手动式公共汽车报站显示电路的设计.doc
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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1
9、2MHZ,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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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。C
18、R 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
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