数电课程设计闪光示警灯.docx
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数电课程设计闪光示警灯
科技学院
《数字电子技术》课程设计
题目闪烁警示灯
学生
专业班级电子科学与技术四班
学号
院(系)电气工程学院
指导教师袁玉霞
完成时间2013年3月9日
1课程设计的目的
1.1概述
警示灯在我们日常生活中用处非常广泛,例如:
警示灯一般用在维护道路安全,通常是用在警车﹑工程车、消防车﹑急救车﹑防管理车﹑道路维修车﹑牵引车﹑紧急A/S车、机械设备等开发。
在我们日常生活中和工农业生产中,有好多情况下,需要安装警示灯或标志灯,以提醒人们注意。
例如,道路施工时,需在施工现场挂上红色安全警示灯,以确保行人和行车的安全。
高层建筑物的顶端按有关的规定必须设置红色警示灯,以确保飞机安全飞行。
为引起大家注意,在一般情况下,多采用红色的警示灯,且最好能发出闪烁光。
但有时后在某些情况下又不需要其工作,比如某些大型的器物,白天很明显,只需在夜间提醒人们注意。
闪烁警示灯在现实生活中的应用十分广泛,主要是起到警示的作用,本次设计是闪烁警示灯,主要利用的是多谐振荡器的原理,多谐振荡器又称为无稳态触发器,它没有稳定的输出状态,只有两个暂稳态。
1.2目的
此次设计就是设置一种闪烁警示灯,利用NE555定时器的原理,设置一种可以掩延时的警示装置,主555定时器成本低,性能可靠,只需要外接几个电阻、电容,就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
要是利用多谐振荡器功能,自由多谐振荡器不具有稳态,只有两个暂稳态,暂稳态的时间长短由自由电路的定时元件确定。
从而可以设计一种灯光闪烁时间间隔不同的闪光灯。
此次设计主要学会怎么怎样结合数电知识去实现需要的电路功能。
直线课本知识向实际应用的转化。
根据上学期课本上学习的知识,以数字电子电路为基础,设计电路图运用到实际生活中,并达到一定的实际运用效果。
学会结合数电知识,联系实际情况设计一种实用性强的警示装置。
2课程设计的任务与要求
2.1设计任务
1从稳定性、可靠性、实用性、经济性选择电子线路和电子器件,从而找到适合的功能电路。
2通过网络查阅和图书馆资料,培养并提高独立分析问题和解决问题的能力。
3了解一些常用电子器件的类型和特性以及使用方法。
4学会电子电路的焊接、安装与调试技能。
5学会如何把课本上的理论知识转化为实际运用。
2.2设计要求
1.打印《数字电子技术》课程设计说明书一份,给出课题的设计和制作、调试。
2.根据技术指标要求,画出设计电路图,画出印制电路版图
3.设计时间:
一周
4.学会制作PCB板
5.人员分组三人一组一实物,选择同一课题的电路相同,但课程设计报告不能完全相同。
在某些场合需要设置警示灯,以避免危险事故的发生。
例如交通警示灯可以给人们起警示作用,避免交通事故的发生。
警示灯的用处十分广泛。
3设计方案与论证
3.1提出方案一
使用51单片机做控制,然后利用汇编或者C语言的简单编程可实现。
利用单片机原理设计可以很容易的实现电路的设计,并达到很好的效果。
提出方案二
题目要蓝灯闪一下,然后红灯闪一下,可利用两个555振荡电路相互协调就可以实现交替闪烁,首先要实现单个灯闪烁,并初步确定充放电的电容电阻值的围。
然后再考虑两个灯怎样实现交替闪烁,理论上可以把两个电路的3角输出接到一起,通过高低电频的阻断作用实现交替闪烁,通过进一步的分析论证并在软件上进行调试,得出方案可行的结论。
并且实现起来比较简单,所用元器件较少,基本达到了题目所要求的功能。
多谐振荡器是一种无稳态电路,在他接通电源后,不需要外加出发信号,电路的状态就能够自动地不断变换,产生矩形波输出。
从而产生多谐振荡,波形的变化引起电路电流的变化,从而可以控制发光二极管闪烁功能。
图3-1电路流程图
方案的选择:
方案一优点:
电路简单,理论上可以实现警示功能。
缺点:
涉及到单片机,本学期学习课程未涉及,故不采纳。
方案二优点:
通过多谐振荡器功能,能对灯光的闪烁时间进行控制。
可以改变电阻大小改变灯的闪烁时间。
缺点:
此方案相对于方案一可实施性强,结论,可行。
3.11设计思路
设计思路:
如图下图所示,是由两个NE555及其周围电阻构成的多谐振荡器,利用多谐振荡器的特性,即不具有稳态,只有两个暂稳态。
控制红、绿两个LED灯的闪烁频率。
图3-2电路设计图
1.识图指导
图中(LMC555CM)是555定时器,对于U1来说,它与周围电阻,R1、R2及其电容C1、C3。
构成多谐振荡器。
由于接通电源前电容两端电压为零,电源刚接通时,经输出缓冲后的3端输出高电平放电管处于截止状态,电源电源通过R1、R2对电容充电。
经过一段时间后,3端输出低电平,放电管导通,进入第一暂稳态,如此反复,便产生矩形输出波形。
电路通上6V电源后,U1、U2形成多谐振荡电路并开始工作,由于U2的震荡频率比U1的震荡频率低,这取决于电阻R2与R4的大小,电阻越大震荡频率越低。
这时U1和U2都分别输出了震荡频率不同的脉冲,当U2的3脚输出为高电平时,对U1的输出起到了阻断作用,使得LE2不亮,LE1亮。
当U2输出为低电平时,LE2亮,LE1不亮。
通过对时间常数的计算,使得LE2闪亮一次LE1再亮,这样交替循环即能达到闪光警灯的效果。
如果想改变LE1、LE2之间的闪烁时间间隔,我们可以通过理论计算,改变电阻R2、R4阻值的大小,从而改变多谐振荡器的震荡周期,即U1、U2的振荡周期时间间隔变大,从而达到改变闪烁时间的延长或者缩短。
3.2方案论证
本次设计的闪烁警示灯电路主要是由两个555定时器构成。
运用数字电子电路中的知识,制作一款实用性的闪烁灯。
电路设计的最大特点是没有开关控制,我们学过数电知道,555定时器可以起到开关作用。
555定时器是目前应用十分广泛的一种器件,NE555部包括两个电压比较器,三个等值串联电阻,一个RS触发器,一个放电管T及功率输出级。
两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上,比较器的输出接到RS触发器上。
此外还有输出级和放电管。
输出级的驱动电流可达200mA。
NE555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3,NE555定时器的功能主要由两个比较器所决定。
在电源与地之间加上电压,当5脚悬空时,则电压比较器A1的反相输入端的电压为2VCC/3,A2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3,则比较器A2的输出为1,可使RS触发器置1,使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3,同时TR端的电压大于VCC/3,则A1的输出为1,A2的输出为0,可将RS触发器置0,使输出为0电平两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
以与其它电路构成脉冲电路,脉冲的变化可以引起后边电流变化,再加上其它元器件的组成,即可以起到开关的作用。
由电路图可以看到电路是多谐振荡器的组成。
多谐振荡器又称为无稳态触发器,它没有稳定的输出状态,只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后,经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
由于两个暂稳态分别控制LED1、LED2。
通过改变R2、R4的电阻阻值大小。
可以控制LED1、LED2闪烁时间之间的间隔。
4设计原理及功能说明
4.1电路原理
图4-1NE555结构图
接通电源后,假定是高电平,则T截止,电容C充电。
充电回路是VCC—R1—R2—C—地,按指数规律上升,当上升到时(TH、端电平大于),输出翻转为低电平。
是低电平,T导通,C放电,放电回路为C—R2—T—地,按指数规律下降,当下降到时(TH、端电平小于),输出翻转为高电平,放电管T截止,电容再次充电,如此周而复始,产生振荡,经分析可得
R1=10K
R2=200K
C=10ufC1=0.01ufTw1=0.46D=0.5
输出高电平时间:
T=(R1+R2)Cln2
输出低电平时间:
T=R2Cln2
振荡周期:
T=(R1+2R2)Cln2
输出方波的占空比为:
4.2功能说明
NE555定时电路是目前应用十分广泛的一种器件,本次试验选用的是NE555定时器。
NE555定时器可以输出矩形波形,它的基本组成部分:
由3个5K欧姆电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本RS触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成。
555定时器功能介绍,如图所示:
图4-2NE555实物图
555定时器成本低,性能可靠,只需要外接几个电阻、电容,就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的部电路框图和外引脚排列图分别如图所示。
它部包括两个电压比较器,三个等值串联电阻,一个RS触发器,一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压,当5脚悬空时,则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3,C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3,则比较器C2的输出为0,可使RS触发器置1,使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3,同时TR端的电压大于VCC/3,则C1的输出为0,C2输出为1,可将RS触发器置0,使输出为0电平。
它的各个引脚功能如下:
1脚:
外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地。
8脚:
外接电源VCC,双极型时基电路VCC的围是4.5~16V,CMOS型时基电路VCC的围为3~18V。
一般用5V。
3脚:
输出端Vo
2脚:
低触发端
6脚:
TH高触发端
4脚:
是直接清零端。
当此端接低电平,则时基电路不工作,此时不论TR、TH处于何电平,时基电路输出为“0”,该端不用时应接高电平。
5脚:
VC为控制电压端。
若此端外接电压,可改变部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0.01μF电容接地,以防引入干扰。
7脚:
放电端。
该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电。
5单元电路设计
5.1单元电路介绍
NE555振荡电路图:
图5-1NE555震荡电路
电路工作原理电路工作原理电路工作原理电路工作原理:
多谐振荡器是能够产生一种自激振荡的电路,由于矩形波中含有丰富的高次谐波,故称为多谐振荡电路,多谐振荡电路没有稳态,只有两个暂稳态,在自身因素的作用下两个暂稳态之间来回转换,故又称为无稳态电路,由555定时器构成的振荡电路如上图所示,R1、R2和C是外接定时元件,电路中将高电平触发端6脚和低电平触发端2脚并接后接到R2和C的连接处,将放电端7脚接到R1和R2的连接处,由于接通电源的瞬间,电容C还来不及充电,电容器两端的电压Uc为低电平,小于1/3Vcc,故2、6脚均为低电平,输出Uo为高电平放电管VT截止。
这时,电源经R1、R2对电容C充电,使电压Uc上升,当Uc上升到2/3Vcc时输出Uo为低电平,放电管VT导通,把电压从1/3Vcc上升到2/3Vcc这段时间的状态称为第一暂稳态,起维持时间的长短与电容的充电时间有关,充电时间常数T=(R1+R2)C,由于VT导通,电容C通过电阻R2和放电管放电,电路进入了第二暂稳态,其维持时间的长短与电容放电时间有关,放电时间常数T=R2xC,随着C的放电,Uc下降,当Uc下降到1/3Vcc时,输出U0为高电平,放电管VT截止,Vcc再次对电容C充电,电路又进入第一稳态。
接通电源后电路在两个稳态之间来回翻转,则可输出矩形波,电路一旦起振后,Uc的电压总是在1/3---2/3Vcc之间变化。
5.2相关性能指标计算
电容充电时间T1
输出高电平时间:
T=(R1+R2)Cln2
输出低电平时间:
T=R2Cln2
振荡周期:
T=(R1+2R2)Cln2
电路震荡周期T:
T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C
5.3Multisim11.0软件仿真
利用Multisim11.0软件对整体电路设计进行软件仿真,检测所设计电路是否可行。
然后再软件上检测每个单元电路各段电压、电流大小。
并观察仿真最后
结果(用示波器代替扩音器现实输出波形)。
如下图所示:
图5-2仿真测试图
6硬件制作与调试
6.1硬件制作过程
根据仿真软件所设计的电路图,我们将此电路图运用到实际焊接中。
首先就是要根据电路图,如何连接实物图。
必须满足一下要求:
第一,布局要合理,是的实物电路图布局对称好看。
第二,在布局的时候要考虑到如何使用更短的导线,根据焊接需要,要尽可能短的使用导线。
选择好与器件,并认真测试元器件的参数。
将印制电路板的排版设计好并制作。
最重要的是知道一些基本元器件的使用方法,以及会如何去安装一些电器元件。
如本次试验中所用到的NE555定时器,要会如何会识别各个管脚位置,在焊接过程中,怎么样去连接各个管脚与其他电阻电容的连接。
根据电路图连接好实物图,根据布局要求适当的改变一下电阻位置(电路图不变,根据实际要求的电路图)。
电路布局入下图所示:
图6-1电路实物图
6.2硬件测试
1.通电观察
先将直流稳压电源接入电路。
此时观察电路有无异常现象,包括有无冒烟、是否有异常气味、手摸元器件是否发烫、以及电源有否被短路等。
如果出现异常,应立即切断电源,并待排除故障后才能再次通电。
经过通电观察,确认电路已能进行测量后,方可转入正常调试。
2.电路调试
按电路图焊接组装好后,可进行调整。
在调整过程中,未能达到预期的效果,当接通直流电源时,两个LED灯一直闪烁,并没有按照预期效果闪烁,红灯没有起到延时作用,接通电源,红灯就一直亮。
而绿灯可以达到延时的效果。
经过检查电路各个元器件的安装,与电路图对比。
没有发现有错的地方。
此次调试过程中,未能达预期效果。
在测试过程中,当接通电源电压时,两个灯并没有出现交替闪烁的情况,而是红灯闪烁频率太大,一直闪烁,即延时的时间短暂,红灯一直闪烁,而绿灯出现闪烁延时。
电路仿真图:
图6-2仿真测试图
7总结
1.通过本次实验,让我更加了解了设计电路的程序,也让我了解了关于闪烁警示灯的基本原理与设计理念,要设计一个电路本来要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。
也使我透彻地了解了NE555定时器工作原理及相关特性,多振荡器的工作原理。
2.当然在整个课程设计的过程当中也遇到了一些问题。
比如说在设计原理图的时候,我们必须懂得温控报警器的工作原理以及它的部构造。
在电路的设计过程中要准确的知道所需各个元器件的参数以及特性,是的试验更加准确无误。
还有就是在作品调试时,总是出现错误,我总是查找原因,检查电路,都没有发现错误,当时就有种想放弃的想法,但是自己没有那么做,因为我知道:
在做实验的时候,要有耐心,遇到问题时要有平常心和越挫越勇的决心。
此外,这次的实验强烈的激起了我对我们所学专业的兴趣,我想这次的课程设计对我以后的专业课程的学习将有很大的帮助。
在老师的帮助下,对电路进行了改装。
虽然没调试成功,但我也从老师的讲解中,学到了一些非常实用的东西。
3.我们此次实验没有达到预期的理想效果,主要是因为电阻阻值的大小选择差别太大,根据电路仿真可以达到预期的效果,然而进入实际操作和电路焊接,会遇到各种各样的问题,从而导致电路实际效果并未显示出来,课本上的知识要想运用到实际生活中,必须理论联系实际,实际电路焊接与仿真效果的测试是有微小差别的。
4.通过本次实验,也让我更加认识到自己的不足,我的理论基础不够扎实,认识到实践要用理论作指导。
只有在扎实的理论分析下,再加上一定的实践,才能获得较理想的结果。
参考文献
[1]余凯.555时基电路识图.:
电子工业,2007.1:
129-130
[2]自美.电子线路设计·实验·测试[M].:
华中科技大学,2006:
76-77
[4]..avrw.综合电子论坛
附录1:
总体电路原理图
附录2:
元器件清单
序号
名称
型号规格
数量
1
555定时器
NE555
2
2
瓷片电容
0.01uF
1
3
电解电容
10uF
1
4
电解电容
4.7uF
1
5
电阻
10K
2
6
电阻
330Ω
2
7
电阻
150K
1
8
电阻
20K
1
9
电池
1.5V
4
10
导线
若干
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- 课程设计 闪光 示警