手动式公共汽车报站显示电路设计.doc

1、目录1、 总体方案与原理说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52、 秒脉冲电路的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . .63、 单稳态触发电路的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94、 十进制计数器电路的计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115、 译码与显示驱动电路的设计. . . . . . . . . . . . . . . . .126、

2、 总体电路原理相关说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187、 总体电路原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198、 元件清单；. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209、 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2110、 设计心得体会 . . . . . . . . . . . . . . . . .

3、. . . . . . . . . . 221、总体方案与原理说明1.1 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。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

4、，数码管显示0，以此类推。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 手动式公共汽车报站显示电路的结构框图2、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

5、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 芯片介绍CD4093芯片管脚功能如图2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 CD4093内部管脚图2.2 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3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。 (a)电路原理图

6、(b)工作波形图 (c)实际电路组成示意图图图3 施密特触发器组成的多谐振荡器和工作波形示意图从图3（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3（b）的电压波形得到计算振荡周期的公式为： (2.

7、1) 一般情况下，当VDD=5V时，取VT+=3.3V, VT-=1.8V。2.3 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

8、.5S。3、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。3.1 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4(a)、(b)所示。 （a）芯片符号 （b）引脚排列图4 74LS00芯片符号及引脚排列示意图其真值表如表1所示。输 入输 出ABY001011101110表1 74LS00的真值表3.2 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

9、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5所示是74LS00构成的单稳态触发电路。图5 单稳态触发电路4、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。4.1 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。

10、）芯片的真值表见表2所示。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进到下一级表2 十进制计数电路CD4017管脚功能表4.2 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

11、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7所示。图7 十进制计数器计数显示原理示意图5、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。5.1 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

12、进位CI 等输入。CR 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8所示。图8 CD4510管脚排列芯片的真值表见表3所示。CINU

13、/DPER工作状态100停止计数0100加法计数0000减法计数10预置数1复位表3 集成电路CD4510逻辑功能表5.2 共阴和共阳的数码管LED的区别LED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，ag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9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9 LED的共阴共阳结构用万

14、用表的hFE档检测led数码管的方法，如下图10所示。图10 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（第脚与第脚在内部连通，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、脚短路后再与C孔引出线接通，则能显示数字“2”。把ag段全部接C孔引线，就显示全亮笔段，显示数字“8”。（注：这里的12345678与PROTEL中的封装画图相反了一下）

15、。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： 判定数码管的结构类型（共阴或共阳）。 识别引脚列。 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

16、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12 mA，最大极

17、限电流也只有1030 mA，所以它的输入端在5 V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。5.3 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11所示。图11 译码与显示驱动电路示意图图6、总体电路原理相关说明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

18、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。7、总体电路原理图图12 手动式公共汽车报站显示电路的工作原理图8、元件清单序列器件名称型号单位数量1电阻470只172电阻2.4K只13可调电阻器2.2K只14电解电容220 uF只25发光二极管红LED只106七段数码管共阴只17集成芯片74LS00块18CMOS芯片CD4017块19CMOS芯片CD4093块110CMOS芯片CD4510块111CMOS芯片CD4511块112单刀单掷

19、开关个113芯片底座14脚块214芯片底座16脚块315导线根316焊锡丝根39、参考文献 1 潘永雄，沙河电子线路CAD实用教程西安电子科技大学生出版社，20042 蒋黎红，黄培根模电数电基础实验及Multisim7仿真浙江大学出版社，20063 黄培根，奚慧平绘制印刷电路板实用技术浙江：丽水学院，20054 杨志忠，卫桦林数字电子技术高等教育出版社，20035 孙余凯，项绮明. 常用集成电路实用手册. 电子工业出版社，200510、设计心得体会转眼间，此次电工电子课程设计实习周已经接近尾声了。通过这周的实习，让我学到了很多的知识。首先是选定题、确定设计方案，我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，整个过程让我有了独立思考及解决问题的能力，对于自己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和自己查找的资料串联起来，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。有些不足之处是对实际情况考虑不足。设计还存在一定的偏差。通过此次设计，我受益匪浅，并有些深深的体会：不要好高骛远，要一步一个脚印，一定要认真冷静的去完成。这样才可以达到最终的目的。19