手动式公共汽车报站显示电路的设计Word格式.docx
《手动式公共汽车报站显示电路的设计Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《手动式公共汽车报站显示电路的设计Word格式.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
濮磊
0909131041
后期的整理
设计目的
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。
设计要求
1.用发光二极管来指示公交车的站台，站台书为十个。
2.七段显示译码器的0-9来模拟公交车的十个报站语音信息。
3.具有往返显示和报站的功能。
4.具有显示和报站手动复位和置位的功能。
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。
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帮助。
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路译码驱动显示电路
目录
引言6
第一章系统概述7
1.1设计意义7
1.2设计指标7
1.3总体设计方案7
1.3.1设计思想7
1.3.2总体电路结构框图8
1.3.3方案的论证与比较8
第二章单元电路的设计9
2.1秒脉冲电路的设计9
2.1.1芯片介绍9
2.1.2秒脉冲电路的工作原理及功能9
2.1.3参数计算及器件的选择10
2.2单稳态触发电路的设计11
2.2.1芯片介绍11
2.2.2单稳态触发电路的原理及功能12
2.3十进制计数电路的设计12
2.3.1芯片的介绍12
2.3.2十进制计数电路的工作原理及功能13
2.4译码与显示驱动电路的设计13
2.4.1芯片的介绍13
2.4.2数码管结构13
2.4.3译码与显示驱动电路的工作原理及功能17
2.5手动式公共汽车报站显示电路的总工作原理17
第三章电路的调试18
3.1设计方案验证18
结论19
参考文献20
附录1总的原理图21
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，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。
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。
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。
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。
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12MHZ，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
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。
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ＲＣ的充放电时间，振荡周期Ｔ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2-1 CD4093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
秒脉冲产生电路由CD4093施密特触发器和RC定时电路构成。
这里R采用10KΩ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=2.2KΩ，C=220μF，则
=2.2×
103×
220×
10-6×
㏑
S
≈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2-3（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的真值表
输入
输出
A
B
Y
1
2.2.2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﹐要求R小于R0FF。
如图2-4所示是74LS00构成的单稳态触发电路。
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2-5CD4017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2-2十进制计数电路CD4017管脚功能表
时钟
时钟允许
复位
输出状态
L
×
不变
H
计数器复位（Q0=H，Q1-Q9=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2-6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2-7所示。
图2-7CD4510管脚排列
芯片的真值表见表2-3所示。
表2-3集成电路CD4510逻辑功能表
CIN
U/D
PE
R
工作状态
停止计数
加法计数
减法计数
预置数
2.4.2共阴和共阳的数码管LED的区别
①LED数码管的结构
LED数码管也称为半导体数码管，是目前数字电路中最常用的显示器件。
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的。
图所示是两种LED数码管的外形与内部结构，＋、－分别表示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共阴共阳型的内部结构电路。
（a）外型结构（b）共阴极（c）共阳极
图2-8LED的共阴共阳结构
②用万用表的hFE档检测led数码管的方法，如下图2-9所示。
图2-9万用表的hFE档检测led数码管
一般可利用数字万用表的hFE档，检查LED数码管的发光情况。
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，可任选一个作为（－）；
再从C孔引出一根导线依次接触各笔段电极，可分别显示所对应的笔段。
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段全部接C孔引线，就显示全亮笔段，显示数字“8”。
这里的12345678与PROTEL中的封装画图相反了一下）。
检测时，若某笔段发光黯淡，说明器件已经老化，发光效率变低。
如果显示的笔段残缺不全，说明数码管已经局部损坏。
注意，检查共阳极LED数码管时应改变电源电压的极性。
如果被测LED数码管的型号不明，又无引脚排列图，则可用数字万用表的hFE档进行测试：
⒈判定数码管的结构类型（共阴或共阳）。
⒉识别引脚列。
⒊检查全笔段发光情况。
具体操作时，可预先把NPN插孔的C孔引出一根导线，并将导线接在假定的公共电极（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的其他引脚。
根据笔段发光或不发光的情况进行判别验证。
测试时，若笔段引脚或公共引脚判断正确，则相应的笔段就能发光。
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档所提供的正向工作电流约20mA，做上述检查绝对不会损坏被测器件。
需注意的是，用hFE档或二极管档不适用于检查大型LED数码管。
由于大型LED数码管是将多只发光二极管的单个字形笔段按串、并联方式构成的，因此需要的驱动电压高（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，来检查其发光情况。
另外要注意的是，LED数码管中各段发光二极管的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。
在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。
由于常规的数码管起辉电流只有1～2mA，最大极限电流也只有10～30mA，所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平（3.5V）的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。
2.4.3.译码与显示驱动电路的工作原理及功能
译码与显示驱动电路的功能是：
在十进制计数输出的作用下，提供10个发光二极管控制信号，数码管用来显示对应的发光二极管。
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的总工作原理
通过以上单元电路的设计，确定公共汽车报站显示电路的总工作原理图。
通过以下三点来阐述其具体工作原理：
首先，通过CD4093构成的多谐振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，该脉冲信号用于提十进制计数器输入信号。
其次，CD4017构成的十进制计数器用于产生发光二极管的循环信号，此信号提供公共汽车到站的原始信号。
最后，由CD4510、CD4511和数码管构成的译码驱动电路，将得到的信号公共汽车到站的站点即输出到数码管上，实现所需功能。
第三章电路的调试
到这里为止，手动式公共汽车报站显示电路的设计基本完成，但此只鉴于所学理论基础上完成，将设计的电路图变成印刷板，再将电路的元件焊接在印刷板上，形成一个完整的电子产品，这一过程非常重要。
实际过程中还有很多问题待解决。
如设计方案的验证、调试过程中遇到的难题等，都需要进一步研究。
3.1设计方案验证
目前最常用的验证方法是仿真软件验证和实验台验证，在设计前期投入了大量的时间查找资料做准备，这一验证环节也相关重要。
为了更好的做到学以致用，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、模拟电路、数字电路、高频电路、RF电路、电力电子及自控原理等各方面的虚拟仿真；
并提供多达18种基本分析方法。
图3-1是本次设计方案电路，在Multisim7.0环境下仿真示意图，最终仿真显示本设计方案可行。
结论
经过一个星期的工作，本次设计也接近尾声，我想这次设计，让我们系统的整理了自己大学期间所学过的知识，首先选定课题、确定设计方案，我们进行了大量资料的收集、选择及整合。
其次通过电脑软件画出PCB板到最后的调试成功，整个过程让我们有了独立思考及解决问题的能力，对于我们所设计的公共汽车报站显示电路有了更深层次的认识。
本次设计的难点是在于各个单元电路的连接及电路的细节设计，需要有一个很清楚的条理，才能把所学过的知识串联起来，使整体电路设计完整。
本次设计主要涉及到一些中、小规模集成电路芯片，运用集成电路的知识实现公共汽车报站显示的功能。
不足之处是对实际情况考虑不够，设计还存在一定的偏差，如现实情况中的语音报站现象。
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的社会扮演着很重要的角色，值得我们去研究。
通过本次设计，收益非浅，深深的体会就是：
学电子切记好高鹜远，凡是都得亲历亲为。
对于自己花心血做出来的东西，的确有很大的成就感。
毕业在即，这次设计对今后的工作做了一个很好的铺垫。
参考文献
[1]潘永雄，沙河．电子线路CAD实用教程[M]．西安电子科技大学生出版社，2004:
102-104.
[2]蒋黎红，黄培根，朱维婷．模电数电基础实验及Multisim7仿真[M]．浙江大学出版社，2006:
215-216.
[3]黄培根，奚慧平．绘制印刷电路板实用技术[M]．浙江：
丽水学院，2005:
45-47.
[4]杨志忠，卫桦林．数字电子技术[M]．高等教育出版社，2003:
138-139.
附录1总的原理图
手动式公共汽车报站显示电路的工作原理图
答辩记录及评分表
答辩教师（职称）
吴慧（讲师）、王银花（讲师）
答辩时间
学年第学期第周
答
辩
记
录
评分表
评分
升级会员 