤ 腳(Q6)．第 6輸出端。

⑥ 腳(Q7)，第 7輸出端。

⑦ 腳(Q3)，第 3輸出端。

⑧ 腳(GND)．電源負端。

⑨ 腳(Q8)，第 8輸出端。

⑩ 腳(Q4)．第 4輸出端。

11 腳(Q9)．第 9輸出端。

12 腳(Qco)，級聯進位輸出端，每輸入 10 個時鐘脈衝，就可得一個進位輸出

脈衝，因此進位輸出信號可作為下一級計數器的時鐘信號。

13 腳(EN)，時鐘輸入端，脈衝下降沿有效。

14 腳(CP)，時鐘輸入端．脈衝上升沿有效。

15 腳(R)，清零輸入端，在“R”端加高電平或正脈衝時，CD40171C 計數器

中各計數單元輸出低電平“0”，在譯碼器中只有對應“0”狀態的輸出端 Y0

為高電平。

16 腳(VDD)，電源正端． 3～18V 直流電壓。

4017 接腳 圖 3-6

12

它是由十進制計數器電路和時序譯碼電路兩部分組成。其中的 D 觸發

器 Fl～F5 構成了十進制約翰遜計數器，門電路 5～14 構成了時序譯碼電

路。約翰遜計數器的結構比較簡單．它實質上是一種串行移位寄存器。除

了第 3 個觸發器是通過門電路 15、16 構成的組合邏輯電路作用於 F3 的

D3 端以外，其餘各級均是將前一級觸發器的輸出端連接到後一級觸發器的

輸入端 D 的，計數器最後—級的 Q5 端連接到第一級的 D1 端。這種計數

器具有編碼可靠，工作速度快、譯碼簡單，只需由二輸入瑞的與門即可譯

碼，且譯碼輸出無過渡脈衝干擾等特點。通常只有譯碼選中的那個輸出端

為高電平，其餘輸出端均為低電平。

4017內部邏輯圖

圖 3-7

13

3-1-5色碼電阻

電阻色碼，是一種以色彩碼標示出電阻器的電阻值與誤差範圍的方式，電

容及電感也可用相同方式標示其容值（或感值）及誤差範圍。

色碼標示的電阻值其單位為歐姆、電容值為 pF、電感值為 µH 。

圖 3-8 圖 3-9

色碼 A 為其數值的第一位數。

色碼 B 為其數值的第二位數。

色碼 C 為其倍率，若數字為 c，其倍率為 c。

色碼 D 若存在，則其表示數值的誤差範圍，若沒有色碼 D，其誤差範圍為

20%。

14

色碼電組顏色對照表 圖 3-10

15

3-1-6 可調電阻

電位器，中文通常稱可變電阻器，是一種具有三個端子，其中有兩個固定

接點與一個滑動接點，可經由滑動而改變滑動端與兩個固定端間電阻值的

電子零件，屬於被動元件，使用時可形成不同的分壓比率，改變滑動點的

電位，因而得名。

至於只有兩個端子的可變電阻器並不稱為電位器，只能稱為可變電阻。

另外作為微調用的電位器或可變電阻，通常位於設備內部、印刷電路板上，

用於不需經常調整的地方，這種小型電位器或可變電阻，中文一般稱為半

可變電阻

典型的可調電阻 圖 3-11

用途:

電位器最常見的用途是各式音響聲源設備裡的音量控制或電子設備裡的各

式準位與功率等的控制，也可以做為位置或角度的傳感器，或者是作為鎢

絲燈泡調光器或電熱絲功率調節器的控制元件等。 但某些用途，如前述例

子中的後者，通常將電位器接成兩端子可變電阻形式來使用

16

可調電組分類

電阻材質分類

碳膜式（Carbon Film）：使用碳膜作為電阻膜。

瓷金膜（Metal Film）：使用以陶瓷與金屬材質混合製成的特殊瓷金膜作為

電阻膜。

線繞式（Wirewound）：使用金屬線繞製作為電阻。比起碳膜或瓷金膜而言，

可承受較大功率。

構造分類

旋轉式：常見的形式。通常的旋轉角度約 270～300 度。

單圈式：常見的形式。

多圈式：用於須精密調整的場合。

直線滑動式：通常用於混音器，便於立即看出音量的位置與做淡入淡出控

制。

17

3-1-7陶瓷電容

結構:

陶瓷電容是有二個端子的非極性元件,是以陶瓷為介電質的電容器。其結構

是由二層或更多層交替出現的陶瓷層和金屬層所組成，金屬層連結到電容

器的電極。陶瓷材料的成份決定了電容器的電氣特性及其應用範圍

編碼判別:

陶瓷電容上會印有三位數的編碼標示其電容值，前二個數字標示容值最高

的二位數，最後一數字則標示 10的次方，其單位為皮法拉 （pF）。

圖 3-13

數字後會有一個字母標示其電

容允差範圍 圖 3-12

18

3-1-8電解電容

電解電容是電容的一種，金屬箔為正極（鋁或鉭），與正極緊貼金屬的氧化

膜（氧化鋁或五氧化二鉭）是電介質，陰極由導電材料、電解質（電解質

可以是液體或固體）和其他材料共同組成，因電解質是陰極的主要部分，

電解電容因此而得名。 同時電解電容正負不可接錯。

特點: 特點一：單位體積的電容量非常大，比其它種類的電容大幾十到

數百倍

特點二：額定的容量可以做到非常大，可以輕易做到幾萬μf甚至幾 f（但

不能和雙電層電容比）。

特點三：價格比其它種類具有壓倒性優勢，因為電解電容的組成材料都是

普通的工業材料，比如鋁等等。 製造電解電容的設備也都是普通的工業設

備，可以大規模生產，成本相對比較低。

各種電解電容 圖 3-14

19

3-2 硬體板

3-2-1 藍光 LED燈

發光二極體（英語：Light-Emitting Diode，縮寫：LED）是一種能發光的

半導體電子元件,也是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能 。 發

光二極管與普通二極管一樣是由一個 PN結組成，也具有單嚮導電性 。 當

給發光二極管加上正向電壓後，從 P區注入到 N區的空穴和由 N區注入到

P區的電子，在 PN結附近數微米內分別與 N區的電子和 P區的空穴複合，

產生自發輻射的熒光。 不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不

同。 當電子和空穴複合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則

發出的光的波長越短。 常用的是發紅光、綠光或黃光的二極管。

各色 LED燈 圖 3-15

20

3-2-2LED發光原理

發光二極管的核心部分是由 P型半導體和 N型半導體組成的晶片 ，在 P型

半導體和 N型半導體之間有一個過渡層，稱為 PN結。 在某些半導體餘的

能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。 PN結加反向電

壓 ，少數載流子難以注入，故不發光。 這種利用注入式電致發光原理製

作的二極管叫發光二極管，通稱 LED。 當它處於正向工作狀態時（即兩端

加上正向電壓），電流從 LED 陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外

到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。

各種顏色波長對照表 圖 3-16

21

第四章 測試階段數據

4-1-1 555 震盪 IC HIGHT LOW 波型

圖 4-1

圖 4-2

22

4-1-2 4017CMOS計數 IC頻率調整波型

圖 4-3

圖 4-4

23

圖 4-5

圖 4-6

4x4一層測試圖,當底下LED一排 ran完,會跳到第二排,以此順序亮完部 ,之後又從頭開始不斷不停閃爍,當然我們以後會加入更多創意性的亮

法

24

第五章 實驗過程

5-1製作流程

相互討論蒐集相關資料

確認研究動機

繪製電路圖

麵包板測試架構

主控板電路焊接製作

整體組裝測試 debug

硬體組裝焊接

25

5-2硬體電路

5-2-1控制板電路

圖 5-1

555控制

74HC4017輸出

R1頻率響應速度調整

5V

555

0.1uF 10uF

3

2

4

7

10

13

14

15

74HC4017

3

4 8

7

2

6

輸出接硬體板

R2=500 歐

R1=50k

26

控制板正面 圖 5-2

控制板背面電路 圖 5-3

27

5-2-2硬體板電路

500 歐姆 x4

硬體圖: LED 每層正腳共同拉出接 220 歐

姆電阻再接 4017 輸出,負腳共同

接地

圖 5-4

28

硬體板正面 圖 5-5

硬體板背面圖 圖 5-6

29

5-2-3硬體組裝

架構示意圖 圖 5-7

30

硬體組裝完成圖

圖 5-8

31

第六章 成品測試

6-1-1成果測試

圖 6-1

圖 6-2 麵包板測試再與成品對照

32

6-1-2測試送電前檢查電路硬體

圖 6-3

圖 6-4

33

6-1-3送電成品測試

圖 6-5

圖 6-6

34

第七章 討論與結論

---------------------------------------------

7-1討論

在 LED CUBE專題製作過程,我們遇到許多小困難,控制板部分,我們第一次

使用 4017計數 IC,對於腳位功能及內部構造不是很清楚,所以在電路輸出,

在上網蒐集資料及老師提供專業知識協助後,我們進行多次小規模測試,記

錄數據測量結果,在進行調整來確認輸出訊號正常穩定,硬體方面我們 LED

在於架高方面 LED燈上下層很容易正負極性觸碰短路,所以我們在全部負

極端拉出一個小折角,以便連接架高減少短路的可能性,還有我們嘗試以

74HC595暫存 IC

搭配 8051控制晶片,撰寫簡單對應 PIN腳程式來做 LED CUBE ,我們把電路

圖繪製好及查清楚 IC全部腳位功能,但在與所撰寫的程式配合的部分,因

為專題展的時間,而沒辦法如預期完成,,經過種種問題以後,我們深刻了解

我們專題還有改善與進步空間

35

7-2結論

當我們在討論題目時,想要一個具有創意性,但又不失挑戰性,就想高中時

期就已經知道 Led Cube了，那個時候就開始想要做 Led Cube當我高中的

專題,只是那時候我還不了解 IC種類運用,及 IC電路我一點觀念都沒有，

現在已經大四了,接觸許多線路及元件,對於線路基本概念也有一定的認知

了，所以我想再次挑戰 Led Cube當我大學的專題。

線路構思出來後,因為我們第一次使用 4017它的腳位及功能,這部分我們

花了許多時間,嘗試不同的接法,雖然中間遇到許多困難,包刮腳位不對導

致 555震盪 IC無法配合,或是 LED燈如何與控制板做連接,或電阻阻值太大,

導致電流不足後面 LED燈黯淡無光

在硬體方面 LED用了許多,在每層架高焊接方面更是困難,因為 LED層與層

之間隙縫狹小,烙鐵很難伸進去焊接,在加上 LED燈正負極性相當的靠近,

很容易一個短路,導致整個硬體燒毀,很吃焊接技術,幸好之前我們去實習

練了兩個禮拜拆焊技術,硬體才能如願完成

一個專題雖然會遇到很多困難,最重要的是在於團隊合作,一起努力付出不

放棄,才是最重要,當然還要謝謝老師們的幫忙

36

7-3製作過程圖

7-3-1 麵包板測試

圖 7-1

圖 7-2

37

7-3-2控制板電路製作

圖 7-3

圖 7-4

38

7-3-3硬體板電路製作

圖 7-5

圖 7-6

39

附錄一 參考文獻

http://www.chinadmd.com/file/ozciis6rsuaxpzs3w3eitxxx_1.html

4017腳位功能

http://www.learnerswings.com/2014/10/climbing-pattern-in-333-led

-cube-using.html硬體接法 電路設計參考

http://ant2sky.blogspot.tw/2013/10/led-4x4x4-cube-led.html

相關基本電路介紹

http://eeproject.ncut.edu.tw/upload/Achievements/102_70.pdf

勤益科大歷屆相關專題

http://www.eeweb.com/project/sudheer_gupta/3x3x3-led-cube-circui

t-using-555-timer 不同版本線路參考

40

附錄二 作者介紹

組 長:柳俊甫

學號:BD101026

就讀學校:修平科技大學

系別:電機系

證照:工業電子丙級,CPR急救證照 ,兩個月實習經驗

組 員:黃子源

學號:BD101004

就讀學校:修平科技大學

系別:電機系

證照:工業電子丙級,儀表電子乙級, 兩個月實習經驗

41

附錄三:

工作分配:

柳俊甫:

資料彙整

電路設計

硬體焊接

黃子原:

前置作業

硬體設計

控制板焊接

42