救护车鸣笛闪光设计..

大学大学 数字电子技术 课程设计 题 目 救护车鸣笛及闪灯 学生姓名 专业班级 学 号 院 系 指导教师 目 录 1 课程设计的目的 1 1 1 概述概述 1 1 2 目的目的 1 2 课程设计的任务与要求 2 2 1 设计任务设计任务 2 2 2 设计要求设计要求 2 3 设计方案与论证 2 3 1 提出方案一提出方案一 2 3 2 方案论证 5 4 设计原理及功能说明 5 4 1 电路原理电路原理 6 4 2 功能说明功能说明 7 5 单元电路设计 8 5 1 单元电路介绍单元电路介绍 8 5 2 相关性能指标计算相关性能指标计算 9 5 3 MultisimMultisim 11 011 0 软件仿真软件仿真 10 6 硬件制作与调试 10 6 1 硬件制作过程硬件制作过程 10 6 2 硬件测试硬件测试 11 7 总结 12 参考文献 14 附录 1 总体电路原理图 15 附录 2 元器件清单 16 0 1 课程设计的目的 1 1 概述 警示灯在我们日常生活中用处非常广泛 例如 警示灯一般用在维护道路 安全 通常是用在警车 工程车 消防车 急救车 防范管理车 道路维修车 牵引车 紧急 A S 车 机械设备等开发 在我们日常生活中和工农业生产中 有好多情况下 需要安装警示灯或标 志灯 以提醒人们注意 例如 道路施工时 需在施工现场挂上红色安全警示 灯 以确保行人和行车的安全 高层建筑物的顶端按有关的规定必须设置红色 警示灯 以确保飞机安全飞行 为引起大家注意 在一般情况下 多采用红色 的警示灯 且最好能发出闪烁光 但有时后在某些情况下又不需要其工作 比如 某些大型的器物 白天很明显 只需在夜间提醒人们注意 闪烁警示灯在现实 生活中的应用十分广泛 主要是起到警示的作用 本次设计是闪烁警示灯 主 要利用的是多谐振荡器的原理 多谐振荡器又称为无稳态触发器 它没有稳定 的输出状态 只有两个暂稳态 1 2 目的 此次设计就是设置一种闪烁警示灯 利用 NE555 定时器的原理 设置一种 可以掩延时的警示装置 主 555 定时器成本低 性能可靠 只需要外接几个电 阻 电容 就可以实现多谐振荡器 单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生 与变换电路 它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表 家用电器 电子测量及 自动控制等方面 要是利用多谐振荡器功能 自由多谐振荡器不具有稳态 只 有两个暂稳态 暂稳态的时间长短由自由电路的定时元件确定 从而可以设计 一种灯光闪烁时间间隔不同的闪光灯 此次设计主要学会怎么怎样结合数电知 识去实现需要的电路功能 直线课本知识向实际应用的转化 根据上学期课本上学习的知识 以数字电子电路为基础 设计电路图运用 到实际生活中 并达到一定的实际运用效果 学会结合数电知识 联系实际情 况设计一种实用性强的警示装置 1 2 课程设计的任务与要求 2 1 设计任务 1 从稳定性 可靠性 实用性 经济性选择电子线路和电子器件 从而找到 适合的功能电路 2 通过网络查阅和图书馆资料 培养并提高独立分析问题和解决问题的能力 3 了解一些常用电子器件的类型和特性以及使用方法 4 学会电子电路的焊接 安装与调试技能 5 学会如何把课本上的理论知识转化为实际运用 2 2 设计要求 1 打印 数字电子技术 课程设计说明书一份 给出课题的设计和制作 调 试 2 根据技术指标要求 画出设计电路图 画出印制电路版图 3 设计时间 一周 4 学会制作 PCB 板 5 人员分组 三人一组一实物 选择同一课题的电路相同 但课程设计报告 不能完全相同 在某些场合需要设置警示灯 以避免危险事故的发生 例如交通警示灯可 以给人们起警示作用 避免交通事故的发生 警示灯的用处十分广泛 3 设计方案与论证 3 1 提出方案一 使用 51 单片机做控制 然后利用汇编或者 C 语言的简单编程可实现 利 2 用单片机原理设计可以很容易的实现电路的设计 并达到很好的效果 提出方案二 题目要求是蓝灯闪一下 然后红灯闪一下 可利用两个 555 振荡电路相互 协调就可以实现交替闪烁 首先要实现单个灯闪烁 并初步确定充放电的电容 电阻值的范围 然后再考虑两个灯怎样实现交替闪烁 理论上可以把两个电路 的 3 角输出接到一起 通过高低电频的阻断作用实现交替闪烁 通过进一步的 分析论证并在软件上进行调试 得出方案可行的结论 并且实现起来比较简单 所用元器件较少 基本达到了题目所要求的功能 多谐振荡器是一种无稳态电 路 在他接通电源后 不需要外加出发信号 电路的状态就能够自动地不断变 换 产生矩形波输出 从而产生多谐振荡 波形的变化引起电路电流的变化 从而可以控制发光二极管闪烁功能 图 3 1 电路流程图 方案的选择 方案一 优点 电路简单 理论上可以实现警示功能 缺点 涉及到单片 机 本学期学习课程未涉及 故不采纳 方案二 优点 通过多谐振荡器功能 能对灯光的闪烁时间进行控制 可以 改变电阻大小改变灯的闪烁时间 缺点 此方案相对于方案一可实施性强 结论 可行 3 11 设计思路 设计思路 如图下图所示 是由两个 NE555 及其周围电阻构成的多谐振荡 电路 音频 输出 3 器 利用多谐振荡器的特性 即不具有稳态 只有两个暂稳态 控制红 绿两 个 LED 灯的闪烁频率 图 3 2 电路设计图 1 识图指导 图中 LMC555CM 是 555 定时器 对于 U1 来说 它与周围电阻 R1 R2 及其电容 C1 C3 构成多谐振荡器 由于接通电源前电容两端电压为 零 电源刚接通时 经输出缓冲后的 3 端输出高电平放电管处于截止状态 电 源电源通过 R1 R2 对电容充电 经过一段时间后 3 端输出低电平 放电管导 通 进入第一暂稳态 如此反复 便产生矩形输出波形 电路通上 6V 电源后 U1 U2 形成多谐振荡电路并开始工作 由于 U2 的 震荡频率比 U1 的震荡频率低 这取决于电阻 R2 与 R4 的大小 电阻越大震荡 频率越低 这时 U1 和 U2 都分别输出了震荡频率不同的脉冲 当 U2 的 3 脚 输出为高电平时 对 U1 的输出起到了阻断作用 使得 LE2 不亮 LE1 亮 当 U2 输出为低电平时 LE2 亮 LE1 不亮 通过对时间常数的计算 使得 LE2 闪亮一次 LE1 再亮 这样交替循环即能达到闪光警灯的效果 如果想改变 LE1 LE2 之间的闪烁时间间隔 我们可以通过理论计算 改变电阻 R2 R4 阻 值的大小 从而改变多谐振荡器的震荡周期 即 U1 U2 的振荡周期时间间隔 变大 从而达到改变闪烁时间的延长或者缩短 4 3 2 方案论证 本次设计的闪烁警示灯电路主要是由两个 555 定时器构成 运用数字电子 电路中的知识 制作一款实用性的闪烁灯 电路设计的最大特点是没有开关控制 我们学过数电知道 555 定时器可 以起到开关作用 555 定时器是目前应用十分广泛的一种器件 NE555 内部包 括两个电压比较器 三个等值串联电阻 一个 RS 触发器 一个放电管 T 及 功率输出级 两个比较器 C1 和 C2 各有一个输入端连接到三个电阻 R 组成的 分压器上 比较器的输出接到 RS 触发器上 此外还有输出级和放电管 输出 级的驱动电流可达 200mA NE555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件 它提供两 个基准电压 VCC 3 和 2VCC 3 NE555 定时器的功能主要由两个比较器所决 定 在电源与地之间加上电压 当 5 脚悬空时 则电压比较器 A1 的反相输 入端的电压为 2VCC 3 A2 的同相输入端的电压为 VCC 3 若触发输入端 TR 的电压小于 VCC 3 则比较器 A2 的输出为 1 可使 RS 触发器置 1 使 输出端 OUT 1 如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC 3 同时 TR 端的电 压大于 VCC 3 则 A1 的输出为 1 A2 的输出为 0 可将 RS 触发器置 0 使输出为 0 电平两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态 以 与其它电路构成脉冲电路 脉冲的变化可以引起后边电流变化 再加上其它元 器件的组成 即可以起到开关的作用 由电路图可以看到电路是多谐振荡器的 组成 多谐振荡器又称为无稳态触发器 它没有稳定的输出状态 只有两个暂 稳态 在电路处于 某一暂稳态后 经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳 态 两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波 多谐振荡器可用作方波发 生器 由于两个暂稳态分别控制 LED1 LED2 通过改变 R2 R4 的电阻阻值 大小 可以控制 LED1 LED2 闪烁时间之间的间隔 5 4 设计原理及功能说明 4 1 电路原理 图 4 1 NE555 结构图 接通电源后 假定是高电 平 则 T 截止 电容 C 充电 充电回路是 VCC R1 R2 C 地 按指数规律上升 当上升到时 TH 端电平大于 输出翻转为低电平 是低电平 T 导通 C 放电 放电回路为 C R2 T 地 按指数规律下降 当下降到时 TH 端电平小于 输出翻转为高电平 放电 管 T 截止 电容再次充电 如此周而复始 产生振荡 经分析可得 R1 10K R2 200K C 10uf C1 0 01uf Tw1 0 46 D 0 5 输出高电平时间 T R1 R2 Cln2 输出低电平时 间 6 T R2Cln2 振荡周期 T R1 2R2 Cln2 输出方波的占空比为 4 2 功能说明 NE555 定时电路是目前应用十分广泛的一种器件 本次试验选用的是 NE555 定时器 NE555 定时器可以输出矩形波形 它的基本组成部分 由 3 个 5K 欧姆电阻组成的分压器 两个高精度电压比较器 一个基本 RS 触发器 一 个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成 555 定时器功能介绍 如图所示 图 4 2 NE555 实物图 555 定时器成本低 性能可靠 只需要外接几个电阻 电容 就可以实 现多谐振荡器 单稳态 触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路 它也 常作为定时器广泛应用于仪器仪表 家用电器 电子测量及自动控制等方面 555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图所示 它内部包括两个 电压比较器 三个等值串联电阻 一 个 RS 触发器 一个放电管 T 及功率 输出级 它提供两个基准电压 VCC 3 和 2VCC 3 7 555 定时器的功能主要由两个比较器决定 两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态 在电源与地之间加上电压 当 5 脚悬空时 则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC 3 C2 的反相输入端的电 压为 VCC 3 若触发输入端 TR 的电压小于 VCC 3 则比较器 C2 的输出 为 0 可使 RS 触发器置 1 使输出端 OUT 1 如果阈值输入端 TH 的电 压大于 2VCC 3 同时 TR 端的电压大于 VCC 3 则 C1 的输出为 0 C2 输 出为 1 可将 RS 触发器置 0 使输出为 0 电平 它的各个引脚功能如下 1 脚 外接电源负 端 VSS 或接地 一般情况下接地 8 脚 外接电源 VCC 双极型时基电路 VCC 的范围是 4 5 16V CMOS 型时基电路 VCC 的范围为 3 18V 一般用 5V 3 脚 输出端 Vo 2 脚 低触发端 6 脚 TH 高触发端 4 脚 是直接清零端 当此端接低电平 则时基电路不工作 此时不论 TR TH 处于何电平 时基电路输出为 0 该端不用时应接高电平 5 脚 VC 为控制电压端 若此端外接电压 可改变内部两个比较器的基 准电压 当该端不用时 应将该端串 入一只 0 01 F 电容接地 以防引入干 扰 7 脚 放电端 该端与放电管集电极相连 用做定时器时电容的放电 5 单元电路设计 5 1 单元电路介绍 NE555 振荡电路图 8 图 5 1 NE555 震荡电路 电路工作原理电路工作原理电路工作原理电路工作原理 多谐振荡器是能 够产生一种自激振荡的电路 由于矩形波中含有丰富的高次谐波 故称为多谐 振荡电路 多谐振荡电路没有稳态 只有两个暂稳态 在自身因素的作用下两 个暂稳态之间来回转换 故又称为无稳态电路 由 555 定时器构成的振荡电路 如上图所示 R1 R2 和 C 是外接定时元件 电路中将高电平触发端 6 脚和低 电平触发端 2 脚并接后接到 R2 和 C 的连接处 将放电端 7 脚接到 R1 和 R2 的 连接处 由于接通电源的瞬间 电容 C 还来不及充电 电容器两端的电压 Uc 为低电平 小于 1 3Vcc 故 2 6 脚均为低电平 输出 Uo 为高电平放电管 VT 截止 这时 电源经 R1 R2 对电容 C 充电 使电压 Uc 上升 当 Uc 上升到 2 3Vcc 时输出 Uo 为低电平 放电管 VT 导通 把电压从 1 3Vcc 上升到 2 3Vcc 这段时间的状态称为第一暂稳态 起维持时间的长短与电容的充电时间有关 充电时间常数 T R1 R2 C 由于 VT 导通 电容 C 通过电阻 R2 和放电管 放电 电路进入了第二暂稳态 其维持时间的长短与电容放电时间有关 放电 时间常数 T R2xC 随着 C 的放电 Uc 下降 当 Uc 下降到 1 3Vcc 时 输出 U0 为高电平 放电管 VT 截止 Vcc 再次对电容 C 充电 电路又进入第一稳态 接通电源后电路在两个稳态之间来回翻转 则可输出矩形波 电路一旦起振后 Uc 的电压总是在 1 3 2 3Vcc 之间变化 5 2 相关性能指标计算 电容充电时间 T1 9 输出高电平时间 T R1 R2 Cln2 输出低电平时间 T R2Cln2 振荡周期 T R1 2R2 Cln2 电路震荡周期 T T T1 T2 0 7 R1 2R2 C 5 3 Multisim 11 0 软件仿真 利用 Multisim 11 0 软件对整体电路设计进行软件仿真 检测所设计电路是 否可行 然后再软件上检测每个单元电路各段电压 电流大小 并观察仿真最 后 结果 用示波器代替扩音器现实输出波形 如下图所示 10 图 5 2 仿真测试图 6 硬件制作与调试 6 1 硬件制作过程 根据仿真软件所设计的电路图 我们将此电路图运用到实际焊接中 首先 就是要根据电路图 如何连接实物图 必须满足一下要求 第一 布局要合理 是的实物电路图布局对称好看 第二 在布局的时候要考虑到如何使用更短的 导线 根据焊接需要 要尽可能短的使用导线 选择好与器件 并认真测试元 器件的参数 将印制电路板的排版设计好并制作 最重要的是知道一些基本元 器件的使用方法 以及会如何去安装一些电器元件 如本次试验中所用到的 NE555 定时器 要会如何会识别各个管脚位置 在焊接过程中 怎么样去连接 各个管脚与其他电阻电容的连接 根据电路图连接好实物图 根据布局要求适 当的改变一下电阻位置 电路图不变 根据实际要求的电路图 电路布局入下 图所示 11 图 6 1 电路实物图 6 2 硬件测试 1 通电观察 先将直流稳压电源接入电路 此时观察电路有无异常现象 包括有无冒烟 是否有异常气味 手摸元器件是否发烫 以及电源有否被短路等 如果出现异 常 应立即切断电源 并待排除故障后才能再次通电 经过通电观察 确认电 路已能进行测量后 方可转入正常调试 2 电路调试 按电路图焊接组装好后 可进行调整 在调整过程中 未能达到预期的效 果 当接通直流电源时 两个 LED 灯一直闪烁 并没有按照预期效果闪烁 红 灯没有起到延时作用 接通电源 红灯就一直亮 而绿灯可以达到延时的效果 经过检查电路各个元器件的安装 与电路图对比 没有发现有错的地方 12 此次调试过程中 未能达预期效果 在测试过程中 当接通电源电压时 两个灯并没有出现交替闪烁的情况 而是红灯闪烁频率太大 一直闪烁 即延 时的时间短暂 红灯一直闪烁 而绿灯出现闪烁延时 电路仿真图 图 6 2 仿真测试图 7 总结 1 通过本次实验 让我更加了解了设计电路的程序 也让我了解了关于闪 烁警示灯的基本原理与设计理念 要设计一个电路本来要先用仿真仿真成功之 后才实际接线的 也使我透彻地了解了 NE555 定时器工作原理及相关特性 多 谢振荡器的工作原理 2 当然在整个课程设计的过程当中也遇到了一些问题 比如说在设计原理 图的时候