依次流动式发光信息灯的电路设计

第0页共18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。本课题设计了一个能显示“STOP”字样的信息灯，把它安装在汽车的后窗上，使后面跟随的车都能看到前方汽车的刹车信息，从而有效的防止追尾事故的发生。为了提高信息灯的醒目程度，可以将显示设计成：依次流动式、依次增加式、或一亮一灭式等。关键词数字电路；信息灯；依次流动目录摘要.1第1章绪论.2第2章方案设计.3第3章单元电路设计.43.1移位寄存器.43.1.1触发器的选择.43.1.2移位寄存器电路设计.73.2脉冲产生电路设计.83.3显示电路设计.113.4复位电路设计.12总结.14致谢.15参考文献.16附录1总电路原理图.17附录2元件明细表.18第1页共18页第1章绪论生活中经常可以看到汽车后窗上安装有刹车灯或者其他信息灯，灯安装在汽车后窗一定的高度上，使后面跟随的车都能看到前方汽车的刹车信息，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、硬件与软件相结合的综合性设计，通过运用Protelforwindows软件及阵列逻辑器件，设计了可控LED信息灯。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18页第2章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。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4321Q有效工作状态。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的输出端输出低电平，输出端输出高电平。经过非门74LS04构成的QQ缓冲电路输出低电平将电路导通，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，端输出为高电平，经缓冲电路后，电路导通，使显示Q“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。显示部分移位寄存器脉冲电路复位电路第3页共18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触发器逻辑符号同步RS触发器的特征方程:QRSn10同步RS触发器功能表如表3-1所示。第4页共18页表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2JK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。图3-2JK触发器逻辑符号JK触发器的特征方程：nnQKJ1JK触发器功能表如表3-2所示。JCPKQJCLLLLLK第5页共18页表3-2JK触发器功能表JKnQ1n功能00000011保持01000110置010011011置111011110翻转、取反3D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，为便于第6页共18页控制，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。1Q234D2Q5Q6CLK341PRECLR74LS74D2Q5Q6CLK341PRECLR74LS74D2Q5Q6CLK341PRECLR74LS741245674LS20+5位位位位D2Q5Q6CLK341PRECLR74LS74Q1Q2Q3Q4位位位图3-4四位右移位寄存器电路图2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QD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。电路的特征方程：nnnQD432112nn314电路真值表如表3-4所示。第7页共18页表3-4移位寄存器输出真值表QCP1Q234显示01111熄灭0111S1011T1101O1110P1111熄灭由D触发器构成的右移位寄存器波形图如图3-5所示。图3-5四位右移位寄存器时序图由真值表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1Q态也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1送给第二个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2送给下一个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，有起统帅全局作用第8页共18页的时钟脉冲，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SR3G小,通常为100左右，为保证电路正常工作，要求,否则会使门总OF3处于开启状态，电路不能正常起振。图3-8为RC环形振荡器的电路图。123G1123G2123G3RRsCU01U02U13U05V图3-8RC环形振荡器2工作原理根据电路和波形图分析原理如下：（1）设=0期间，电路处于第一暂稳态：导通，截止,截止，t1G23G,在此暂稳态期间，电容C通过R进行充电，充电时间LV0oh2thV03常数(因)。随着C的充电，使按指数规律CRRA)()/(1111RV上升，当时刻，上升到阈值电平(1.4V)时维持关闭的条件被破坏，使tTHV3(即)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03V1G01不能突变，使随向上跳变，同样的数值，从而使电回翻转到导通的状态，R01V3G此为第二暂稳态。（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,随RA2第9页共18页着放电的进行，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3G0R01果使电路迅速返回到，截止，导通，截止的第一暂稳态，此后C又充电，3G12G重复上述过程，形成周期的振荡。环形振荡器工作波形如图3-9所示。图3-9脉冲电路工作波形图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2Wt充放电的过程的分析，设=3.5V,=1.4V,则：ohth第10页共18页RCtW26.1)/(9802则tTW)/(.6.1121当时，上式可进一步简化成：R1RC.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。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Q们可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Q就这样原封不动的在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。第11页共18页图3-10串联LED如果使用220的电阻，则流过LED的电流为：,LED的最大电流是50mA当电源是12V时可以串联4个mAI6.230)8.612(LED，由于正向电压的最大值是2.4V，当电压为5V时可以串联2V6.94.2个LED。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。第12页共18页图3-11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第13页共18页图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，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Q高电平了。第14页共18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解决问题的能力。通过这些经验希望能给自己今后的学习工作提供帮助。第15页共18页致谢历时三个月的毕业设计的论文已完成，在作毕业设计期间，曾经遇到了许多的困难，但在老师、同学的帮助及自己的不断努力下得以一一解决，使的我的知识也有了很大程度的提高。在此，谨向帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢！尤其要感谢在毕业设计过程中弥锐老师对我的悉心指导；感谢学院提供的一些硬件设施上的帮助；还有实训室老师在画原理图上所给的宝贵意见；很感激学院让我们有这次学习的机会。这次毕业设计对于我们没有真正实践经验的同学来说，绝对是一次成长的机会。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师，表示衷心地感谢！第16页共18页参考文献1祝惠芳，徐忠山.脉冲与数字电路.成都：电子科技大学出版社，19992邱寄帆，唐程山.数字电子技术.北京：人民邮电出版社，2005