依次信息流水灯电路设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

第0页共22页摘要随着微电子技术的发展，各领域都广泛地应用了数字技术，越来越多的电子产品设计都在向数字化或智能化方向发展。数字电子技术的发展，不断改变着人们的生活。手机、DVD机、摄像机、数码照相机、数字电视、家庭影院、多媒体家用平台及其他数字家电设备已陆续成为大众消费产品，使人们生活质量逐步提高。除此之外，数字电子技术在机械加工、生产过程自动控制、智能化机器人、军事科学、航天技术、测量技术、远程教育等诸多领域都得到了广泛使用。对现代科学、工业、农业、文化传媒娱乐产生、医学的发展和人类社会的文明进步产生着越来越深刻的影响，起着巨大的推动作用。本课题设计了一个能显示“STOP”字样的信息灯，为路障提示灯，使后面跟随的车都能看到前方信息，从而有效的防止追尾事故的发生。这个设计充分证明了数字电路广泛应用，为了提高信息灯的醒目程度。然而这个设计是通过三个板块：显示部分、移位寄存器、复位电路、脉冲电路。通过电源输出电压分别对各板块输入电压使显示板块字母“STOP”发亮。这个设计充分证明了数字电路广泛应用，为了提高信息灯的醒目程度。灯光警示牌和灯光闪烁警示牌，在300米至400米处都能起到警示作用。所不同的是灯光警示牌在车尾灯较多的地方不容易引起驾驶员的注意，众多的车尾灯与灯光替示标志混淆在一起，干扰了驾驶员的识别能力。而灯光闪烁警示牌就明显的优于灯光警示牌，由于电子的闪烁作用、使它明显的区别于汽车尾灯从而起到警示作用。晚上光线的视觉效果不好，看不清。更需要效果好的警示标志。而现在的警示标志达不到这个目的，而这个设计的灯光闪烁警示牌很好的解决了这个问题。随着我国汽车数量的不断增加，许多交通管理设备都在不断更新。如能与交管局的有关部门配合生产此项专利产品，无疑将给您带来巨大的经济效益。关键词数字电路；信息灯；警示牌目录摘要.1第1章绪论.2第2章总体方案设计.3第3章单元电路设计.53.1移位寄存器.53.1.1触发器的选择.53.1.2移位寄存器电路设计.73.2脉冲产生电路设计.93.3显示电路设计.113.4复位电路设计.13第4章电路仿真与调试.14总结.19参考文献.20附录1总电路原理图.21附录2元件明细表.22第1页共22页第1章绪论生活中经常可以看到道路中很多路障灯，灯安装在荧幕屏上，使后面跟随的车都能看到前方信息，从而有效的防止追尾事故的发生。在现代城市中，随着人口和汽车的急剧增长，市区交通日益拥挤，要是没有信息灯作为提示工具，恐怕川流不息的汽车就会由于混乱而造成严重后果。因此，信息灯是防止追尾事故发生的重要工具之一。早期的信息灯是由电灯泡指示发光，不过现在由于LED性能的提高，已经取代了电灯泡。本文将使用LED制作流动式发光文字信息灯，可以有效的防止追尾事故的发生，减轻交通部门的工作量，缓解交通日益拥挤的现象随着电子与计算机技术的迅速发展；同时信息灯也起到了美化城市的作用。在电路设计上面，电子电路的分析与设计方法发生了重大的变化。电子设计自动化技术已成为设计现代电子系统必不可少的工具和手段。在电子技术领域里，为了便于储存，分析和传输，常将模拟信号编码，即把它转换为数字信号，利用数字逻辑这一强有力的工具来分析和设计复杂的数字电路或数字系统，为信号的储存，分析和传输创造了硬件环境。根据这次的设计要求，设计信号灯，我们以传统电子设计方法为基础的工程设计基础上，引入了电子设计自动化技术，模拟与数字、软件相结合的综合性设计。LED信息灯在持续发光、雨淋、灰尘等恶劣的气候条件下，仍然能保持较好的工作性能，而且价格更低廉。第2页共22页第2章总体方案设计用数字电路所设计的依次流动信息灯的电路设计主要由脉冲电路、复位电路、移位寄存电路及显示部分所构成，其原理框图如图2-1所示。显示部分移位寄存器脉冲电路复位电路图2-1依次流动信息灯电路原理框图当接通电源时，12V的电源经过三端调压器输出5V，集成电路开始工作。由于原始复位电路的作用，移位寄存器的所有D触发器的初始状态全部被置为高电平状态，即=1111。电路中D触发器的复位端始终置高电平，使D触发器处于有效工4321Q作状态。当第一个脉冲到来的时候，4输入与非门74LS20的输出信号“0”被送入移位寄存器的第1个D触发器的D端，即当第一个脉冲到来时第一个D触发器F1的输出Q端输出低电平，输出端输出高电平。经过非门74LS04构成的缓冲电路输出低电平Q将电路导通，从而使显示“S”字母的LED发光。当第二个脉冲到来的时候，F1的端输出作为第二个D触发器F2的输入信号，从而使得F2的端输出为低电平，端输QQ出为高电平，经缓冲电路后，电路导通，使显示“T”字母的LED发光，依次类推，当第五个脉冲到来的时候，所有的D触发器端都输出高电平，LED灯就全部熄灭，又开始新一轮的流动发光。第3页共22页各板块作用，显示部分作用：为了提高信息灯的醒目程度，交通方便，在道路故障中显示清晰能够容易分辨，这就是在交通道路中减少不必要的事故。移位寄存器作用：移位寄存器除了存放数码的功能外，还具有移位功能。所谓移位功能，就是寄存器中所存数据可以在移位脉冲的作用下逐位左移或右移。在数字系统中，由于运算的需要，常常要求寄存器中输入的数码能实现移位功能。移位寄存器有单向移位寄存器和双向移位寄存器两类。复位电路作用：在系统正常运行或非正常运行下，能够使系统返回，能够反复操作，就是通过复位电路来实现。脉冲电路作用：脉冲一般是将直流升压的一个中间状态，脉冲也是交流的，它是将直流通过震荡电路变为脉冲信号，再通过整流，滤波，稳压等措施变成我们需要的电压。第4页共22页第3章单元电路设计3.1移位寄存器本设计需要一个时序逻辑电路做移位寄存器来构成依次流动电路，而构成移位寄存器可由触发器构成，我们学过的触发器有RS、JK、D等，故将这些触发器做个简单的比较，便于筛选。3.1.1触发器的选择1.同步RS触发器同步RS触发器是在基本RS触发器上增加用来引入R、S及CP信号的非门而构成。图3-1所示为同步RS触发器电路的逻辑符号。图3-1同步RS触发器逻辑符号表3-1同步RS触发器功能表RSnQ1n功能00000011保持01010111置110001010置0110111不允许同步RS触发器的特征方程:第5页共22页QRSn10同步RS触发器功能表如表3-1所示。2.JK触发器JK触发器是在RS触发器上改进而来的，在使用中没有约束条件，JK触发器是靠CP下降沿触发产生的，也有靠CP上升沿触发的，其逻辑符号如图3-2所示。JCPKQJCLLLLLK图3-2JK触发器逻辑符号表3-2JK触发器功能表JKnQ1n功能00000011保持01000110置010011011置111011110翻转、取反JK触发器的特征方程：nnQKJ1JK触发器功能表如表3-2所示。第6页共22页3.D触发器D触发器边沿触发器是靠CP脉冲上升沿或下降沿触发的，D为信号输入端，其逻辑符号如图3-3所示。图3-3D触发器逻辑符号D触发器特征方程：Qn1D触发器的功能表如表3-3所示。表3-3D触发器功能表D1n功能00置011置1通过对以上三个触发器的比较，可以看出同步RS触发器存在禁止状态，而JK触发器需要两个输入控制端，D触发器信号输入端只有一个且无禁止状态，为便于控制，本电路选择D触发器来构成移位寄存器。3.1.2移位寄存器电路设计图3-4四位右移位寄存器电路图第7页共22页1.电路组成本电路设计需要显示“STOP”四个字母，所以需要一个四位的移位寄存器，即可用4个D触发器构成同步移位寄存器。图3-4是由4个D触发器组成的同步4位右移位寄存器电路，本电路中采用了串行并出的输入输出方式，其中D1是串行数码输入端，输出端为、，CP是移位脉冲输入端。1Q2342.工作原理在移位寄存器的每个D触发器的复位端加上高电平，置位端也同时加上高电平，使得D触发器工作在有效状态。电路中低位触发器的输出端均接至高位触发器的D端。因而当CP脉冲的上升沿每到来一次，串行输入数码就依次向右移动。由D触发器构成的右移位寄存器波形图如图3-5所示。电路真值表如表3-4所示。图3-5四位右移位寄存器时序图表3-4移位寄存器输出真值表CP1Q23Q4显示01111熄灭0111S1011T1101O1110P1111熄灭第8页共22页电路的特征方程：nnnQDQ432112nn231QD4由真值表3-4和时序图3-5，分析看到右移位寄存器的工作原理：在电路工作前，由原始复位电路先给电路一个初始状态1111，在第一个脉冲到来的时候，初态1111经四输入与非门后送入第一个D触发器，使得输出0，同时每个触发器原来的状态也1依次向右送入下一个触发器。当第二个脉冲到来的时候，的输出0作为初态送给第1Q二个D触发器D输入端，则的输出端输出0，其余的触发器状态也依次送给下一2Q个D触发器，然后依次循环。当第五个脉冲时，所有的触发器里的数码又回到1111状态，在第六个脉冲到来的时候又开始新一轮的循环。3.2脉冲产生电路设计脉冲有各种各样的用途，有对电路起开关作用的控制脉冲，有起统帅全局作用的时钟脉冲，有做计数用的计数脉冲，有起触发启动作用的触发脉冲等等。不管是什么脉冲，都是由脉冲信号发生器产生的，而且大多是短形脉冲或以矩形脉冲为原型变换成的。因为矩形脉冲含有丰富的谐波，所以脉冲信号发生器也叫自激多谐振荡器或简称多谐振荡器。自激多谐振荡器是一种无稳定状态的张弛振荡电路，它只有两个暂稳状态，无需外加触发信号就能自激震荡，产生方波或矩形脉冲。由于矩形波包含有丰富的谐波分量，故这种电路为自激多谐振荡器在脉冲和数字系统中，它主要用作脉冲信号源，自激多谐振荡器的电路形式较多，由于本电路所需精确度不高，从经济性和方便性上考虑，在此选用RC环形多谐振荡器作为本设计的脉冲起振器。1.电路组成三个非门环形连接以确保起振，R、C为定时元件,为的保护电阻,其值较小,通常为100左右，为保证电路正常工作，要求,否则会使门总处于开启状态，电路不能正第9页共22页常起振。图3-8为RC环形振荡器的电路图。123G1123G2123G3RRsCU01U02U13U05V图3-8RC环形振荡器2.工作原理图3-9脉冲电路工作波形图根据电路和波形图分析原理如下：（1）设t=0t期间，电路处于第一暂稳态：导通，截止,截止，1G23G,在此暂稳态期间，电容C通过R进行充电，充电时间常数LV0oh2thV03(因)。随着C的充电，使按指数规律上升，CRRA)()/(1111RV当时刻，上升到阈值电平(1.4V)时维持关闭的条件被破坏，使(即tTH3G03)由高变低，反馈到门输入端，使由高到低，又由于电容C两端电压不能突变，0V1G01V第10页共22页使随向上跳变，同样的数值，从而使电回翻转到导通的状态，此为第二暂稳RV013G态。（2）电路进入第二暂稳态以后，t1t2期间电容C放电，放电时间常数,RCA2随着放电的进行，按指数规律下降,当t=t2时刻，下降到阈值电平使，维持RVRVTHV导通的条件被破坏，使由低变高，又因为C的作用，使随向下跳变，结果3G001使电路迅速返回到，截止，导通，截止的第一暂稳态，此后C又充电，重3G12G复上述过程，形成周期的振荡。环形振荡器工作波形如图3-9所示。3.脉宽及振荡周期的估算Wt见波形图，取决于C放电过程的快慢，取决于C充电的快慢，根据前面充放2Wt电的过程的分析，设=3.5V,=1.4V,则：ohVthR6.1CtW)/(9802则RtT)/(.6.1121当时，上式可进一步简化成：R1C.显然，定时元件R、C的大小决定了振荡周期和振荡频率的高低。由于电阻R不能过大，取R=1K，周期T=1s。将R、T代入公式T2.2RC,可得电容pF。4105.C3.3显示电路设计显示部分可由液晶显示屏、发光二极管、小灯泡等组成，但考虑到成本和适用等问题，在此我们选用发光二极管作为本次设计地显示器件，发光二极管具有工作电流低、发光响应快、体积小、耐振动、耐冲击、驱动电路简单，适用于和集成电路配合等优点。一般说来，显示部分显示一个英文字母，可以采用57个点或者79个点，由第11页共22页于我们做的是警示牌，为了能够尽量远的地方看到文字，这里我们采用79个点的方式组成文字，并把LED安装在最明显的方位。显示“STOP”这四个字母需要794个LED，不过不必显示“STOP”以外的其他文字，所以只需要84个LED。图3-10串联LED图3-11字母连线图LED流过正向电流时就会发光，但所输出为高电平，LED为截止状态，故我们可Q第12页共22页以选择非门使输出变为低电平，非门在电路中也可以起到缓冲作用。但如果就这样Q原封不动的在LED上接上电池，过大的电流可能会烧坏器件，所以需要在LED和电源间接入限流电阻。电路如图3-10所示。如果使用220的电阻，则流过LED的电流为：,LED的mAI6.230)8.612(最大电流是50mA当电源是12V时可以串联4个LED，由于正向电压的最大值是2.4V，当电压为5V时可以串联2个LED。V6.94.2在使用蓄电池的场合，电压通常是12V，可以如图3-10所示串联4个LED使用。下图是用LED组成“STOP”4个字母连线图。3.4复位电路设计由D触发器构成的4位移位寄存器要正常工作必须满足：置位端、复位端均为高电平，并有脉冲输入。这样在有输入信号时，电路就可接受信号，按特征方程进行工作。在电路工作之前，应给电路一个初始状态，在此，选择复位电路来为电路提供这个初始状态。在没接通电源时，复位电路给电路一个初态1111，当接通电源后，通过复位电路将四个D触发器的置位端置高电平，从而使得移位寄存器工作。电路中初始状态可由手动置入和自动置入，手动置入是在集成电路的电源出接上一个开关，自动置入则是利用电容的“通交隔直”的特性对输入电源进行控制。为了可靠和方便，本电路采用自动置入式。图3-12为本电路所需的复位电路的电路图。1000P10K5V位位位位位位位位位位位位位位图3-12复位电路本电路使用电阻和电容器构成，当没有电源电压输入时，1000pF的电容器上没有存储电荷，当加上了经过调压后的5V电源，通过10K的电阻电容器电位徐徐上升，在触发器加上5V的瞬间开始工作，而1000pF的电容器端电压此时还处于接近0V的值，第13页共22页所以数字IC的低电平电位加到各触发器的复位端上，输出也就置于高电平了。Q第14页共22页第4章电路仿真与调试电子仿真软件MultiSIM10是由美国国家仪器公司（NI公司）公司推出，而在本次的毕业设计中就运行电子仿真软件MultiSIM10进行虚拟仿真，软件中有许多传感器或新器件，只需要知道它们的特性和在电路中的作用，可以采用相似的元器件代替进行仿真，这样可以大大地拓宽电子仿真软件MultiSIM10的应用范围。软件在仿真时并不存在损坏和烧毁元件、仪器等问题，只要电路设计好后就可以进行仿真测试，如仿真成功，侧可以进行硬件电路的设计和实物电路的辅助制作。在整个电路中，电源部分是必不可少的，因此电源电路在整个电路中起到作重要的作用。在电源电路仿真部分，由三端稳压电源输出12V左右的电压，为整个电路供电。仿真图如图4-1所示。图4-1电源仿真图当整机电路中在没有接通电源时，所有的LED灯处于不亮状态，三端稳压电源也处于停止状态，所以整个整机电路不工作、不显示。如仿真图4-2所示，波形如图4-2第15页共22页所示。图4-2无电压状态图4-3无电压时的输出波形党第16页共22页当整机电路在接通电源时，三端稳压电源输出12V电压，电压输出时彩灯输入端接受12V电压成高电平，依次四个字母彩灯接受12V电压，当彩灯接通电压时四个字母彩灯亮，而字母“STOP”亮，如仿真图4-4所示。图4-4接通电源时的仿真当接通电源时，脉冲电路为高电平，输出波形为如图4-5所示，低电平如图4-6所示。第17页共22页图4-5接通电源时的高电平波形图4-6所示接通电源时低电平第18页共22页当整机电路接通电源工作状态时，模拟用户到达现场后，关闭整机电路的电源，整个电路停止工作。如仿真图4-7所示。图4-7停止工作状态在对模块电路的仿真与调试工作过程中，电源部分的作用很重要，产生的电压必须必须符合电路需要，因此在对电路的仿真时，调试与计算参数是必要的。在整机的仿真与调试时，为了让字母“STOP”发光，也就是使示波器产生稳定的波形，这就为了保证电路在实际运用中能正常显示LED发亮工作。第19页共22页总结毕业设计的工作已渐进尾声，这次毕业设计让我受益匪浅，它使我能够把所学知识实际生产相结合。我所做的毕业设计是一个依次流动信息灯，刚开始拿到题目是真的是一头雾水，过了两周还不知从何下手。后来查阅了很多资料，加上指导老师的耐心指导，才开始渐渐的理清头绪，现在我把整个设计过程所获得的知识及经验进行一个总结。设计前需先对同类设计进行研究，作为参考借鉴。在设计的过程中需要对设计进行了探讨研究，从中领会设计原理及方法，然后结合自己的一些知识及经验进行，并要做到仔细、认真，在设计的过程中不能完全照抄前人的设计，不然就不能体现设计的真正精髓了，应探寻优于以前的设计方案，比如：我所设计的依次流动信息灯，其显示部分以前的时候用的是小灯泡，但现在随着社会的进步，我们可选LED、液晶显示屏等来做显示。当然本次设计最主要的收获还是让我意识到了耐心的重要性。尤其是设计快做完的时候，每次自我感觉良好的拿去找导师指导都会被划出很多不对的地方，感觉都快崩溃了，不过还是耐心的去改正，错误也越来越少。本次设计扩大了我的视野，也让我认识到了自己的水平，知识应当增加，面对困难的处理能力应当提高，设计的经验更应当积累。虽然在设计中碰到过很多问题，但是通过老师耐心讲解和自己的努力，都一一解决，并顺利的完成了我的毕业设计。本次设计，通过对以往两年半时间内所学的知识运用，也学到了很多新的知识，并且提高了自学能力和独立思考