畢業(yè)設計-手動式公共汽車報站顯示電路的設計

摘要本文設計了手動式公共汽車報站顯示電路。它的主體電路由周期秒脈沖電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、十進制分頻電路和譯碼驅(qū)動電路組成。通過對秒脈沖產(chǎn)生電路的分析，采用施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧震蕩器產(chǎn)生秒脈沖。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路使用了兩片74LS00芯片、一個電阻和一個電容。譯碼驅(qū)動顯示電路使用了CD4510、CD4511和本電路具有公共汽車到站顯示功能。通過對所設計的手動式公共汽車報站顯示電路進行實驗測試，最終實現(xiàn)整體電路的所有功能。該電路具有成本低、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。關(guān)鍵字數(shù)字集成電路手動式公共汽車報站顯示周期秒脈沖電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路十進制分頻電路譯碼驅(qū)動顯示電路手動式公共汽車報站顯示電路1 3第一章系統(tǒng)概述 4 4 41.3總體設計方案 4 4 5 5 62.1秒脈沖電路的設計 6 6 6 72.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的設計 8 92.3十進制計數(shù)電路的設計 9 9 2.4譯碼與顯示驅(qū)動電路的設計 第三章電路的安裝及調(diào)試 3.1設計方案驗證 手動式公共汽車報站顯示電路2 附錄1總的原理圖 附錄2實物圖 附錄3元器件清單 3當今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應用的社會。數(shù)字集成電路本身在不斷地進行更新?lián)Q代。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路、發(fā)展到超大規(guī)模集成電路(VLSIC,幾萬門以上)以及許多具有特定功能的專用集成電路。本次設計基本上采用的都是“數(shù)字集成電在現(xiàn)代社會中，汽車已成為不可缺少的交通工具，不單單是一種代步工具，更是一種社會生活水平的象征。但是，汽車在帶給我們快速、便捷的同時，也帶來了大量的帶來了大量的環(huán)境污染。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，大城市交通干道的NO2和CO嚴重超過國家標準，汽車污染已成為主要的空氣污染物，一些城市臭氧濃度嚴重超標，已具有發(fā)生光化學煙霧污染的潛在危險，所以選擇公共汽車出行的重要性就體現(xiàn)出來了。通過本次設計，目的是理解以往所學的知識，掌握數(shù)字集成電路系統(tǒng)設計和調(diào)試的方法，增加集成電路應用知識，培養(yǎng)自己的實際動手能力以及分析解決問題的能力。手動式公共汽車報站顯示電路為乘客正確上下車占據(jù)重要地位，因為它們發(fā)出的信號顯示汽車到站情況，對乘客正確到站上下車提供幫助。手動式公共汽車報站顯示電路4第一章系統(tǒng)概述主要的交通工具之一，同時也是時尚和潮流的最好的體現(xiàn)。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，大城市交通干道的已具有發(fā)生光化學煙霧污染的潛在危險，所以選擇公共汽車出行的重要性就體現(xiàn)出來了。再者公交車上大多人源比較多，可能看不到窗外，因而乘客錯下公交車的可能性就大大增加了。因此為公共汽車為廣大乘客出行提供了很大的方便，它在現(xiàn)代高科技生活中扮演著重要的角色。本發(fā)光二極管來模擬公交路線的站數(shù)，數(shù)碼管模擬語音信號。實現(xiàn)了較簡單的邏輯功能。重點是通過本次設計過程，了解和掌握邏輯電路的設計、分析。1.2設計指標本設計是手動式公共汽車報站顯示電路，公交線路有10個站(用發(fā)光二極管模擬),用七段數(shù)碼管模擬語音信號。當公交車到達第一站時，第一個發(fā)光二極管亮；當有乘客需要在這站上下車時，公交司機按下按鍵開關(guān)，數(shù)碼管顯示0,以此類推。CMOS電子技術(shù)是當前發(fā)展最快的學科之一。由于半導體技術(shù)的迅速發(fā)展，微型計算機的廣泛應用，所以CMOS電子技術(shù)在現(xiàn)代科學技術(shù)領域中占很重要的地位，應用也更加廣泛。如自動控制、計算機應用等。CMOS電路的設計過程和方法也在不斷的發(fā)展和完善。此次設計的手公共汽車報站顯示電路很大程度上是依據(jù)所學的數(shù)字電子技術(shù)的專業(yè)知識，其原理簡單易懂。根據(jù)以定的設計指標，用發(fā)光二極管來模擬公交路線的站數(shù)，用七段數(shù)碼管模擬語音信號。當公交車到達第一站時，第一個發(fā)光二極管亮；當有乘客需要在這站上下車時，公交司機按下按鍵開關(guān)，數(shù)碼管顯示0,以此類推。51.3.2總體電路結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)以上設計分析與功能描述，可得出公共汽車報站顯示電路的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1-1所示。整個電路可由秒脈沖產(chǎn)生電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、十進制分頻電路與顯示驅(qū)動電路四個部分組成。秒脈沖產(chǎn)生電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路十進制計數(shù)電路譯碼顯示驅(qū)動電路1.3.3方案的論證與比較本設計采用模塊化的設計方式，從結(jié)構(gòu)框圖看電路有五個單元電路組成，每個單元實際上都是獨立的電路，有幾個單元電路有很多種設計方案，面對這些方案，要通過各方面比較選出最合適的方案。方案一：由門電路構(gòu)成的多諧振蕩器。當電源電壓波動時，會使振蕩頻率不穩(wěn)定，容易受溫度、電源電壓及外界干擾的影響，因此頻率穩(wěn)定性較差。方案二：石英晶體多諧振蕩器雖然可以得到頻率穩(wěn)定性極高的脈沖波形，但本次設計對脈沖信號的要求是1H?左右即可，學校實驗室現(xiàn)有的石英晶體基本為6MHz和12MHz,想要得到1Hz的頻率還需通過大量的分頻電路，會使電路顯的十分復雜。方案三：由集成施密特觸發(fā)器組成多諧振蕩器。通過電容值和可調(diào)的電阻值來確定輸出矩形波的頻率值(通常為10Hz),并且集成施密特觸發(fā)器具有較好的性能，其正向閾值電壓U7-和負向閾值電壓U?-也很穩(wěn)定，有很強的抗干擾能力，使用方便，電路簡單可調(diào)。根據(jù)學校條件等各方面因素的分析，最終本設計采用方案三。2.三進制計數(shù)器的選擇方案一：由J-K觸發(fā)器構(gòu)成的三進制計數(shù)器。采用一片雙JK觸發(fā)器74LS76即可，此電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。方案二：由D觸發(fā)器構(gòu)成的三進制計數(shù)器。采用一片雙D觸發(fā)器74LS74以及74LS00、74LS04共同來實現(xiàn)，電路需要三個芯片(至少兩片)。通過對方案一和方案二的比較，選擇方案一進行計數(shù)器的設計。6第二章單元電路的設計它的特點是不需要外加輸入信號，而使電路能夠周而復始地振蕩。因此，秒脈沖電路的設計大多采用多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)時間的長短取決于定時元2.1.1芯片介紹2.1.2秒脈沖電路的工作原理及功能由施密特觸發(fā)器組成多諧振蕩器時，僅需要外接一個電阻和一個電容。本電路主要用于對精度要求不高的低頻振蕩源，下頁圖2-2所示，就是CD4093構(gòu)成的自激多諧振蕩器的電路組成原理圖(a)、工作波形圖(b)和實際電路組成圖。7從圖2-2(b)中看出，接通電源后，因電容C兩端初始電壓為零，所以輸出u?為高電平，此時電流經(jīng)電阻R向電容C充電，使u上升，當u上升到正向閾值電壓VT+時，電路迅速翻轉(zhuǎn)，輸出u?為低電平，這樣電容C經(jīng)電阻R再向輸出端放電，當u下降到負向閾值電壓VT.時，電路再次翻轉(zhuǎn)7。這樣，電容C如此周而復始地充電和放電，電路便產(chǎn)生了振蕩，輸出矩形波。其振蕩頻率可通過改變R和C的大小來調(diào)節(jié)。由于采用的是CMOS施密特觸發(fā)器，而且UoH=Vpp,UoL=0,則根據(jù)圖2-2(b)的電壓波形得到計算振蕩周期的公式為：一般情況下，當Vpp=5V時，取VT+=3.3V,VT=1.8V。2.1.3參數(shù)計算及器件的選擇秒脈沖產(chǎn)生電路如圖2-3所示，由CD4093施密特觸發(fā)器和RC定時電路構(gòu)成。這里R采用10KQ的可變電阻，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)R的大小，從而改變彩燈移動的時間間隔。根據(jù)式(2.1),已知VDp=5V,VT+=3.3V,VT=1.8V。若取R=2.2KΩ,C=220μF,則這個結(jié)果與實際設計要求存在一些偏差，但本次設計對秒脈沖電路的精確度并不是很高要求，對于發(fā)光二極管的閃爍足以用肉眼觀察到，因此此誤差不影響設計本身。8由以上估算可知，秒脈沖產(chǎn)生電路的脈沖寬度為0.5S。2.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的設計單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路是常用的脈沖整形電路。它有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。在外加觸發(fā)脈沖的作用下，經(jīng)一段時間后，又自動返回到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。74LS00是一個四-2輸入與非門電路，即在一塊集成電路含有四個獨立的與非門。每個與非門其真值表如表2-1所示。表2-174LS00的真值表ABY0010111011102.2.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的工作原理及功能(教師批閱：此處講述與圖2.4,與實際設計電路不符，改正之)91&3&3R2.3十進制計數(shù)器電路的設計根據(jù)總體電路的設計，需要一個十進制計數(shù)器的狀態(tài)來控制譯碼器，此電路由一片CD4017和10個發(fā)光二極管構(gòu)成。10個發(fā)光二極管用來模擬公交路線的站站數(shù)。1.CD4017為十進制計數(shù)電路，其管腳功能見圖2-5所示。圖2-6CD4017的引腳圖芯片的真值表見表2-2所示。表2-2十進制計數(shù)電路CD4017管腳功能表時鐘時鐘允許復位輸出狀態(tài)L×L不變×HL不變××H計數(shù)器復位(Q0=H,Q1-Q9=L)個LL進到下一級↓×L不變×個L不變×↓L進到下一級CD4017它是一片十進制計數(shù)/分頻器，該器件具有關(guān)10個譯碼輸出端，每個譯碼輸出端通常處于低電平，具在時鐘脈沖由低到高的轉(zhuǎn)換過程中依次進入高電平，每個輸出在高電平維持10個時鐘周期中的1個時鐘周期，輸出10進入低電平后進位輸出由低電平轉(zhuǎn)到高，并能與時鐘允許端連成N級。當CP輸入低電平時，用來模擬公交總站數(shù)的發(fā)光二極管以每隔1S的時間循環(huán)亮；當CP輸入由低電平轉(zhuǎn)換到高電平時，發(fā)光二極管停止不往下循環(huán)，表示這一站有乘客上下車；當CP由高電平轉(zhuǎn)換到低電平時，發(fā)光二極管又以每隔1S的時間循環(huán)亮。其電路如圖2-7所示。bi271569b6Q5Q6p入b2b9b343圖2-6十進制計數(shù)器計數(shù)顯示原理示意圖譯碼與顯示驅(qū)動是由CD4510、CD4511和七段共陰數(shù)碼管組成的電路，下面分別加以敘述。CP時鐘上升沿計數(shù)器加1計數(shù)；反之，在CP時鐘上升沿減1計數(shù)。除了四個Q輸出外，還有其中，芯片1腳為PE,2腳而Q4,3腳為P4,4腳為P1,5腳為CIN,6腳為Q1,7腳為，8芯片的真值表見表2-3所示。表2-3集成電路CD4510邏輯功能表R工作狀態(tài)1×00停止計數(shù)0100加法計數(shù)0000減法計數(shù)××10預置數(shù)XX×1復位內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路。圖2-9萬用表的hFE檔檢測led數(shù)碼管一般可利用數(shù)字萬用表的hFE檔，檢查LED數(shù)碼管的發(fā)光情況。若使用NPN插孔，這是C孔線，導線引出端接(一)級(第③腳與第⑧腳在內(nèi)部連通，可任選一個作為(一);再從C孔引出一根導線依次接觸各筆段電極，可分別顯示所對應的筆段。若按5-45所示電路，將第④、⑤、①、手動式公共汽車報站顯示電路若某筆段發(fā)光黯淡，說明器件已經(jīng)老化，發(fā)光效率變低。如果顯示的筆段殘缺不全，說明數(shù)碼管已經(jīng)局部損壞。注意，檢查共陽極LED數(shù)碼管時應改變電源電壓的極性。如果被測LED數(shù)碼管的型號不明，又無引腳排列圖，則可用數(shù)字萬用表的hFE檔進行測試：1.判定數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)類型(共陰或共陽)。2.識別引腳列。3.檢查全筆段發(fā)光情況。具體操作時，可預先把NPN插孔的C孔引出一根導線，并將導線接在假定的公共電極(任設一引腳),再從E孔引出一根導線，用此導線依次去觸碰被測管的其他引腳。根據(jù)筆段發(fā)光或不發(fā)光的情況進行判別驗證。測試時，若筆段引腳或公共引腳判斷正確，則相應的筆段就能發(fā)光。當筆段電極接反或公共電極判斷錯誤時，該筆段就不能發(fā)光。數(shù)字萬用表hFE檔所提供的正向工作電流約20mA,做上述檢查絕對不會損壞被測器件。需注意的是，用hFE檔或二極管檔不適用于檢查大型LED數(shù)碼管。由于大型LED數(shù)碼管是將多只發(fā)光二極管的單個字形筆段按串、并聯(lián)方式構(gòu)成的，因此需要的驅(qū)動電壓高(17V左右),驅(qū)動電流大(50mA左右)。檢測這種管子時，可采用20V直流穩(wěn)壓電源，配上滑線電阻器作為限流另外要注意的是，LED數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有1~2mA,最大極限電流也只有10～30mA,所以它的輸入端在5V電源或高于TTL高電平(3.5V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。譯碼與顯示驅(qū)動電路的功能是：在十進制計數(shù)輸出的作用下，提供10個發(fā)光二極管控制信號，數(shù)碼管用來顯示對應的發(fā)光二極管。其電路圖如圖2-10所示。手動式公共汽車報站顯示電路A+614361437126543B292997圖2-10譯碼與顯示驅(qū)動電路示意圖圖通過以上單元電路的設計，確定公共汽車報站顯示電路的總工作原理圖。通過以下三點來闡述其具體工作原理：首先，通過CD4093構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號，該脈沖信號用于提十進制計數(shù)器輸入信號。其次，CD4017構(gòu)成的十進制計數(shù)器用于產(chǎn)生發(fā)光二極管的循環(huán)信號，此信號提供公共汽車到站的原始信號。最后，由CD4510、CD4511和數(shù)碼管構(gòu)成的譯碼驅(qū)動電路，將得到的信號公共汽車到站的站點即輸出到數(shù)碼管上，實現(xiàn)所需功能。手動式公共汽車報站顯示電路第三章電路的安裝及調(diào)試到這里為止，手動式公共汽車報站顯示電路的設計基本完成，但此只鑒于所學理論基礎上完成，將設計的電路圖變成印刷板，再將電路的元件焊接在印刷板上，形成一個完整的電子產(chǎn)品，這一過程非常重要。實際過程中還有很多問題待解決。如設計方案的驗證、調(diào)試過程中遇到的難題等，都需要進一步研究。目前最常用的驗證方法是仿真軟件驗證和實驗臺驗證，在設計前期投入了大量的時間查找資料做準備，這一驗證環(huán)節(jié)也相關(guān)重要。為了更好的做到學以致用，更為便于后期制作，決定先在仿真軟件驗證，電子仿真軟件子及自控原理等各方面的虛擬仿真；并提供多達18種基本分析方法7。圖3-1是本次設計方案電路，在Multisim7.0環(huán)境下仿真示意圖，最終仿真顯示本設計方案可行。W-W-WW-WW圖3-1Multisim7.0軟件下的設計電路仿真原理圖通過了仿真軟件驗證，說明理論上的設計方案是成功的，但是實驗器件不同于理想元件，它會因為所處環(huán)境不同，會受到這樣那樣的干擾，更不排除元器件自身的制造工藝有缺陷。使實際設計無法達到預期效果。所以實驗臺驗證必不可少。本設計用到的芯片較多，考慮到時間及學校實驗室的開放情況等諸多因數(shù)，又基于仿真軟件的驗證成功，對自己設計的電路有較大的信心，決定直接制板調(diào)試。3.2電路板的制作有了以上的驗證，汽車到站控制電路的設計算基本完成，接下要完成的是汽車到站控制電路的硬件制作。對于電子產(chǎn)品來說，電路板的設計是從電路原理圖變成一個具體產(chǎn)品的必經(jīng)之路，電路板設計的合理性與產(chǎn)品的生產(chǎn)及產(chǎn)品的質(zhì)量密切相關(guān)。目前，我們所學過的是Protel99SE電子線路公司近10年來致力于Windows平臺開發(fā)的最新結(jié)晶，能實現(xiàn)從電學概念設計到輸出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及這之間的所有分析、驗證和設計數(shù)據(jù)管理。Protel99SE共分5個模塊，分別是原理圖設計、PCB設計(包含信號完整性分析)、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設計。Protel99SE現(xiàn)有強大的功能，其完善的設計確立了在電路板設計領域出類拔萃的地位8。所以以下介紹的是通過Protel99SE軟件制作電路板的過程19。1.原理圖在Protel99SE軟件中畫出.SCH原理圖，見圖3-2所示。日2.Protel99SE軟件中，切換在Document窗口下，然后單擊右鍵，打開New,雙擊“PCBDocument”即建立了“PCB.PCB”文件。3.“PCB.PCB”圖標，即進入其設計窗口，找出各元件的封裝代號，在.SCH中對其所有元件進行封裝，確定無誤后導成PCB板。4.學校條件有限，畢業(yè)設計按要求只能作成單面印刷板，所以布局及走線的設計很重要，最后的印刷板如圖3-3所示。有幾根線實在布不過去，采用跳線方式。險師古指古青者險師古指古青者5.將PCB圖打印到熱轉(zhuǎn)印紙上，將打印好PCB的轉(zhuǎn)印紙平鋪在覆銅板上，通過轉(zhuǎn)印機就把圖印在覆銅板。6.銅板用三氯化鐵溶液腐蝕，溶液的配比為：三氯化鐵占35%,水占65%左右。溶液的溫度以30-50℃較好，溫度太底，腐蝕速度慢，在腐蝕過程中最好用線吊住銅版邊緣來回晃動，以加快腐蝕速度，整個腐蝕過程應在瓷盤，塑料盤中進行。7.當覆銅板上沒有保護部分的銅箔都以腐蝕掉時，應立即取出覆銅板，馬上用清水沖洗，沖洗干凈擦干水跡，用清潔球擦去保護漆。8.腐蝕好的印刷板要及時鉆孔，印刷電路板孔徑，對一般元器件選直徑1鉆頭，集成電路孔徑選直徑0.8鉆頭，因鉆頭細小，鉆孔時不得用力過猛，否則會弄斷鉆頭。9.再次處理，為了美觀起見，要盡量將多余的板去掉，四個角磨成原弧狀。10.涂刷保護膜，其目的是保護印刷電路板的覆銅面不再被氧化和提高可焊性。保護膜選用松香液，松香液的配方是松香粉25%,純酒精75%,松香液蒸發(fā)很快，在涂刷過程中要快速刷好，不要來回刷，干燥后方可使用。11.根據(jù)原理圖將相應的元件安裝在印刷板上，并進行焊接。焊接過程要注意虛焊和假焊問題。在手動式公共汽車報站顯示電路的調(diào)試過程中，故障的存在是正常的，關(guān)鍵在于我們是如何手動式公共汽車報站顯示電路進行故障的排除。因為之前的電路是經(jīng)過驗證的，所以本次調(diào)試過程中沒有出現(xiàn)很大的電路原理問題，調(diào)試過程也較順利，只出現(xiàn)下面兩個小問題。1.接上電源后，撥動開關(guān)，發(fā)光二極管沒反應這個故障的產(chǎn)生，原因有很多，但是最大的可能是脈沖電路有問題，在實驗室用示波器對脈沖電路進行檢測(即CD4093的3引腳),沒有預想中的方波出現(xiàn)，證明脈沖產(chǎn)生電路存在問題。確定故障所在之后就要解決，對脈沖電路的原理是通過仿真軟件驗證的，應該是不會出錯的，參數(shù)的理論計算也是成功的，檢查原理圖，發(fā)現(xiàn)10個發(fā)光二極管沒有接地線，用導線將發(fā)光二極管與地線連接，理想中的方波終于產(chǎn)生，發(fā)光二極管亮，問題解決。2.發(fā)光二極管隔一盞才會亮脈沖電路的問題解決以后，發(fā)現(xiàn)接上電源之后，發(fā)光二極管仍然有兩個不亮，斷開電源，重新檢查電路，發(fā)先二極管附近的電路有一段是沒連好的，用焊絲焊上去以后，問題解決，發(fā)光二極管正常工作。這個問題是在制板過程中出現(xiàn)的，可能是腐蝕的過久，把銅線給腐蝕掉了；也可能是在清洗過程中，清潔球擦的太用力，那里的銅線又是比較細的，導致銅線斷開。經(jīng)過這么長一段時間的工作，本次設計也接近尾聲，我想這次設計，讓我系統(tǒng)的整理了自己大學期間所學過的知識，首先選定課題、確定設計方案，我進行了大量資料的收集、選擇及整合。其次通過電腦軟件畫出PCB板到最后的調(diào)試成功，整個過程讓我有了獨立思考及解決問題的能力，對于自己所設計的公共汽車報站顯示電路有了更深層次的認識。本次設計的難點是在于各個單元電路的連接及電路的細節(jié)設計，需要有一個很清楚的條理，才能把所學過的知識串聯(lián)起來，使整體電路設計完整。整個過程，遇到很多問題，特別是調(diào)試不出來的時候，心中總是有點灰心，更是有放棄的沖動，但是，最后還是堅持下來，靜下心來，仔細查找原因。本次設計主要涉及到一些中、小規(guī)模集成電路芯片，運用集成電路的知識實現(xiàn)公共汽車報站顯示的功能。不足之處是對實際情況考慮不夠，設計還存在一定的偏差，如現(xiàn)實情況中的語音報站現(xiàn)象。手動式公共汽車報站顯示電路在今天這個環(huán)境污染日益嚴重的社會扮演著很重要的角色，值得我們?nèi)パ芯?。通過本次設計，收益非淺，深深的體會就是：學電子切記好高鶩遠，凡是都得親歷親為。對于自己花心血做出來的東西，的確有很大的成就感。畢業(yè)在即，這次設計對今后的工作做了一個很好的鋪墊。參考文獻[2]蔣黎紅，黃培根，朱維婷，模電數(shù)電基礎實驗及Multisim7仿真[M].浙江大學出