毕业设计（论文）-依次信息流水灯电路设计

1、 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) I 目录 摘要 .1 第 1 章绪论 .2 第 2 章总体方案设计 .3 第 3 章单元电路设计 .5 3.1 移位寄存器 .5 3.1.1 触发器的选择.5 3.1.2 移位寄存器电路设计.7 3.2 脉冲产生电路设计 .9 3.3 显示电路设计 .11 3.4 复位电路设计 .13 第 4 章电路仿真与调试 .14 总结 .19 参考文献 .20 附录 1总电路原理图.21 附录 2 元件明细表.22 全套设计加扣 3346389411 或 3012250582 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 1 页 共 22 页 摘要 随着微

2、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。 数字电子技术的发展，不断改变着人们的生活。手机、DVD 机、摄像机、数码照相 机、数字电视、家庭影院、多媒体家用平台及其他数字家电设备已陆续成为大众消费 产品，使人们生活质量逐步提高。除此之外，数字电子技术在机械加工、生产过程自 动控制、智能化机器人、军事科学、航天技术、测量技术、远程教育等诸多领域都得 到了广泛使用。对现代科学、工业、农业、文化传媒娱乐产生、医学的发展和人类社 会的文明进步产生着越来越深刻的影响，起着巨大的推动作用。 本课题设计了一个能显示“STOP”字样的信息灯，为路障提示

3、灯，使后面跟随的 车都能看到前方信息，从而有效的防止追尾事故的发生。这个设计充分证明了数字电 路广泛应用，为了提高信息灯的醒目程度。然而这个设计是通过三个板块：显示部分、 移位寄存器、复位电路、脉冲电路。通过电源输出电压分别对各板块输入电压使显示 板块字母“STOP”发亮。这个设计充分证明了数字电路广泛应用，为了提高信息灯的 醒目程度。灯光警示牌和灯光闪烁警示牌，在 300 米至 400 米处都能起到警示作用。 所不同的是灯光警示牌在车尾灯较多的地方不容易引起驾驶员的注意，众多的车尾灯 与灯光替示标志混淆在一起，干扰了驾驶员的识别能力。而灯光闪烁警示牌就明显的 优于灯光警示牌，由于电子的闪烁作

4、用、使它明显的区别于汽车尾灯从而起到警示作 用。晚上光线的视觉效果不好，看不清。更需要效果好的警示标志。而现在的警示标 志达不到这个目的，而这个设计的灯光闪烁警示牌很好的解决了这个问题。随着我国 汽车数量的不断增加，许多交通管理设备都在不断更新。如能与交管局的有关部门配 合生产此项专利产品，无疑将给您带来巨大的经济效益。 关键词关键词数字电路；信息灯；警示牌 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 2 页 共 22 页 第 1 章绪论 生活中经常可以看到道路中很多路障灯，灯安装在荧幕屏上，使后面跟随的车都 能看到前方信息，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

5、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

6、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、软件相结合的综合性设计。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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 3 页 共 22 页 第 2 章总体方案设计 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

7、2-1 所示。 显示部分 移位寄存器 脉冲电路 复位电路 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 触发器处于有效工 4321 QQQQ 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Q 端输出低电平，输出端输出高电平。经过非门 74LS04

8、 构成的缓冲电路输出低电平QQ 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Q 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QQ 出为高电平，经缓冲电路后，电路导通，使显示“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Q 开始新一轮的流动发光。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 4 页 共 22 页 各板块作用，显示部分作用：为了提高信息灯的醒目程度，交通方便，在道路故 障中显示清晰能够容易分辨，这就是在交通道路中减少不必要

9、的事故。移位寄存器作 用：移位寄存器除了存放数码的功能外，还具有移位功能。所谓移位功能，就是寄存 器中所存数据可以在移位脉冲的作用下逐位左移或右移。在数字系统中，由于运算的 需要，常常要求寄存器中输入的数码能实现移位功能。移位寄存器有单向移位寄存器 和双向移位寄存器两类。复位电路作用：在系统正常运行或非正常运行下，能够使系 统返回，能够反复操作，就是通过复位电路来实现。脉冲电路作用：脉冲一般是将直 流升压的一个中间状态，脉冲也是交流的，它是将直流通过震荡电路变为脉冲信号， 再通过整流，滤波，稳压等措施变成我们需要的电压。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 5 页 共 22 页 第

10、 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 表 3-1 同步 RS 触发器功能表 RS n Q 1n Q功能 0000 0011 保持 0101 0111 置 1 1000 1010 置

11、0 110 111 不允许 同步 RS 触发器的特征方程: 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 6 页 共 22 页 QRSQ n 1 0RS 同步 RS 触发器功能表如表 3-1 所示。 2.JK 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。 JCPK Q Q J CL LL LL K 图 3-2 JK 触发器逻辑符号 表 3-2 JK 触发器功能表 JK n Q 1n Q功能 0000 0011 保持 0100 0110 置 0 1001 1011

12、置 1 1101 1110 翻转、取反 JK 触发器的特征方程： nnn QKQJQ 1 JK 触发器功能表如表 3-2 所示。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 7 页 共 22 页 3.D 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 3-3 D 触发器逻辑符号 D 触发器特征方程： DQ n 1 D 触发器的功能表如表 3-3 所示。 表 3-3 D 触发器功能表 D 1n Q功能 00置 0 11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

13、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 图 3-4 四位右移位寄存器电路图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 8 页 共 22 页 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。 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 2.工

14、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 D 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。由 D 触发器构成 的右移位寄存器波形图如图 3-5 所示。电路真值表如表 3-4 所示。 图 3-5 四位右移位寄存器时序图 表 3-4 移位寄存器 输出真值表 CP 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 显示 01111 熄灭 0111S 1011T 1101O 1110P 1111 熄灭 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 9 页 共 22 页 电

15、路的特征方程： nnnnn QQQQDQ 43211 1 1 nn QDQ 12 1 2 nn QDQ 23 1 3 nn QDQ 34 1 4 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态也 1 Q 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 作为初态送给第 1 Q 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送给下一 2 QQ 个 D 触发器

16、，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

17、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,其值较小,通常 为 100 左右，为保证电路正常工作，要求 ,否则会使 门总处于开启状态，电路不能正 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 10 页 共 22 页 常起振。图 3-8 为 RC 环形振荡器的电路图。 1 2 3 G1 1 2 3 G2 1 2 3 G3 RRs C U0

18、1U02U13U0 5V 图 3-8 RC 环形振荡器 2.工作原理 图 3-9 脉冲电路工作波形图 根据电路和波形图分析原理如下： （1）设 t =0t 期间，电路处于第一暂稳态：导通，截止, 截止， 1 G 2 G 3 G ,在此暂稳态期间，电容 C 通过 R 进行充电，充电时间常数 L VV 001 oh VV 02th VV 03 (因)。随着 C 的充电，使按指数规律上升，CRRCRRRA)()/( 111 1 RR R V 当时刻，上升到阈值电平(1.4V)时维持关闭的条件被破坏，使 (即 1 tt R V TH V 3 G 03 V )由高变低，反馈到门输入端，使由高到低，又由于

19、电容 C 两端电压不能突变， 0 V 1 G 01 V 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 11 页 共 22 页 使随向上跳变，同样的数值，从而使电回翻转到导通的状态，此为第二暂稳 R V 01 V 3 G 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,RCA 2 随着放电的进行，按指数规律下降,当 t=t2 时刻，下降到阈值电平使，维持 R V R V TH V 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，结果 3 G 0 V R V 01 V 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，重 3 G 3

20、 G 1 G 2 G 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。 3.脉宽及振荡周期的估算 W t 见波形图，取决于 C 放电过程的快慢，取决于 C 充电的快慢，根据前面充放 W t 2W t 电的过程的分析，设=3.5V, =1.4V,则： oh V th V RCtW26 . 1 1 CRRtW)/(98 . 0 12 则 CRRRCttT WW )/(98 . 0 26 . 1 121 当时，上式可进一步简化成：R 1 R RCT2 . 2 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

21、R、T 代入公式 T2.2RC,可得电容pF。 4 105 . 4 C 3.3 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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 12 页 共 22 页 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

22、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。 图 3-10 串联 LED 图 3-11 字母连线图 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，故我们可Q 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 13 页 共 22 页 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。但如果就这样Q 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。 如果使用 220 的电阻，则流过 LED 的电流为：,L

23、ED 的mAI 6 . 23220)8 . 612( 最大电流是 50mA 当电源是 12V 时可以串联 4 个 LED，由于正向电压的最大值是 2.4V， ，当电压为 5V 时可以串联 2 个 LED。VV6 . 94 . 24 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。 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，

24、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。 1000P 10K 5V 位 位 位 位 位 位 位 位 位 位位位位位 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

25、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， 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 14 页 共 22 页 所以数字 IC 的低电平电位加到各触发器的复位端上，输出也就置于高电平了。Q 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 15 页 共 22 页 第 4 章电路仿真与调试 电子仿真软件 MultiSIM10 是由美国国家仪器公司（NI 公司）公司推出，而在本次 的毕业设计中就运行电子仿真软件 MultiSIM10 进行虚拟仿真，软件中有许多传感

26、器或 新器件，只需要知道它们的特性和在电路中的作用，可以采用相似的元器件代替进行 仿真，这样可以大大地拓宽电子仿真软件 MultiSIM10 的应用范围。软件在仿真时并不 存在损坏和烧毁元件、仪器等问题，只要电路设计好后就可以进行仿真测试，如仿真 成功，侧可以进行硬件电路的设计和实物电路的辅助制作。在整个电路中，电源部分 是必不可少的，因此电源电路在整个电路中起到作重要的作用。在电源电路仿真部分， 由三端稳压电源输出 12V 左右的电压，为整个电路供电。仿真图如图 4-1 所示。 图 4-1 电源仿真图 当整机电路中在没有接通电源时，所有的 LED 灯处于不亮状态，三端稳压电源也 处于停止状态

27、，所以整个整机电路不工作、不显示。如仿真图 4-2 所示，波形如图 4-2 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 16 页 共 22 页 所示。 图 4-2 无电压状态 图 4-3 无电压时的输出波形党 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 17 页 共 22 页 当整机电路在接通电源时，三端稳压电源输出 12V 电压，电压输出时彩灯输入端 接受 12V 电压成高电平，依次四个字母彩灯接受 12V 电压，当彩灯接通电压时四个字 母彩灯亮，而字母“STOP”亮，如仿真图 4-4 所示。 图 4-4 接通电源时的仿真 当接通电源时，脉冲电路为高电平，输出波形为如图 4-5 所示

28、，低电平如图 4-6 所示。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 18 页 共 22 页 图 4-5 接通电源时的高电平波形 图 4-6 所示接通电源时低电平 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 19 页 共 22 页 当整机电路接通电源工作状态时，模拟用户到达现场后，关闭整机电路的电源， 整个电路停止工作。如仿真图 4-7 所示。 图 4-7 停止工作状态 在对模块电路的仿真与调试工作过程中，电源部分的作用很重要，产生的电压必 须必须符合电路需要，因此在对电路的仿真时，调试与计算参数是必要的。在整机的 仿真与调试时，为了让字母“STOP”发光，也就是使示波器产生稳定的

29、波形，这就为 了保证电路在实际运用中能正常显示 LED 发亮工作。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 20 页 共 22 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，

30、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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 21 页 共 22 页 参考文献 1 祝惠芳.脉冲