毕业设计手动式公共汽车报站显示电路的设计样本

手动式公共汽车报站显示电路设计摘要本文设计了手动式公共汽车报站显示电路。它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构成。通过对秒脉冲产生电路分析，采用施密特触发器构成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、一种电阻和一种电容。译码驱动显示电路使用了CD4510、CD4511和七段共阴数码管来实现。本电路具备公共汽车到站显示功能。通过对所设计手动式公共汽车报站显示电路进行实验测试，最后实现整体电路所有功能。该电路具备成本低、性能稳定等诸多长处。核心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总体电路构造框图 51.3.3方案论证与比较 5第二章单元电路设计 62.1秒脉冲电路设计 62.1.1芯片简介 62.1.2秒脉冲电路工作原理及功能 62.1.3参数计算及器件选取 72.2单稳态触发电路设计 82.2.1芯片简介 82.2.2单稳态触发电路原理及功能 92.3十进制计数电路设计 92.3.1芯片简介 92.3.2十进制计数电路工作原理及功能 102.4译码与显示驱动电路设计 112.4.1芯片简介 112.4.2数码管构造 122.4.3译码与显示驱动电路工作原理及功能 142.5手动式公共汽车报站显示电路总工作原理 14第三章电路安装及调试 163.1设计方案验证 163.2电路板制作 173.3故障分析及解决 19结论 20参照文献 21致谢 22附录1总原理图 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社会，是数字集成电路广泛应用社会。数字集成电路自身在不断地进行更新换代。它由初期电子管、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)以及许多具备特定功能专用集成电路。本次设计基本上采用都是“数字集成电路”。在当代社会中，汽车已成为不可缺少交通工具，不单单是一种代步工具，更是一种社会生活水平象征。但是，汽车在带给咱们迅速、便捷同步，也带来了大量带来了大量环境污染。据关于部门记录，大都市交通干道NO2和CO严重超过国标，汽车污染已成为重要空气污染物，某些都市臭氧浓度严重超标，已具备发生光化学烟雾污染潜在危险，因此选取公共汽车出行重要性就体现出来了。通过本次设计，目是理解以往所学知识，掌握数字集成电路系统设计和调试办法，增长集成电路应用知识，培养自己实际动手能力以及分析解决问题能力。手动式公共汽车报站显示电路为乘客对的上下车占据重要地位，由于它们发出信号显示汽车到站状况，对乘客对的到站上下车提供协助。系统概述设计意义如今时代，万物日新月异，在汽车领域中，这种变化也同样存在。当前，汽车不但仅是重要交通工具之一，同步也是潮流和潮流最佳体现。据关于部门记录，大都市交通干道NOx和CO严重超过国标，汽车污染已成为重要空气污染物，某些都市臭氧浓度严重超标，已具备发生光化学烟雾污染潜在危险，因此选取公共汽车出行重要性就体现出来了。再者公交车上大多人源比较多，也许看不到窗外，因而乘客错下公交车也许性就大大增长了。因而为了以便乘客，便创造了报站电路。公共汽车为广大乘客出行提供了很大以便，它在当代高科技生活中扮演着重要角色。本次设计是手动式公共汽车报站显示电路，它主体电路是用CMOS集成芯片来实现。运用红色发光二极管来模仿公交路线站数，数码管模仿语音信号。实现了较简朴逻辑功能。重点是通过本次设计过程，理解和掌握逻辑电路设计、分析。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(用发光二极管模仿)，用七段数码管模仿语音信号。当公交车到达第一站时，第一种发光二极管亮；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。总体设计方案CMOS电子技术是当前发展最快学科之一。由于半导体技术迅速发展，微型计算机广泛应用，因此CMOS电子技术在当代科学技术领域中占很重要地位，应用也更加广泛。如自动控制、计算机应用等。CMOS电路设计过程和办法也在不断发展和完善。本次设计手动式公共汽车报站显示电路很大限度上是根据所学数字电子技术专业知识，其原理简朴易懂。1.3.1设计思想依照以定设计指标，用发光二极管来模仿公交路线站数，用七段数码管模仿语音信号。当公交车到达第一站时，第一种发光二极管亮；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总体电路构造框图依照以上设计分析与功能描述，可得出公共汽车报站显示电路构造框图，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某些构成。秒脉冲产生电路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构造框图1.3.3方案论证与比较本设计采用模块化设计方式，从构造框图看电路有五个单元电路构成，每个单元事实上都是独立电路，有几种单元电路有诸各种设计方案，面对这些方案，要通过各方面比较选出最适当方案。1.秒脉冲电路选取方案一：由门电路构成多谐振荡器。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影响，因而频率稳定性较差。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脉冲波形，但本次设计对脉冲信号规定是1HZ左右即可，学校实验室既有石英晶体基本为6MHZ和12MHZ，想要得到1HZ频率还需通过大量分频电路，会使电路显十分复杂。方案三：由集成施密特触发器构成多谐振荡器。通过电容值和可调电阻值来拟定输出矩形波频率值（普通为10HZ），并且集成施密特触发器具备较好性能，其正向阈值电压UT+和负向阈值电压UT-也很稳定，有很强抗干扰能力，使用以便，电路简朴可调。依照学校条件等各方面因素分析，最后本设计采用方案三。2.三进制计数器选取方案一：由J-K触发器构成三进制计数器。采用一片双JK触发器74LS76即可，此电路构造简朴，成本低。方案二：由D触发器构成三进制计数器。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比较，选取方案一进行计数器设计。第二章单元电路设计2.1秒脉冲电路设计本设计采用集成施密特触发器CD4093构成多谐振荡器。多谐振荡器是一种脉冲产生电路，它特点是不需要外加输入信号，而使电路可以周而复始地振荡。因而，秒脉冲电路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，暂稳态时间长短取决于定期元件ＲＣ充放电时间，振荡周期Ｔ是多谐振荡器重要参数。多谐振荡电路必要接成正反馈。2.1.1芯片简介CD4093芯片管脚功能如图2-1所示，它具备4个双输入施密特触发器电路，对于每个输入端都具备施密特触发器电路特性。当VDD=5V时，VT+=3.3V，VT-=1.8V。应当指出：不同电源电压VDD，它VT+和VT-值是不同样。图2-1CD4093内部管脚图2.1.2秒脉冲电路工作原理及功能由施密特触发器构成多谐振荡器时，仅需要外接一种电阻和一种电容。本电路重要用于对精度规定不高低频振荡源，下页图2-2所示，就是CD4093构成自激多谐振荡器电路构成原理图（a）、工作波形图(b)和实际电路构成图。图2-2施密特触发器构成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)实际电路构成示意图从图2-2（b）中看出，接通电源后，因电容C两端初始电压为零，因此输出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。其振荡频率可通过变化R和C大小来调节。由于采用是CMOS施密特触发器，并且UOH=VDD，UOL=0，则依照图2-2（b）电压波形得到计算振荡周期公式为：(2.1)普通状况下，当VDD=5V时，取VT+=3.3V，VT-=1.8V。2.1.3参数计算及器件选取秒脉冲产生电路如图2-3所示，由CD4093施密特触发器和RC定期电路构成。这里R采用10KΩ可变电阻，可依照需要调节R大小，从而变化彩灯移动时间间隔。依照式（2.1），已知VDD=5V，VT+=3.3V，VT-=1.8V。若取R=2.2KΩ，C=220μF，则=2.2×103×220×10-6×㏑S≈0.5S这个成果与实际设计规定存在某些偏差，但本次设计对秒脉冲电路精准度并不是很高规定，对于发光二极管闪烁足以用肉眼观测到，因而此误差不影响设计自身。由以上估算可知，秒脉冲产生电路脉冲宽度为0.5S。2.2单稳态触发电路设计单稳态触发电路是惯用脉冲整形电路。它有一种稳定状态和一种暂稳态。在外加触发脉冲作用下﹐经一段时间后，又自动返回到本来稳定状态。2.2.1芯片简介74LS00是一种四-2输入与非门电路﹐即在一块集成电路具有四个独立与非门。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2-374LS00芯片符号及引脚排列示意图其真值表如表2-1所示。表2-174LS00真值表输入输出ABY0010111011102.2.2单稳态触发电路工作原理及功能单稳态触发电路由CT74H系列与非门和RC定期电路构成。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为高电平时处在G1开通、G2关闭稳定状态﹐规定R不大于R0FF。如图2-4所示是74LS00构成单稳态触发电路。（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设计依照总体电路设计，需要一种十进制计数器状态来控制译码器，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仿公交路线站站数。2.3.1芯片简介1.CD4017为十进制计数电路，其管脚功能见图2-5所示。图2-6CD4017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容许复位输出状态L×L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工作原理及功能CD4017它是一片十进制计数/分频器，该器件具备关10个译码输出端，每个译码输出端普通处在低电平，具在时钟脉冲由低到高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，并能与时钟容许端连成N级。当CP输入低电平时，用来模仿公交总站数发光二极管以每隔1S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，表达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设计译码与显示驱动是由CD4510、CD4511和七段共阴数码管构成电路，下面分别加以论述。2.4.1芯片简介CD4510十进制同步加/减计数器为可预置BCD加减可逆计数器，该器件重要由四位具备同步时钟D型触发器（具备选通构造，提供T型触发器功能）构成。具备可预置数、加减计数器和多片级联使用等功能。CD4510具备复位CR，置数控制LD、并行数据D0～D3、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，D0～D3上数据置入计数器中，CI控制计数器计数操作，CI＝0时，容许计数。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，尚有一种进位/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2-7CD4510管脚排列芯片真值表见表2-3所示。表2-3集成电路CD4510逻辑功能表CINU/DPER工作状态1×00停止计数0100加法计数0000减法计数××10预置数×××1复位2.4.2共阴和共阳数码管LED区别①LED数码管构造LED数码管也称为半导体数码管，是当前数字电路中最惯用显示屏件。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。图所示是两种LED数码管外形与内部构造，＋、－分别表达公共阳极和公共阴极，a～g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共阴共阳型内部构造电路。（a）外型构造（b）共阴极（c）共阳极图2-8LED共阴共阳构造②用万用表hFE档检测led数码管办法，如下图2-9所示。图2-9万用表hFE档检测led数码管普通可运用数字万用表hFE档，检查LED数码管发光状况。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③脚与第⑧脚在内部连通，可任选一种作为（－）；再从C孔引出一根导线依次接触各笔段电极，可分别显示所相应笔段。若按5-45所示电路，将第④、⑤、①、⑥、⑦脚短路后再与C孔引出线接通，则能显示数字“2”。把a～g段所有接C孔引线，就显示全亮笔段，显示数字“8”。（注：这里12345678与PROTEL中封装画图相反了一下）。检测时，若某笔段发光黯淡，阐明器件已经老化，发光效率变低。如果显示笔段残缺不全，阐明数码管已经局部损坏。注意，检查共阳极LED数码管时应变化电源电压极性。

如果被测LED数码管型号不明，又无引脚排列图，则可用数字万用表hFE档进行测试：⒈鉴定数码管构造类型（共阴或共阳）。

⒉辨认引脚列。

⒊检查全笔段发光状况。

详细操作时，可预先把NPN插孔C孔引出一根导线，并将导线接在假定公共电极(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其她引脚。依照笔段发光或不发光状况进行鉴别验证。测试时，若笔段引脚或公共引脚判断对的，则相应笔段就能发光。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。

需注意是，用hFE档或二极管档不合用于检查大型LED数码管。由于大型LED数码管是将多只发光二极管单个字形笔段按串、并联方式构成，因而需要驱动电压高（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，来检查其发光状况。此外要注意是，LED数码管中各段发光二极管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。在一定范畴内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规数码管起辉电流只有1～2mA，最大极限电流也只有10～30mA，因此它输入端在5V电源或高于TTL高电平(3.5V)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.译译码与显示驱动电路功能是：在十进制计数输出作用下，提供10个发光二极管控制信号，数码管用来显示相应发光二极管。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总工作原理通过以上单元电路设计，拟定公共汽车报站显示电路总工作原理图。通过如下三点来阐述其详细工作原理：

一方面，通过CD4093构成多谐振荡器产生频率为1Hz脉冲信号，该脉冲信号用于提十进制计数器输入信号。

另一方面，CD4017构成十进制计数器用于产生发光二极管循环信号，此信号提供公共汽车到站原始信号。

最后，由CD4510、CD4511和数码管构成译码驱动电路，将得到信号公共汽车到站站点即输出到数码管上，实现所需功能。第三章电路安装及调试到这里为止，手动式公共汽车报站显示电路设计基本完毕，但此只鉴于所学理论基本上完毕，将设计电路图变成印刷板，再将电路元件焊接在印刷板上，形成一种完整电子产品，这一过程非常重要。实际过程中尚有诸多问题待解决。如设计方案验证、调试过程中遇到难题等，都需要进一步研究。3.1设计方案验证当前最惯用验证办法是仿真软件验证和实验台验证，在设计前期投入了大量时间查找资料做准备，这一验证环节也有关重要。为了更好做到学以致用，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、模仿电路、数字电路、高频电路、RF电路、电力电子及自控原理等各方面虚拟仿真；并提供多达18种基本分析办法[7]。图3-1是本次设计方案电路，在Multisim7.0环境下仿真示意图，最后仿真显示本设计方案可行。图3-1Multisim7.0软件下设计电路仿真原理图通过了仿真软件验证，阐明理论上设计方案是成功，但是实验器件不同于抱负元件，它会由于所处环境不同，会受到这样那样干扰，更不排除元器件自身制造工艺有缺陷。使实际设计无法达到预期效果。因此实验台验证必不可少。本设计用到芯片较多，考虑届时间及学校实验室开放状况等诸多因数，又基于仿真软件验证成功，对自己设计电路有较大信心，决定直接制板调试。3.2电路板制作有了以上验证，汽车到站控制电路设计算基本完毕，接下要完毕是汽车到站控制电路硬件制作。对于电子产品来说，电路板设计是从电路原理图变成一种详细产品必经之路，电路板设计合理性与产品生产及产品质量密切有关。当前，咱们所学过是Protel99SE电子线路CAD软件，Protel99SE是Protel公司近来致力于Windows平台开发最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间所有分析、验证和设计数据管理。Protel99SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包括信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。Protel99SE既有强大功能，其完善设计确立了在电路板设计领域出类拔萃地位[8]。因此如下简介是通过Protel99SE软件制作电路板过程[9]。1.原理图在Protel99SE软件中画出.SCH原理图，见图3-2所示。图3-2Protel99SE中毕业设计电路原理图2.Protel99SE软件中，切换在Document窗口下，然后单击右键，打开New,双击“PCBDocument”即建立了“PCB.PCB”文献。3.“PCB.PCB”图标，即进入其设计窗口，找出各元件封装代号，在.SCH中对其所有元件进行封装，拟定无误后导成PCB板。4.学校条件有限，毕业设计按规定只能作成单面印刷板，因此布局及走线设计很重要，最后印刷板如图3-3所示。有几根线实在布但是去，采用跳线方式。图3-3手动式公共汽车报站显示电路PCB板5.将PCB图打印到热转印纸上，将打印好PCB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，溶液配比为：三氯化铁占35%，水占65%左右。溶液温度以30-50℃较好，温度太底，腐蚀速度慢，在腐蚀过程中最佳用线吊住铜版边沿来回晃动，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某些铜箔都以腐蚀掉时，应及时取出覆铜板，立即用清水冲洗，冲洗干净擦干水迹，用清洁球擦去保护漆。8.腐蚀好印刷板要及时钻孔，印刷电路板孔径，对普通元器件选直径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.再次解决，为了美观起见，要尽量将多余板去掉，四个角磨成原弧状。10.涂刷保护膜，其目是保护印刷电路板覆铜面不再被氧化和提高可焊性。保护膜选用松香液，松香液配方是松香粉25%，纯酒精75%，松香液蒸发不久，在涂刷过程中要迅速刷好，不要来回刷，干燥后方可使用。11.依照原理图将相应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调试过程中，故障存在是正常，核心在于咱们是如何进行故障排除。由于之前电路是通过验证，因此本次调试过程中没有浮现很大电路原理问题，调试过程也较顺利，只浮现下面两个小问题。1.接上电源后，拨动开关，发光二极管没反映这个故障产生，因素有诸多，但是最大也许是脉冲电路有问题，在实验室用示波器对脉冲电路进行检测（即CD40933引脚），没有预想中方波浮现，证明脉冲产生电路存在问题。拟定故障所在之后就要解决，对脉冲电路原理是通过仿真软件验证，应当是不会出错，参数理论计算也是成功，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，抱负中方波终于产生，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问题解决后来，发现接上电源之后，发光二极管依然有两个不亮，断开电源，重新检查电路，发先二极管附近电路有一段是没连好，用焊丝焊上去后来，问题解决，发光二极管正常工作。这个问题是在制板过程中浮现，也许是腐蚀过久，把铜线给腐蚀掉了；也也许是在清洗过程中，清洁球擦太用力，那里铜线又是比较细，导致铜线断开。结论通过这样长一段时间工作，本次设计也接近尾声，我想这次设计，让我系统整顿了自己大学期间所学过知识，一方面选定课题、拟定设计方案，我进行了大量资料收集、选取及整合。另一方面通过电脑软件画出PCB板到最后调试成功，整个过程让我有了独立思考及解决问题能力，对于自己所设计公共汽车报站显示电路有了更深层次结识。本次设计难点是在于各个单元电路连接及电路细节设计，需要有一种很清晰条理，才干把所学过知识串联起来，使整体电路设计完整。整个过程，遇到诸多问题，特别是调试不出来时候，心中总是有点灰心，更是有放弃冲动，但是，最后还是坚持下来，静下心来，仔细查找因素。本次设计重要涉及到某些中、小规模集成电路芯片，运用集成电路知识实现公共汽车报站显示功能。局限性之处是对实际状况考虑不够，设计还存在一定偏差，如现状中语音报站现象。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社会扮演着很重要角色，值得咱们去研究。通过本次设计，收益非浅，深深体会就是：学电子牢记好高鹜远，凡是都得亲历亲为。对于自己花心血做出来东西，确有很大成就感。毕业在即，这次设计对