数电交通灯毕业论文.docx

摘 要摘 要随着我国国民经济的快速发展，我国机动车辆发展迅速，而城镇道路建设由于历史等各种原因相对滞后，交通拥挤和堵塞现象时常出现。如何利用当今计算机和自动控制技术，有效地疏导交通，提高城镇交通路口的通行能力，减少交通事故是很值得研究的一个课题。目前，国内的交通灯一般设在十字路口，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯加上一个倒计时的显示器来控制行车。本文分析了现代城市交通信号灯控制与管理的不合理性，进而提出一款更具人性化、智能化的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。本系统采用555触发器为中心器件产生振荡电路来设计交通灯控制器，通过振荡产生信号波，经过4024加法器确定64S为一个周期。最后通过193减法器与4511驱动器实现对数码管的控制，达到预期效果。最后通过Altium designer和Multisim仿真说明了系统制作过程与调试结果。本系统设计周期短、可靠性高、实用性强、操作简单、维护方便、扩展功能强。关键词：交通灯 555触发器 Multisim仿真ABSTRACTWith the rapid development of national economy in China, motor vehicles in our country has developed rapidly, and urban road construction relative lag, due to various reasons such as history and heavy traffic jam phenomenon often appear. How to make use of the computer and automatic control technology, the traffic effectively, improve the urban traffic intersection traffic capacity, reduce the number of traffic accidents is a topic worth studying. At present, the domestic general is located in the intersection, traffic lights in the striking position with red, green and yellow lights with a countdown display to control the traffic. This paper analyzes the modern urban traffic signal control and management of irrationality, put forward a more humane, intelligent urban traffic light control system hardware circuit design. The system adopts 555 trigger device generate oscillation circuit to design a traffic light controller for the center, through the oscillation signal wave, after 4024 adder sure 64 s as a cycle. At last, through 193 subtracter and 4511 drive control system for the digital tube, to achieve the desired effect. Finally, Altium designer and Multisim simulation illustrates the system process and the result of debugging. This system design cycle is short, high reliability, strong practicability, simple operation, convenient maintenance, strong extended functionality. Key words: traffic lights 555 trigger Multisim simulation I目 录目 录第1章 引言11.1 选题背景.11.2 研究目标和意义11.3 主要工作.1第2章设计框图与具体方案32.1设计方案3第3章电路原理图与仿真图53.1 时钟脉冲的设计53.1.1 555触发器.53.1.2 555振荡器.63.2 计数功能电路的设计93.2.1 加法器的设计93.2.2 减法器的设计133.3 译码功能的设计143.3.1 译码：七段译码器/驱动器74LS48143.3.2 译码功能：四线-七段译码器4511153.4显示电路的设计153.4.1 数码管153.4.2 发光二极管163.5仿真软件及仿真173.5.1 仿真软件Multisim介绍173.5.2 仿真结果19第4章电路板的设计214.1 电路设计软件Altium designer介绍214.2电路原理图224.3PCB的设计244.3.1 PCB的布线规则244.3.2 PCB的设计27第5章电路板的制作与调试285.1电路板的调试285.2电路板的测试29第6章心得体会31设计资料及参考文献32致谢33III第1章 引言第1章 引言1.1 选题背景交通是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。汽车现已成为人们日常生活中必不可少的交通工具。汽车在给人们带来便利的同时，也带来了一系列令人困惑的问题，如环境污染、交通拥挤、交通事故频繁发生，给人们的生命和财产带来了很大的损失。城市交通问题困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素，人们对交通有效控制的意识越来越强烈。城市交通信号控制是通过对交通流的调节、警告和诱导以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。其目标在于改善交通流的质量，更好的利用现有运输能力，提高交通流的安全性、快速性和舒适性。1.2 研究目标和意义随着经济的发展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长，城市交通网络中交通拥挤日益严重，道路运输所带来的交通拥堵、交通事故和环境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。交通问题已经日益成为世界性的问题，城市交通事故、交通堵塞和交通污染问题愈加突出。为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法：一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加；二是增加供给，即大量修筑道路基础设施的办法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限的资源和财力以及环境的压力，也将受到限制。这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他办法来满足日益增长的交通需求。在现有的道路交通条件下，实施交通控制和管理，充分发挥现有道路的通行能力正是解决这一矛盾的途径之一，大量事实已经证明这种方法的有效性。当然，解决该问题最有效的方法是增加道路建设，但由于资金及城市空间的限制，该方法又出现诸多难处。因此，在有效道路的前提下，提高交通控制和管理水平，合理使用现有的交通设施，充分发挥其能力，是解决交通问题有效方法之一。1.3 主要工作本次设计决定使用数字电路中的器件与逻辑电路完成。其中包括555触发器、七位二级制加法计数器4024，十进制减法计数器74LS193，4511驱动器等器件来完成相关工作。画图软件使用Altium designer画出原理图和PCB，最后通过Multisim仿真来查看是否到达预期要求。具体设计要求如下设计一个交通灯控制器，它的一个周期64秒，平均分配，前32秒红灯亮，后32秒绿灯亮。在红灯亮的期间的后8秒与红灯在一起的黄灯闪烁；在绿灯亮的期间的后8秒与绿灯在一起的黄灯闪烁；在黄灯闪烁期间，数码管同时倒计时显示，在此期间外，数码管不亮。1第2章 设计框图与具体方案第2章 设计框图与具体方案2.1 设计方案通过查阅相关资料，发现有三种方法可以达到预期效果：第一种：通过编写汇编语言程序来完成交通灯控制器的设计与实现。利用汇编语言程序中的8255A的A口 和B口对灯的亮与灭进行控制。首先，要了解的是8255A是如何工作的，包括它的A口、B口、C口和控制端口是如何写数据的，频率为2.5MHz，所以没10ms中断一次。利用CX对不同的状态时间计数，用来实现计数器对设计要求的定时。中断子程序分为数码管显示刷新部分和红绿黄灯各个状态切换部分。每进入中断即刷新LED显示。用对于东西车道黄灯闪烁利用标志位判断实现，满足比较条件就暗，不满足条件就 亮。第二种：运用FPGA实现交通灯控制器。采用自顶向下设计，将此设计分为2个模块：计时模块（计时模块包括秒模块，分钟模块和小时模块），控制模块。将两个模块分别用VHDL语言编写成。采用自定向下的设计方法的有点事显而易见的。由于整个设计师从系统顶层开始的，结合模拟手段，可以从一开始就掌握所实现系统的性能状况，结合应用领域的具体要求，在此时就调整设计方案，进行性能优化或者折中取舍。随着设计层次向下进行，系统性能参数将得到进一步的细化与确认，保证设计结果的正确性。相对于前两种方法，第三种方法既能实现预期功能，同时又不必像前两种方法那样复杂，不需要通过编程来实现目标。从真正意义上做到了用最简单的电路和器件，完成最实用的功能。本次设计就是采用的第三种方法，具体设计方案如下：第三种：利用数字电路原理通过纯硬件来完成交通灯控制电路的设计。一个555脉冲振荡器，一个七位二进制加法计数器4024，一个十进制减法计数器可逆可预置十进制计数器74LS193，驱动器4511，发光二极管，数码管。红灯与绿灯以及黄灯是否亮是由二进制加法计数器的输出端状态来决定的，因此，设计一个组合逻辑电路，它的输入信号就是二进制加法计数器的输出信号，它的输出就是发光二极管的控制信号。因此，需要一个组合逻辑电路，六个发光二极管（两个红色发光二极管，两个绿色发光二极管，两个黄色发光二极管）电路，一个数码管显示电路。如图2-1所示：555脉冲振荡器193计数器4024计数器4511驱动器组合逻辑电路数码管发光二极管图2-1 设计框图3第3章 电路原理图与仿真图第3章 电路原理图与仿真图3.1 时钟脉冲的设计3.1.1 555触发器555定时器是一块常用的集成电路，电路符号如图3-1示：图3-1 555定时器8为电源端VCC，1为公共端GND。所加电源电压范围：4.5VVcc18V,最大输出电流200mA内部电路原理图如图2-3示，内部有三个相同的分压电阻，每个电阻上的电压都为1/3Vcc。两个比较器C1和C2，C1的比较电压为3/2Vcc，C2的比较电压为3/1Vcc，当比较器“+”端电压大于比较器“-”端电压是，比较器输出高电平（用状态1表示），当比较器“+”端电压低于比较器“-”电压时，比较器输出低电平（用状态0表示）。G1，G2两个与非门构成基本RS触发器，G3为输出缓冲反向器，起整形和提高带负载能力的的作用。泄放三极管为外接电容提供充放电回路。利用555定时器设计电路时，主要是考虑如何让2和6的点位发生变化（外界信号或利用电容器的充放电过程实现）而让定时器的输出状态发生变化，而设计成各种具有不同功能的电路。图3-2 555触发器内部3.1.2 555振荡器555多谐振荡器路原理如图3-3示（4脚为高电平时，电路振荡，4脚为低电平时，电路不振荡）。开始时，内部泄放三极管由于其基极输入为低电平，是截止的，电源通过R2和R1对电容器C充电，2,6脚点位开始上升，当上升到2/3Vcc时，电路状态发生翻转，内部泄放三极管由于其基极输入为高电平，所以饱和导通，电容器通过R1放电，2,6脚点位又开始下降，直至降到1/3Vcc，电路状态再次发生翻转，内部泄放三极管截止，电源再次对电容器充电。这样周而复始，输出连续的矩形波信号，有3脚输出图3-3 555振荡器理论推导：理论推导的依据是电容器的充电时间和放电时间的讨论。充电时间的计算：从前面对芯片555的了解可知，在7脚内部所劫的泄放三极管截止是，电容器充电，充电电压从3/1Vcc到3/2Vcc，此时是电源通过5R2+R1电阻向电容充电，由此可以利用电容器的电压与充电时间的函数计算出电容充电时间；函数关系式可由电路分析课程中给出：Uc=Vcc(1-e-tRC)在充电过程中，R1=R1+R2因此 13Vcc=Vcc(1-e-t1RC)23Vcc=Vcc(1-e-t1RC)分别计算出t1和t2，则充电时间为T1=t1-t2放电时间的计算：从前面对芯片555的了解可知，在7脚内部所接的放流三极管饱和导通是，电容器放电，放电电压从2/3Vcc防止1/3Vcc，此时是电容通过R1电阻向电容充电，由此可以利用电容器的电压与放电时间的函数关系计算出电容放电时间；函数关系式可由电路分析课程中得出：Uc=Vcc e-tRC在放电过程中，R=R1因此 23Vcc= Vcc e-t1RC 13Vcc= Vcc e-t2RC分别计算出t1和t2，则放电时间为T1=t2-t1由以上计算出的充电时间和放电时间之和就是周期，周期的倒数就是频率。最后得到的结果：振荡器的频率有电阻R1，R2和电容C决定。f=1.43(2R1+R2)C脉冲波的占空比由电阻R1和R2决定，结果为=R1+R22R1+R2可见，当R2越小时，占空比接近50。本电路555多谐振荡器的频率的确定，因为信号灯的状态时间是以秒来计量的，因此计数器的技术状态应以秒为计数最为方便，即指定计数器的最低位定位Q2（不一定是计数器的最低位），因状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2共有64个状态，每个状态对应时间为1秒（频率为1），即1秒钟状态变化1次，而每一个状态对应Q1端一个脉冲，因此，Q1端是1秒钟产生的1个脉冲，所以555的振荡频率就应该为2Hz。根据之前对555振荡器的分析可得，电容上的电压Vc在V+与V-之间反复振荡，Vc的波形图如图3-4所示：图3-4由图3-1中的Vc的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间T2各为故电路的振荡周期为：因本振荡路2Hz,所以R1选用1M电阻，R2选用3M电阻，如图3-5所示7图3-5 555振荡器输出的振荡波形如图3-6所示：图3-6 一个周期刚好为0.5s。3.2 计数功能电路的设计3.2.1 加法器的设计七位二进制计数器4024各引脚功能如图3-7示：图3-7 4024加法器14脚为电源端，所接电源电压范围：+3V+5V，7脚接地GND。2脚为复位端（清零端），高电平有效。1脚为脉冲信号输入端，下降沿有效（即计数器在脉冲下降沿时刻计数）。Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1是七个数据输出端，Q7位最高位，Q1位最低位。当输入脉冲信号后，计数器输出端的状态变化：00000001111111.本电路中的组合逻辑电路的输出信号为二进制计数器的输出信号Q7Q6Q5Q4Q3Q2，设计Q2信号频率为1，而输出应为六个表示路口交通灯信号的发光二极管（一方为红绿黄灯DR1，DG1，DY1;另一方为红绿黄灯DR2,DF2,DY2）的控制信号，分别用LR1，LG1，LY1和LR2，LG2，LY2表示。但是一到DR1和DR2状态相同，DG1和DG2状态相同，DY1和DY2状态相同，所以实际上只要三个输出信号即可，分别用L1，L2，L3表示。本电路因为控制周期是64秒，所以只需要64个状态，因此只要用4024输出端的6个输出端就可以了，本人决定用状态Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2。组合逻辑电路的输出信号L1，L2，L3与电路的输入信号Q7，Q6，Q5,Q4，Q3，Q2的关系的讨论；信号灯的定义，L1表示红灯，L2表示绿灯，L3表示黄灯。对于其中一路信号灯来说，前32秒（对应的4024计数器输出端状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2为000000111111）红灯1亮，绿灯1不亮。而在这32秒内的时间内，前24秒（对应的4024计数器输出状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2为000000111111）黄灯不亮。后8秒（对应的4024计数器输出端状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2为0101110111111）黄灯亮。另一路的灯亮状态分析与上一路的分析完全相同。9综上所述用如下真值表表示：编号Q7 Q6 Q5 Q4 Q3Q2L11 L12 L13 L21 L22 L23说明0150 0 X X X X1 0 0 0 1 0红1绿2亮16230 1 0 X X X1 0 0 0 1 0红1绿2亮24310 1 1 X X X1 0 1 0 1 1红1绿2黄12亮32471 0 X X X X0 1 0 1 0 0红2绿1亮48551 1 0 X X X0 1 0 1 0 0红2绿1亮56631 1 1 X X X0 1 1 1 0 1红2绿1黄12亮从以上可知L11=Q7，L21=Q7,需要低电平有效时， L1=Q7L12=Q7，L22=Q7,需要低电平有效时， L2=Q7L13=L23=Q6Q5=Q6Q5考虑到黄灯需要闪烁，可以让L3信号和Q1信号（频率为1Hz的脉冲波）加到一个二输入的与非门的两个输入端，输出信号为L4L4=L3*Q1当L3为0时，L4=1当L3为1时，L4=Q1可见，需要L4低电平有效，这样L3位0时，黄灯不亮，L3为1时，黄灯闪烁。由以上讨论可知，需要两个二输入的与非门，三个非门，为节约期间，三个非门中的两个非门用与非门实现，另一个非门用三极管实现。这样，需要四个二输入的与非门，正好可以用芯片74LS00，一个三极管构成的与非门。74LS00外形为DIP14，74LS00是一块四-二输入的数字集成芯片，内有四个完全一样的二输入的与非门，14脚接Vcc（+5V），7脚接地GND。它们中的四个二输入的与非门如.3-8所示：图3-8 74LS00其中A,B为与非门的两个输入端，Y为输出端。额定拉电流4mA，额定灌电流8mA，额定输出高电平电压为3.6V。当脉冲从555振荡器发出后，通过4024计数器，因为1脚为脉冲信号输入端，下降沿有效（即计数器在脉冲下降沿时刻计数）。所以通过Q2至Q7完成叠加功能，使其周期达到64s。4024计数器电路图如图3-9所示：图3-9 4024计数器Q2至Q7输出的波形如图3-10所示：，图3-10 加法器输出信号113.2.2 减法器的设计可预置二进制可逆计数器74LS193可预置二进制可逆计数器74LS193如图3-11图3-11 193减法器74LS193外形结构为DIP16，其中8脚接地GND，16脚接+5V电源。CU加计数脉冲信号输入端。CD减计数脉冲信号输入端。Q3，Q2，Q1，Q0计数器数据输出端，Q3为最高位，Q0为最低位。P3，P2，P1，P0计数器预置数输入端，当计数器处于预置数状态时，通过该输入端预置数，此时Q3Q2Q1Q0=P3P2P1P0。MR复位信号输入端，上升沿有效，即当MR从0跳到1时，计数器复位，此时Q3Q2Q1Q0=0000。当MR=0时，计数器处于技术状态。PL预置数功能控制器，低电平有效，当PL=0时，计数器处于预置数状态，当PL=1时，计数器处于计数状态。TCU加计数进位信号输出端。TCD减计数借位信号输出端。根据设计要求，预置数为8，P3=1，接高电平（电源），P2=P1=P0=0，接低电平（地GND）。黄灯不亮，即L3=0时，计数器需要处于预置数状态；即PL=0，黄灯亮，即L3=1时，计数器需要处于计数状态，即PL=1。可见，PL=L3。作为减法器使用，CU接高电平，CD接脉冲信号Q2。因计数器处于计数状态或预置数状态，不能处于复位状态，因此让MR=0。从前面讨论可知，多谐振荡器振荡频率为2Hz。以此确定多谐振荡器电路的电容和电阻。193减法器在电路中如图3-12所示：图3-12 193减法器3.3 译码功能的设计3.3.1 译码：七段译码器/驱动器74LS48四线七段译码器/驱动器74LS48如图3-13示：图3-13 48驱动器16脚接电源Vcc5V，8脚接地GND。DCBA为8421BCD码数据输入端，D为最高位，A为最低位。abcdefg（高电平有效，输出电流小于6mA）为7个输出端，分别接七段数码管的7个输入端abcdefg，所接数码管必须是共阴数码管。13LT灯测试输入端，低电平有效，即当此灯为低电平切BI/RBO为高电平（或开路）时，输出全为高电平，数码管内所有发光二极管全亮。BI/RBO消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效），只要此端为低电平，输出全为低电平，数码管内所有发光二极管全不亮。RBI脉冲消隐输入端，低电平有效。当此端为低电平且ABCD也同时为低电平是，输出全为低电平，数码管内所有发光二极管全不亮。从以上结果知道，要让数码管正常显示09,3,4,5脚都要接高电平。要让数码管19而不显示0，则3接高电平，5接低电平，4悬空（或电源通过电阻接4）。这实际上就是消0，例于最高位的数码管就希望是这样。3.3.2 译码功能：四线-七段译码器4511四线七段译码器/驱动器4511(内带上拉电阻)如图3-14示：图3-14 4511驱动器 4511的使用与74LS48基本相同，但是有两点需要注意：功能脚“5”的使用区别，74LS48是高电平有效，而4511是低电平有效。74LS48是内带限流电阻的，而4511是不带限流电阻的，因此，在使用451时，4511的输出端与数码管的输入端之间是要串接限流电阻的。3.4 显示电路的设计3.4.1 数码管数码管的输出引脚排列方式如下图3-15所示：图3-15 数码管数码管的符号数码管的输出引脚有两种形式，一种是上下排列，一种是两边排列。组成数码管的七段实际上就是七个发光二极管，当这七个发光二极管中不同的二极管亮时，就是现实09中不同的数字。数码管的使用需要注意的是：数码管有共阴数码管和供养数码管之分，所谓共阴数码管就是公共端COM接地，所谓供养数码管就是公共端COM接电源。二是要注意数码管的电流大小，一般不要超过10mA.三是要注意各管脚功能的确定。在不清楚数码管的基本情况时，可用测量的方法确定。电源腹肌接公共端，电源正极通过一个电阻（5V电源时，电阻可为500到1K，12V电源时，电阻可为1.5K到2K），再加到任一输入端，观察数码管的灯亮与不良情况，判断数码管的类型各管脚。3.4.2 发光二极管电路最后实现的功能就是通过红黄绿三种颜色的发光二极管表现的，如图3-16所示：15图3-16 二极管电路一个周期64秒，平均分配，前32秒红灯亮，后32秒绿灯亮。在红灯亮的期间的后8秒与红灯在一起的黄灯闪烁；在绿灯亮的期间的后8秒与绿灯在一起的黄灯闪烁；在黄灯闪烁期间，数码管同时倒计时显示，在此期间外，数码管不亮。3.5 仿真软件及仿真3.5.1 仿真软件Multisim介绍Multisim本是加拿大图像交互技术公司Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具被美国NI公司收购后更名为NI Multisim 而V13.0是其（即NINational Instruments）最新推出的Multisim最新版本。 目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim 4个部分能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分相互独立可以分别使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分有增强专业版（Power Professional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本各版本的功能和价格有着明显的差异。 NI Multisim 13用软件的方法虚拟电子与电工元器件虚拟电子与电工仪器和仪表实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 13是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。 NI Multisim 13的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用同时也可以新建或扩充已有的元器件库而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到因此也很方便的在工程设计中使用。 NI Multisim 13的虚拟测试仪器仪表种类齐全有一般实验用的通用仪器如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源而且还有一般实验室少有或没有的仪器如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。 NI Multisim 13具有较为详细的电路分析功能可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法以帮助设计人员分析电路的性能。 NI Multisim 13可以设计、测试和演示各种电子电路包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障如开路、短路和不同程度的漏电等从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时软件还可以存储测试点的所有数据列出被仿真电路的所有元器件清单以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。 NI Multisim 13有丰富的Help功能其Help系统不仅包括软件本身的操作指南更要的是包含有元器件的功能解说Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。另外NI Multisim13还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。 利用NI Multisim 13可以实现计算机仿真设计与虚拟实验与传统的电子电路设计与实验方法相比具有如下特点设计与实验可以同步进行可以边设计边实验修改调试方便设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全可以完成各种类型的电路设计与实验可方便地对电路参数进行测试和分析可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图实验中不消耗实际的元器件实验所需元器件的种类和数量不受限制实验成本低实验速度快效率高设计和实验成功的电路可17以直接在产品中使用。 NI Multisim 13易学易用便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。3.5.2 仿真结果0s24s：绿灯1，红灯1亮，其余全不亮，如图3-17所示图3-17 仿真图24s32s：绿灯1，红灯1亮，黄灯1、黄灯2闪烁，数码管从8开始计时，如图3-18所示图3-18 仿真图32s56s：绿灯2、红灯2亮，其余全不亮，如图3-19所示图3-19 仿真图56s64s：绿灯2、红灯2亮，黄灯1、黄灯2闪烁，数码管从8开始计时，如图3-20所示图3-20 仿真图19第4章 电路板的设计第4章 电路板的设计4.1 电路设计软件Altium designer介绍Altium Designer 提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。Altium Designer 在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能,使得Altium Designer成为电子产品开发的完整解决方案一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。最新发布的 Altium Designer10 为您带来了一个全新的管理元器件的方法，其中包括新的用途系统、修改管理，新的生命周期和审批制度实时供应链管理等更多的新功能。Release 10 将继续保持不断插入新的功能和技术的过程，使得您可以更方便轻松地创建您的下一代电子产品设计。 Altium 的统一的设计架构以将硬件，软件和可编程硬件等等集成到一个单一的应用程序中而闻名。它可让您在一个项目内，甚或是整个团队里自由地探索和开发新的设计创意和设计思想，团队中的每个人都拥有对于整个设计过程的统一的设计视图。Altium Designer 10 提供了一个强大的高集成度的板级设计发布过程，它可以验证并将您的设计和制造数据进行打包，这些操作只需一键完成，从而避免了人为交互中可能出现的错误。发布管理系统简化规范了发布你的设计项目的流程，或者更具体地说，是那些项目中定义的配置， 直观，简洁而且稳定。更重要的是，该系统可以被直接链接到您的后台版本控制系统。 新增的强大的预发布验证手段的组合 - 用以确保所有包含在发布中的设计文件都是当前的，与存储在您的版本控制系统中的相应的文件“主人”保持同步的文件，并且通过了所有特定的规则检查（ERC, DRC, 等等) 从而你可以在更高层面上控制发布管理，并可保证卓越的发布质量。与过去以季节性主题（如Winter09，Summer09）来命名的方案不同，而是采用新型的平实的编号形式来为新的发布版本进行命名。最新发布的Altium Designer - Release 10 将继续保持不断插入新的功能和技术的过程，使得您可以更方便轻松地创建您的下一代电子产品设计。 Altium 的统一的设计架构以将硬件，软件和可编程硬件等等集成到一个单一的应用程序中而闻名。它可让您在一个项目内，甚或是整个团队里自由地探索和开发新的设计创意和设计思想，团队中的每个人都拥有对于整个设计过程的统一的设计视图。在软件解决方案的开发过程中，偶尔脑子里会跳出不断进化的创意，跳出的每一个创意都在它能做么，并且能给用户带来什么好处方面，带领软件的解决方案到一个更高的台阶。Release 10 的到来是对于Altium Designer的又一个进化跳跃 是软件及其功能上的世代性的交替和革新，如果您愿意纵向追溯，其规模DXP平台推出以来，从未见过的以单一的统一模式交付的设计经验。 此次飞跃的亮点是收集了大量令人印象深刻而广泛全面的新技术，旨在不但帮助进化管理你的设计信息的方式，而且还帮助你自动配置发布程。AD10 与Altium Vault Server - 来自Altium的另一解决方案 - 提供了一个设计数据管理系统，它可以有效地识别并解决许多导致设计，发布和制造等进程缓慢的各种问题。它是一种非常具有创造性和革命性的智能数据管理系统。该数据管理解决方案的重要组成部分是一个元器件管理系统。该元器件管理系统提供了真正的生命周期追踪功能和器件检验的独立性。 Altium Designer 10 提供了一个强大的高集成度的板级设计发布过程，它可以验证并将您的设计和制造数据进行打包，这些操作只需一键完成，从而避免了人为交互中可能出现的误差。发布管理系统简化规范了发布您的设计项目的流程，或者更具体地说，是那些项目中定义的配置， 直观，简洁而且稳定。更重要的是，该系统可以被直接链接到您的后台版本控制系统。 新增的强大的预发布验证手段的组合 - 用以确保所有包含在发布中的设计文件都是当前的，与存储在您的版本控制系统中的相应的文件“主人”保持同步的文件，并且通过了所有特定的规则检查（ERC, DRC, 等等) 从而可以在更高层面上控制发布管理，并可保证卓越的发布质量。4.2 电路原理图本次设计采用555脉冲振荡器为基础，通过4024加法器，193减法器，4511驱动器和数码管来实现预期目标。整体电路图如图4-1所示：21图4-1 整体电路图整体电路解说 由芯片NE555构成多谐振荡器，从前面的讨论可知，本电路振荡频率选用2Hz，本电路频率高低由元件R1，R2，C2决定。按图选用其参数后，振荡频率为：T=(R1+2R2)Cln2计算结果为T=0.5s多谐振荡器的输出信号（脉冲波）从555的“3”脚输出送到七位二进制计数器4024的输入端“1”脚。当Q7端状态为低电平时（即前32个状态）通过非门U3C输出高电平，三极管饱和导通，接在这一路上的一红灯一绿灯（即一个方向的红灯和另一个方向的绿灯亮）。而从U3C输出接到另一路的一红灯和一绿灯不亮。所以在装配电路时，要注意红灯和绿灯的位置。当Q7端状态为高电平时（即后32个状态），通过非门U3C输出低电平，三极管截止，接在这一路上的一红灯一绿灯不亮（即一个方向的红灯和另一个方向的绿灯不亮）。而从U3C输出接到另一路的一红灯和一绿灯亮。在Q6Q5同为高电平（1100011111）共8个状态时，与非门U3B输出低电平，再通过非门U3A输出高电平，注意与非门U3D此时一个输入信号为高电平，另一个信号接4024的输出最低端，是一个振荡信号，所以此时接在这里了的两个黄灯闪烁。在Q6Q5不全为高电平（除1100011111以外所有状态）时，与非门U3B输出高电平，再通过非门U3A输出低电平，注意与非门U3D此时一个输入信号为低电平，输出恒为高电平，所以此时接在这一路的两个黄灯不亮。同时，在Q6Q5不全为高电平（除1100011111以外所有状态）时，与非门U3B输出高电平，再通过非门U3A输出低电平，这个低电平接在74LS193的PL端（注意PL端是低电平有效，是预置数功能端，PL=0时，芯片处于预置数状态，PL=1，芯片处于计数状态），所以，此时芯片处于预置数状态，注意，预置数为8，同时，这个信号又接到4511R的BI端（BI为灭灯功能端，低电平有效），因此，此时数码管全不亮。当Q6Q5同为高电平（1100011111）共8个状态时，与非门U3B输出低电平，再通过非门U3A输出高电平，这个信号又接到4511R的BI端（BI为灭灯功能端，低电平有效），因此，此时数码管正常工作。数码管限流电阻的计算：4511输出高电平5V，发光二极管的导通降为1.8V2.0V，若设计发光二极管电流为310mA，则限流电阻为300欧姆到1K欧姆。本电路选用1K。4.3 PCB的设计4.3.1 PCB的布线规则1.连线精简原则连线要精简，尽可能短，尽量少拐弯，力求线条简单明了，特别是在高频回路中，当然为了达到阻抗匹配而需要进行特殊延长的线就例外了，例如蛇行走线等。2.安全载流原则铜线的宽度应以自己所能承载的电流为基础进行设计，铜线的载流能力取决于以下因素：线宽、线厚（铜铂厚度）、允许温升等，下表给出了铜导线的宽度和导线面积以及导电电流的关系（军品标准），可以根据这个基本的关系对导线宽23度进行适当的考虑。3.电磁抗干扰原则电磁抗干扰原则涉及的知识点比较多，例如铜膜线的拐弯处应为圆角或斜角（因为高频时直角或者尖角的拐弯会影响电气性能）双面板两面的导线应互相垂直、斜交或者弯曲走线，尽量避免平行走线，减小寄生耦合等。一)通常一个电子系统中有各种不同的地线，如数字地、逻辑地、系统地、机壳地等，地线的设计原则如下：a.正确的单点和多点接地在低频电路中，信号的工作频率小于1MHZ，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHZ时，如果采用一点接地，其地线的长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。b.数字地与模拟地分开若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应尽量使它们分开。一般数字电路的抗干扰能力比较强，例如TTL电路的噪声容限为0.40.6V，CMOS电路的噪声容限为电源电压的0.30.45倍，而模拟电路只要有很小的噪声就足以使其工作不正常，所以这两类电路应该分开布局布线。c.接地线应尽量加粗若接地线用很细的线条，则接地电位会随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在23mm以上。d.接地线构成闭环路只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成环路大多能提高抗噪声能力。因为环形地线可以减小接地电阻，从而减小接地电位差。二)配置退藕电容PCB设计的常规做法之一是在印刷板的各个关键部位配置适当的退藕电容，退藕电容的一般配置原则是：a.电源的输入端跨接10100uf的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100uf以上的电解电容器抗干扰效果会更好。b.原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01uf0.1uf的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每48个芯片布置一个110uf的钽电容（最好不用电解电容，电解电容是两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感，最好使用钽电容或聚碳酸酝电容）。c.对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。d.电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。三)过孔设计在高速PCB设计中，看似简单的过孔也往往会给电路的设计带来很大的负面效应，为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：a.从成本和信号质量两方面来考虑，选择合理尺寸的过孔大小。例如对6- 10层的内存模块PCB设计来说，选用10/20mil（钻孔/焊盘）的过孔较好，对于一些高密度的小尺寸的板子，也可以尝试使用8/18Mil的过孔。在目前技术条件下，很难使用更小尺寸的过孔了（当孔的深度超过钻孔直径的6倍时，就无法保证孔壁能均匀镀铜）；对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗。b.使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。c.PCB板上的信号走线尽量不换层，即尽量不要使用不必要的过孔。d.电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好。e.在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。5.环境效应原则要注意所应用的环境，例如在一个振动或者其他容易使板子变形的环境中采用过细的铜膜导线很容易起皮拉断等。6.安全工作原则要保证安全工作，例如要保证两线最小间距要承受所加电压峰值，高压线应圆滑，不得有尖锐的倒角，否则容易造成板路击穿等。7.组装方便、规范原则走线设计要考虑组装是否方便，例如印制板上有大面积地线和电源线区时（面积超过500平方毫米），应局部开窗口以方便腐蚀等。25此外还要考虑组装规范设计，例如元件的焊接点用焊盘来表示，这些焊盘（包括过孔）均会自动不上阻焊油，但是如用填充块当表贴焊盘或用线段当金手指插头，而又不做特别处理，（在阻焊层画出无阻焊油的区域），阻焊油将掩盖这些焊盘和金手指，容易造成误解性错误；SMD器件的引脚与大面积覆铜连接时，要进行热隔离处理，一般是做一个Track到铜箔，以防止受热不均造成的应力集中而导致虚焊；PCB上如果有12或方形12mm以上的过孔时，必须做一个孔盖，以防止焊锡流出等。4.3.2 PCB的设计1、画原理图，目地是生成对应的网表用于建PCB，在图上标好元件值，元件位号用自动标注。 2、用原理图生成PCB，这时会有DRC检查，检查不过的话去改好，检查通过后会真接切换到PCB界面，这时原理图就算是完成了。 3、PCB布局，一般按照先大后小的原则摆放，就是先放连接器再放芯片、阻容元件。一般连接器放在PCB边上。 4、布线，按显示的网络飞线在电路上布线，注意线宽。 5、DRC检查，这个一定要做，防止有没布的线。 6、把PCB文件存档后交给做电路板的就行了。如图4-2所示图4-2 PCB图第5章 电路板的制作与调试5.1 电路板的调试通电前的检测：检查了原理图与硬件是否一致，按照电路图检查安装的线路，按照一定顺序逐一检查安装好的线路，发现和原理图一致，如图5-1所示图5-1 实物图检查完整体电路后，又逐一对电阻进行了检查，发现与实际的有一定误差，1K欧的电阻实际只有923欧，如图5-2所示图5-2 实物图27