毕业设计-手动式公共汽车报站显示电路的设计.doc

手动式公共汽车报站显示电路的设计摘要本文设计了手动式公共汽车报站显示电路。它的主体电路由周期秒脉冲电路、单稳态触发电路、十进制分频电路和译码驱动电路组成。通过对秒脉冲产生电路的分析，采用施密特触发器构成的多谐震荡器产生秒脉冲。单稳态触发电路使用了两片74LS00芯片、一个电阻和一个电容。译码驱动显示电路使用了CD4510、CD4511和七段共阴数码管来实现。本电路具有公共汽车到站显示功能。通过对所设计的手动式公共汽车报站显示电路进行实验测试，最终实现整体电路的所有功能。该电路具有成本低、性能稳定等诸多优点。关键字数字集成电路 手动式公共汽车报站显示 周期秒脉冲电路 单稳态触发电路 十进制分频电路 译码驱动显示电路 目 录引 言3第一章系统概述41.1设计意义41.2设计指标41.3总体设计方案41.3.1 设计思想41.3.2 总体电路结构框图51.3.3 方案的论证与比较5第二章 单元电路的设计62.1 秒脉冲电路的设计62.1.1 芯片介绍62.1.2 秒脉冲电路的工作原理及功能62.1.3 参数计算及器件的选择72.2 单稳态触发电路的设计82.2.1 芯片介绍82.2.2 单稳态触发电路的原理及功能92.3 十进制计数电路的设计92.3.1 芯片的介绍92.3.2 十进制计数电路的工作原理及功能102.4 译码与显示驱动电路的设计112.4.1 芯片的介绍112.4.2 数码管结构122.4.3译码与显示驱动电路的工作原理及功能142.5 手动式公共汽车报站显示电路的总工作原理14第三章 电路的安装及调试163.1 设计方案验证163.2 电路板的制作173.3故障分析及解决19结 论20参考文献21致 谢22附录1 总的原理图23附录2 实物图24附录3 元器件清单25引 言当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。本次设计基本上采用的都是“数字集成电路”。在现代社会中，汽车已成为不可缺少的交通工具，不单单是一种代步工具，更是一种社会生活水平的象征。但是，汽车在带给我们快速、便捷的同时，也带来了大量的带来了大量的环境污染。据有关部门统计，大城市交通干道的NO2和CO严重超过国家标准，汽车污染已成为主要的空气污染物，一些城市臭氧浓度严重超标，已具有发生光化学烟雾污染的潜在危险，所以选择公共汽车出行的重要性就体现出来了。通过本次设计，目的是理解以往所学的知识，掌握数字集成电路系统设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养自己的实际动手能力以及分析解决问题的能力。手动式公共汽车报站显示电路为乘客正确上下车占据重要地位，因为它们发出的信号显示汽车到站情况，对乘客正确到站上下车提供帮助。 第一章 系统概述1.1 设计意义 如今的时代，万物日新月异，在汽车领域中，这种变化也同样存在。现在，汽车不仅仅是主要的交通工具之一，同时也是时尚和潮流的最好的体现。据有关部门统计，大城市交通干道的NOx和CO严重超过国家标准，汽车污染已成为主要的空气污染物，一些城市臭氧浓度严重超标，已具有发生光化学烟雾污染的潜在危险，所以选择公共汽车出行的重要性就体现出来了。再者公交车上大多人源比较多，可能看不到窗外，因而乘客错下公交车的可能性就大大增加了。因此为了方便乘客，便发明了报站电路。公共汽车为广大乘客出行提供了很大的方便，它在现代高科技生活中扮演着重要的角色。本次设计的是手动式公共汽车报站显示电路，它的主体电路是用CMOS集成芯片来实现的。利用红色发光二极管来模拟公交路线的站数，数码管模拟语音信号。实现了较简单的逻辑功能。重点是通过本次设计过程，了解和掌握逻辑电路的设计、分析。1.2 设计指标本设计是手动式公共汽车报站显示电路，公交线路有10个站(用发光二极管模拟)，用七段数码管模拟语音信号。当公交车到达第一站时，第一个发光二极管亮；当有乘客需要在这站上下车时，公交司机按下按键开关，数码管显示0，以此类推。1.3 总体设计方案CMOS电子技术是当前发展最快的学科之一。由于半导体技术的迅速发展，微型计算机的广泛应用，所以CMOS电子技术在现代科学技术领域中占很重要的地位，应用也更加广泛。如自动控制、计算机应用等。CMOS电路的设计过程和方法也在不断的发展和完善。此次设计的手动式公共汽车报站显示电路很大程度上是依据所学的数字电子技术的专业知识，其原理简单易懂。1.3.1 设计思想根据以定的设计指标，用发光二极管来模拟公交路线的站数，用七段数码管模拟语音信号。当公交车到达第一站时，第一个发光二极管亮；当有乘客需要在这站上下车时，公交司机按下按键开关，数码管显示0，以此类推。1.3.2 总体电路结构框图根据以上设计分析与功能描述，可得出公共汽车报站显示电路的结构框图，如图1-1所示。整个电路可由秒脉冲产生电路、单稳态触发电路、十进制分频电路与显示驱动电路四个部分组成。秒脉冲产生电路单稳态触发电路译码显示驱动电路十进制计数电路 图1-1手动式公共汽车报站显示电路的结构框图1.3.3 方案的论证与比较本设计采用模块化的设计方式，从结构框图看电路有五个单元电路组成，每个单元实际上都是独立的电路，有几个单元电路有很多种设计方案，面对这些方案，要通过各方面比较选出最合适的方案。1. 秒脉冲电路的选择方案一：由门电路构成的多谐振荡器。当电源电压波动时，会使振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压及外界干扰的影响，因此频率稳定性较差。方案二：石英晶体多谐振荡器虽然可以得到频率稳定性极高的脉冲波形，但本次设计对脉冲信号的要求是1HZ左右即可，学校实验室现有的石英晶体基本为6MHZ和12MHZ，想要得到1HZ的频率还需通过大量的分频电路，会使电路显的十分复杂。方案三：由集成施密特触发器组成多谐振荡器。通过电容值和可调的电阻值来确定输出矩形波的频率值（通常为10HZ），并且集成施密特触发器具有较好的性能，其正向阈值电压UT+和负向阈值电压UT-也很稳定，有很强的抗干扰能力，使用方便，电路简单可调。根据学校条件等各方面因素的分析，最终本设计采用方案三。2. 三进制计数器的选择方案一：由J-K触发器构成的三进制计数器。采用一片双JK触发器74LS76即可，此电路结构简单，成本低。方案二：由D触发器构成的三进制计数器。采用一片双D触发器74LS74以及74LS00、74LS04共同来实现，电路需要三个芯片（至少两片）。通过对方案一和方案二的比较，选择方案一进行计数器的设计。第二章 单元电路的设计2.1 秒脉冲电路的设计本设计采用集成施密特触发器CD4093组成多谐振荡器。多谐振荡器是一种脉冲产生电路，它的特点是不需要外加输入信号，而使电路能够周而复始地振荡。因此，秒脉冲电路的设计大多采用多谐振荡器。多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态，暂稳态时间的长短取决于定时元件的充放电时间，振荡周期是多谐振荡器的主要参数。多谐振荡电路必须接成正反馈。2.1.1 芯片介绍CD4093芯片管脚功能如图2-1所示，它具有4个双输入的施密特触发器电路，对于每个输入端都具有施密特触发器电路特性。当VDD=5V时，VT+=3.3V，VT- =1.8V。应当指出：不同的电源电压VDD，它的VT+和VT-的值是不一样的。图2-1CD4093内部管脚图2.1.2 秒脉冲电路的工作原理及功能由施密特触发器组成多谐振荡器时，仅需要外接一个电阻和一个电容。本电路主要用于对精度要求不高的低频振荡源，下页图2-2所示，就是CD4093构成的自激多谐振荡器的电路组成原理图（a）、工作波形图(b)和实际电路组成图。 图2-2 施密特触发器组成的多谐振荡器和工作波形示意图(a)电路原理图(b)工作波形图 (c)实际电路组成示意图从图2-2（b）中看出，接通电源后，因电容C两端初始电压为零，所以输出u0为高电平，此时电流经电阻R向电容C充电，使uI上升，当uI上升到正向阈值电压VT+时，电路迅速翻转，输出u0为低电平，这样电容C经电阻R再向输出端放电，当uI下降到负向阈值电压VT-时，电路再次翻转7。这样，电容C如此周而复始地充电和放电，电路便产生了振荡，输出矩形波。其振荡频率可通过改变R和C的大小来调节。由于采用的是CMOS施密特触发器，而且UOH=VDD，UOL=0，则根据图2-2（b）的电压波形得到计算振荡周期的公式为： (2.1) 一般情况下，当VDD=5V时，取VT+=3.3V, VT-=1.8V。2.1.3 参数计算及器件的选择秒脉冲产生电路如图2-3所示，由CD4093施密特触发器和RC定时电路构成。这里R采用10K的可变电阻，可根据需要调节R的大小，从而改变彩灯移动的时间间隔。根据式（2.1），已知VDD=5V, VT+=3.3V, VT-=1.8V。若取R=2.2K，C=220F，则=2.210322010-6S 0.5S这个结果与实际设计要求存在一些偏差，但本次设计对秒脉冲电路的精确度并不是很高要求，对于发光二极管的闪烁足以用肉眼观察到，因此此误差不影响设计本身。由以上估算可知，秒脉冲产生电路的脉冲宽度为0.5S。2.2单稳态触发电路的设计单稳态触发电路是常用的脉冲整形电路。它有一个稳定状态和一个暂稳态。在外加触发脉冲的作用下经一段时间后，又自动返回到原来的稳定状态。2.2.1 芯片介绍74LS00是一个四-2输入与非门电路即在一块集成电路含有四个独立的与非门。每个与非门有2个输入端。74LS00芯片符号及引脚排列如图2-4(a)、(b)所示。 （a）芯片符号 （b）引脚排列图2-3 74LS00芯片符号及引脚排列示意图其真值表如表2-1所示。表2-1 74LS00的真值表输 入输 出ABY0010111011102.2.2 单稳态触发电路的工作原理及功能单稳态触发电路由CT74H系列与非门和RC定时电路组成。G2输出和G1输入之间为直接耦合G1输出和G2输入之间采用RC微分电路耦合。为使电路在输入电压U1为高电平时处于G1开通、G2关闭的稳定状态要求R小于R0FF。如图2-4所示是74LS00构成的单稳态触发电路。（教师批阅：此处讲述与图2.4，与实际设计电路不符，改正之）图2-4 单稳态触发电路2.3十进制计数器电路的设计根据总体电路的设计，需要一个十进制计数器的状态来控制译码器，此电路由一片CD4017和10个发光二极管构成。10个发光二极管用来模拟公交路线的站站数。2.3.1 芯片介绍1. CD4017为十进制计数电路，其管脚功能见图2-5所示。 图2-6 CD4017的引脚图（注：Q0-Q9 计数脉冲输出端；CO：进位脉冲输渊；CP：时钟输入端；CR：清除端；INH：禁止端。）芯片的真值表见表2-2所示。表2-2 十进制计数电路CD4017管脚功能表 时钟时钟允许复位输出状态LL不变HL不变H计数器复位(Q0=H，Q1- Q9=L)LL进到下一级L不变L不变L进到下一级 2.3.2 十进制计数电路的工作原理及功能CD4017它是一片十进制计数/分频器，该器件具有关10个译码输出端，每个译码输出端通常处于低电平，具在时钟脉冲由低到高的转换过程中依次进入高电平，每个输出在高电平维持10个时钟周期中的1个时钟周期，输出10进入低电平后进位输出由低电平转到高，并能与时钟允许端连成N级。当CP输入低电平时，用来模拟公交总站数的发光二极管以每隔1S的时间循环亮；当CP输入由低电平转换到高电平时，发光二极管停止不往下循环，表示这一站有乘客上下车；当CP由高电平转换到低电平时，发光二极管又以每隔1S的时间循环亮。其电路如图2-7所示。图2-6十进制计数器计数显示原理示意图2.4 译码与显示驱动电路的设计 译码与显示驱动是由CD4510、CD4511和七段共阴数码管组成的电路，下面分别加以叙述。2.4.1 芯片的介绍CD4510十进制同步加/减计数器为可预置BCD 加减可逆计数器，该器件主要由四位具有同步时钟的D 型触发器（具有选通结构，提供T 型触发器功能）构成。具有可预置数、加减计数器和多片级联使用等功能。CD4510 具有复位CR，置数控制LD、并行数据D0D3、加减控制U/ D 、时钟CP 和进位CI 等输入。CR 为高电平时，计数器清零。当LD 为高电平时，D0D3 上的数据置入计数器中，CI 控制计数器的计数操作，CI 0 时，允许计数。此时，若U/ D为高电平，在CP 时钟上升沿计数器加1 计数；反之，在CP 时钟上升沿减1 计数。除了四个Q 输出外，还有一个进位/错位输出CO/ BO 。其中，芯片1脚为PE，2脚而Q4，3脚为P4，4脚为P1，5脚为CIN，6脚为Q1，7脚为，8脚为VSS,9脚为R,10脚为,11脚为Q2,12脚为P2,13脚为P3,14脚为Q3,15脚为CP,16脚为VDD。其管脚排列如图2-8所示。图2-7 CD4510管脚排列芯片的真值表见表2-3所示。表2-3 集成电路CD4510逻辑功能表CINU/DPER工作状态100停止计数0100加法计数0000减法计数10预置数1复位2.4.2 共阴和共阳的数码管LED的区别LED数码管的结构LED数码管也称为半导体数码管，是目前数字电路中最常用的显示器件。它是以发光二极管作笔段并按共阴极方式或共阳极方式连接后封装而成的。图所示是两种LED数码管的外形与内部结构，、分别表示公共阳极和公共阴极，ag是7个笔段电极，DP为小数点。LED数码管型号较多，规格尺寸也各异，显示颜色有红、绿、橙等。下图2-8所示为数码管LED共阴共阳型的内部结构电路。 （a）外型结构 （b） 共阴极 （c） 共阳极图2-8 LED的共阴共阳结构用万用表的hFE档检测led数码管的方法，如下图2-9所示。图2-9 万用表的hFE档检测led数码管一般可利用数字万用表的hFE档，检查LED数码管的发光情况。若使用NPN插孔，这是C孔带正电，E孔带负电。例如，在检查LTS547R型共阴极LED数码管时，从E孔插入一根单股细导线，导线引出端接（）级（第脚与第脚在内部连通，可任选一个作为（）；再从C孔引出一根导线依次接触各笔段电极，可分别显示所对应的笔段。若按5-45所示电路，将第、脚短路后再与C孔引出线接通，则能显示数字“2”。把ag段全部接C孔引线，就显示全亮笔段，显示数字“8”。（注：这里的12345678与PROTEL中的封装画图相反了一下）。检测时，若某笔段发光黯淡，说明器件已经老化，发光效率变低。如果显示的笔段残缺不全，说明数码管已经局部损坏。注意，检查共阳极LED数码管时应改变电源电压的极性。如果被测LED数码管的型号不明，又无引脚排列图，则可用数字万用表的hFE档进行测试： 判定数码管的结构类型（共阴或共阳）。 识别引脚列。 检查全笔段发光情况。 具体操作时，可预先把NPN插孔的C孔引出一根导线，并将导线接在假定的公共电极(任设一引脚)，再从E孔引出一根导线，用此导线依次去触碰被测管的其他引脚。 根据笔段发光或不发光的情况进行判别验证。测试时，若笔段引脚或公共引脚判断正确，则相应的笔段就能发光。当笔段电极接反或公共电极判断错误时，该笔段就不能发光。数字万用表hFE档所提供的正向工作电流约20mA，做上述检查绝对不会损坏被测器件。需注意的是，用hFE档或二极管档不适用于检查大型LED数码管。由于大型LED数码管是将多只发光二极管的单个字形笔段按串、并联方式构成的，因此需要的驱动电压高（17V左右），驱动电流大（50mA左右）。检测这种管子时，可采用20V直流稳压电源，配上滑线电阻器作为限流电阻兼调节亮度，来检查其发光情况。另外要注意的是，LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有12 mA，最大极限电流也只有1030 mA，所以它的输入端在5 V电源或高于TTL高电平(3.5V)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。2.4.3. 译码与显示驱动电路的工作原理及功能译码与显示驱动电路的功能是：在十进制计数输出的作用下，提供10个发光二极管控制信号，数码管用来显示对应的发光二极管。其电路图如图2-10所示。图2-10 译码与显示驱动电路示意图图2.5 公共汽车报站显示电路的总工作原理通过以上单元电路的设计，确定公共汽车报站显示电路的总工作原理图。通过以下三点来阐述其具体工作原理： 首先，通过CD4093构成的多谐振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，该脉冲信号用于提十进制计数器输入信号。 其次，CD4017构成的十进制计数器用于产生发光二极管的循环信号，此信号提供公共汽车到站的原始信号。 最后，由CD4510、CD4511和数码管构成的译码驱动电路，将得到的信号公共汽车到站的站点即输出到数码管上，实现所需功能。第三章 电路的安装及调试到这里为止，手动式公共汽车报站显示电路的设计基本完成，但此只鉴于所学理论基础上完成，将设计的电路图变成印刷板，再将电路的元件焊接在印刷板上，形成一个完整的电子产品，这一过程非常重要。实际过程中还有很多问题待解决。如设计方案的验证、调试过程中遇到的难题等，都需要进一步研究。3.1 设计方案验证目前最常用的验证方法是仿真软件验证和实验台验证，在设计前期投入了大量的时间查找资料做准备，这一验证环节也相关重要。为了更好的做到学以致用，更为便于后期制作，决定先在仿真软件验证，电子仿真软件Multisim7.0功能十分强大，能胜任电路分析、模拟电路、数字电路、高频电路、RF电路、电力电子及自控原理等各方面的虚拟仿真；并提供多达18种基本分析方法7。图3-1是本次设计方案电路，在Multisim7.0环境下仿真示意图，最终仿真显示本设计方案可行。图3-1 Multisim7.0软件下的设计电路仿真原理图通过了仿真软件验证，说明理论上的设计方案是成功的，但是实验器件不同于理想元件，它会因为所处环境不同，会受到这样那样的干扰，更不排除元器件自身的制造工艺有缺陷。使实际设计无法达到预期效果。所以实验台验证必不可少。本设计用到的芯片较多，考虑到时间及学校实验室的开放情况等诸多因数，又基于仿真软件的验证成功，对自己设计的电路有较大的信心，决定直接制板调试。3.2 电路板的制作有了以上的验证，汽车到站控制电路的设计算基本完成，接下要完成的是汽车到站控制电路的硬件制作。对于电子产品来说，电路板的设计是从电路原理图变成一个具体产品的必经之路，电路板设计的合理性与产品的生产及产品的质量密切相关。目前，我们所学过的是Protel 99 SE电子线路CAD软件，Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。Protel 99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。Protel 99 SE现有强大的功能，其完善的设计确立了在电路板设计领域出类拔萃的地位8。所以以下介绍的是通过Protel 99 SE软件制作电路板的过程9。1. 原理图在Protel 99 SE 软件中画出.SCH原理图，见图3-2所示。图3-2 Protel 99SE中毕业设计电路的原理图2. Protel 99 SE软件中，切换在Document窗口下，然后单击右键，打开New,双击“PCB Document”即建立了“PCB.PCB”文件。3. “PCB.PCB”图标，即进入其设计窗口，找出各元件的封装代号，在.SCH中对其所有元件进行封装，确定无误后导成PCB板。4. 学校条件有限，毕业设计按要求只能作成单面印刷板，所以布局及走线的设计很重要，最后的印刷板如图3-3所示。有几根线实在布不过去，采用跳线方式。图3-3手动式公共汽车报站显示电路的PCB板5. 将PCB图打印到热转印纸上，将打印好PCB的转印纸平铺在覆铜板上，通过转印机就把图印在覆铜板。6. 铜板用三氯化铁溶液腐蚀，溶液的配比为：三氯化铁占35%，水占65%左右。溶液的温度以30-50较好，温度太底，腐蚀速度慢，在腐蚀过程中最好用线吊住铜版边缘来回晃动，以加快腐蚀速度，整个腐蚀过程应在瓷盘，塑料盘中进行。7. 当覆铜板上没有保护部分的铜箔都以腐蚀掉时，应立即取出覆铜板，马上用清水冲洗，冲洗干净擦干水迹，用清洁球擦去保护漆。8. 腐蚀好的印刷板要及时钻孔，印刷电路板孔径，对一般元器件选直径1钻头，集成电路孔径选直径0.8钻头，因钻头细小，钻孔时不得用力过猛，否则会弄断钻头。9. 再次处理，为了美观起见，要尽量将多余的板去掉，四个角磨成原弧状。10. 涂刷保护膜，其目的是保护印刷电路板的覆铜面不再被氧化和提高可焊性。保护膜选用松香液，松香液的配方是松香粉25%，纯酒精75%，松香液蒸发很快，在涂刷过程中要快速刷好，不要来回刷，干燥后方可使用。11. 根据原理图将相应的元件安装在印刷板上，并进行焊接。焊接过程要注意虚焊和假焊问题。3.3 故障分析及解决在手动式公共汽车报站显示电路的调试过程中，故障的存在是正常的，关键在于我们是如何进行故障的排除。因为之前的电路是经过验证的，所以本次调试过程中没有出现很大的电路原理问题，调试过程也较顺利，只出现下面两个小问题。1. 接上电源后，拨动开关，发光二极管没反应这个故障的产生，原因有很多，但是最大的可能是脉冲电路有问题，在实验室用示波器对脉冲电路进行检测（即CD4093的3引脚），没有预想中的方波出现，证明脉冲产生电路存在问题。确定故障所在之后就要解决，对脉冲电路的原理是通过仿真软件验证的，应该是不会出错的，参数的理论计算也是成功的，检查原理图，发现10个发光二极管没有接地线，用导线将发光二极管与地线连接，理想中的方波终于产生，发光二极管亮，问题解决。2. 发光二极管隔一盏才会亮脉冲电路的问题解决以后，发现接上电源之后，发光二极管仍然有两个不亮，断开电源，重新检查电路，发先二极管附近的电路有一段是没连好的，用焊丝焊上去以后，问题解决，发光二极管正常工作。这个问题是在制板过程中出现的，可能是腐蚀的过久，把铜线给腐蚀掉了；也可能是在清洗过程中，清洁球擦的太用力，那里的铜线又是比较细的，导致铜线断开。结 论 经过这么长一段时间的工作，本次设计也接近尾声，我想这次设计，让我系统的整理了自己大学期间所学过的知识，首先选定课题、确定设计方案，我进行了大量资料的收集、选择及整合。其次通过电脑软件画出PCB板到最后的调试成功，整个过程让我有了独立思考及解决问题的能力，对于自己所设计的公共汽车报站显示电路有了更深层次的认识。本次设计的难点是在于各个单元电路的连接及电路的细节设计，需要有一个很清楚的条理，才能把所学过的知识串联起来，使整体电路设计完整。整个过程，遇到很多问题，特别是调试不出来的时候，心中总是有点灰心，更是有放弃的冲动，但是，最后还是坚持下来，静下心来，仔细查找原因。本次设计主要涉及到一些中、小规模集成电路芯片，运用集成电路的知识实现公共汽车报站显示的功能。不足之处是对实际情况考虑不够，设计还存在一定的偏差，如现实情况中的语音报站现象。手动式公共汽车报站显示电路在今天这个环境污染日益严重的社会扮演着很重要的角色，值得我们去研究。通过本次设计，收益非浅，深深的体会就是：学电子切记好高鹜远，凡是都得亲历亲为。对于自己花心血做出来的东西，的确有很大的成就感。毕业在即，这次设计对今后的工作做了一个很好的铺垫。参考文献 1 潘永雄，沙河电子线路CAD实用教程M西安电子科技大学生出版社，2004: