簡易交通燈控制電路的設(shè)計(jì).doc

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沈陽航空航天大學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) （說明書） 課?程?設(shè)?計(jì)?任?務(wù)?書 ? 課?程?名?稱????電子線路課程設(shè)計(jì)???? 課程設(shè)計(jì)題目????簡易交通燈控制電路的設(shè)計(jì)???? 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求： 一、設(shè)計(jì)說明與技術(shù)指標(biāo) 1．東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時(shí)間25s。 2．東西方向與南北方向黃燈亮，時(shí)間5s。 3．南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時(shí)間15s。 4．如果發(fā)生緊急事件，可以手動(dòng)控制四個(gè)方向紅燈全亮，禁止該道路的車輛通行，特殊情況過后能恢復(fù)正常。 二、設(shè)計(jì)要求 1．在選擇器件時(shí)，應(yīng)考慮成本。 2．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過分析計(jì)算確定電路和元器件參數(shù)。 3．畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。 三、實(shí)驗(yàn)要求 1．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路，用multisim軟件仿真。 2．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。 四、推薦參考資料 1.童詩白，華成英主編．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．[M]北京：高等教育出版社，2006年 2.閻石，數(shù)字電子技術(shù)（第五版）．[M]北京：高等教育出版社，2005.?????????? 3.陳孝彬,《555集成電路實(shí)用電路集》.高等教育出版社2002-8.???????? 4.王剛 《TTL集成電路應(yīng)用》.機(jī)械工業(yè)出版社 2000-10. 五、按照要求撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告 成績?cè)u(píng)定表： 序號(hào) 評(píng)定項(xiàng)目 評(píng)分成績 1 設(shè)計(jì)方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性（15分） 2 設(shè)計(jì)結(jié)果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結(jié)果）（15分） 3 態(tài)度認(rèn)真，遵守紀(jì)律（15分） 4 設(shè)計(jì)報(bào)告的規(guī)范化、參考文獻(xiàn)充分（不少于5篇）（25分） 5 答辯（30分） 總分 最終評(píng)定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定） 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 一、 概述 簡易交通燈電路是脈沖數(shù)字電路的簡單應(yīng)用，設(shè)計(jì)了交通信號(hào)燈不同方向在不同的時(shí)間倒計(jì)時(shí)內(nèi)，亮不同的的信號(hào)燈的功能，同時(shí)應(yīng)用了七段數(shù)碼管來顯示時(shí)間。此交通燈可以在實(shí)現(xiàn)東西、南北方向紅黃綠燈的顏色轉(zhuǎn)換,接下來就是按照4個(gè)階段循環(huán)發(fā)光，并且如果發(fā)生緊急事件看，可以手動(dòng)控制四個(gè)方向紅燈全亮，禁止該道路的車輛通行，特殊情況過后才能恢復(fù)正常。這在當(dāng)今社會(huì)交通中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，有效的減少交通擁堵和交通事故。 本電路主要有四個(gè)模塊構(gòu)成：555脈沖發(fā)生器、5倍分頻器、倒計(jì)數(shù)器、主控制電路和手動(dòng)控制電路。整個(gè)電路是有秒脈沖提供脈沖，有計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)功能向譯碼顯示電路顯示倒計(jì)時(shí)，而且也控制三種燈泡的發(fā)光。 二、方案論證 2.1設(shè)計(jì)思路 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，十字路口車輛運(yùn)行情況只有4種可能：1）設(shè)開始時(shí)東西方向綠燈通行，南北紅燈不通行，持續(xù)時(shí)間為25s。2）25s后，東西方向綠燈變黃燈，南北方向紅燈保持不變，持續(xù)時(shí)間為5s。3）5s后，東西方向黃燈變紅燈禁止通行，南北方向紅燈變綠燈通行，持續(xù)時(shí)間為15s。4）15s后，東西方向紅燈不變禁止通行，南北方向綠燈變黃燈，5s后又回到第一種情況，如此循環(huán)反復(fù)。因此，要求主控制電路也有4種狀態(tài)。其控制原理框圖如圖1所示。 `5倍分頻器 555觸發(fā)器 主控制電路 倒計(jì)數(shù)器 數(shù)碼顯示管 手動(dòng)控制 圖1 簡易交通燈電路的原理框圖 方案一: 用555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖，分別給兩個(gè)不同的電路循環(huán)提供刺激脈沖信號(hào)，然后用分別對(duì)東西干道和南北干道建立電路循環(huán)圈。 原理是當(dāng)前一計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生進(jìn)位脈沖來控制后一計(jì)數(shù)器開始工作，而此計(jì)數(shù)器自身停止工作。以此進(jìn)行循環(huán)，就可以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻電路的顯示 。 方案二: 用555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖，根據(jù)簡單移位寄存器只有四個(gè)狀態(tài)，與此時(shí)的正好完全相同，因此用移位寄存器構(gòu)成系統(tǒng)的主控模塊，驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈的顯示和計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)，同時(shí)在東西干道和南北干道上各只需要一個(gè)計(jì)數(shù)器。根據(jù)不同時(shí)刻移位寄存器給計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置數(shù)，可以顯示不同的倒計(jì)時(shí)。 方案三用555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖，分別設(shè)計(jì)25位計(jì)數(shù)器，兩個(gè)5位計(jì)數(shù)器，15位計(jì)數(shù)器。作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)不同進(jìn)制計(jì)數(shù)器的芯片選擇，而其余四個(gè)計(jì)數(shù)器作為數(shù)碼管的顯示控制計(jì)數(shù)器，分別顯示不同時(shí)刻的計(jì)數(shù)。 方案三雖然電路復(fù)雜，但邏輯關(guān)系清晰，單路一但啟動(dòng)可自動(dòng)循環(huán)，不需要任何開關(guān)控制但是在后一計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)的時(shí)候并不能保證前一計(jì)數(shù)器停止工作。因此我們選擇方案三來完成設(shè)計(jì)。 三、電路設(shè)計(jì) 3.1 555脈沖發(fā)生器電路 由集成邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，其單脈沖電路如圖2所示。 圖2 555脈沖發(fā)生器 本實(shí)驗(yàn)選取多諧振蕩器來產(chǎn)生秒脈沖。多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)毋須外加發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩）。用555實(shí)現(xiàn)多諧振需要外接電阻R1，R2和電容C，并外接+5V的直流電源。只需在+VCC端接上+5V的電源，就能在4腳產(chǎn)生周期性的方波。用555組成的脈沖產(chǎn)生電路:R1= R2=470*100Ω C=10 nF 3.2 倒計(jì)時(shí)電路數(shù)字顯示電路 十字路口車輛運(yùn)行情況只有4種可能，實(shí)現(xiàn)這4個(gè)狀態(tài)的電路，可用兩個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，也可用一個(gè)二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成。所以我用二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS192實(shí)現(xiàn)。如圖3所示. 兩個(gè)數(shù)碼管是有兩個(gè)74LS192共同控制的，然后有74LS48實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的顯示編碼。剛開始的時(shí)候是對(duì)數(shù)碼管的高電位一個(gè)初始值，對(duì)低電位為0.當(dāng)高電位初始值減數(shù)到0且開始借位時(shí)，對(duì)低電位一個(gè)初始值，此時(shí)高電位初始值為0. 74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，利用74LS192進(jìn)行25s、5s、15s的計(jì)數(shù)倒計(jì)時(shí)。數(shù)碼管顯示電路：主要是有數(shù)碼管和兩個(gè)74LS48轉(zhuǎn)碼芯片實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字的.如圖4所示。 圖3 倒計(jì)數(shù)器電路及引腳圖 設(shè)計(jì)要求將各個(gè)倒計(jì)時(shí)時(shí)間用數(shù)碼管顯示出來。數(shù)碼管有兩種，七段數(shù)碼管和集成七段數(shù)碼管。七段數(shù)碼管顯示的有七個(gè)輸入端，分別對(duì)應(yīng)數(shù)碼管發(fā)光的七段而集成七段顯示數(shù)碼管是將7447集成到數(shù)碼管內(nèi)部。輸入端只有四個(gè)，分別于計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端相對(duì)應(yīng)，所以實(shí)驗(yàn)中采用集成七段顯示數(shù)碼管。 圖4 數(shù)碼顯示電路 3.3 分頻器電路設(shè)計(jì) 分頻的方法可以用74LS194、74LS160、74LS161等很多集成原件組成實(shí)現(xiàn)，為了減少元件類型我選用74LS161做分頻器。74LS161是同步四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它有異步清零、同步預(yù)置數(shù)等功能。74LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器.這里的4位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器的4位Qd，Qc，Qb，Qa是按二進(jìn)制方式計(jì)數(shù)的。計(jì)數(shù)的數(shù)值為0到9，a到f。74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器，可設(shè)計(jì)電路，因?yàn)槟茴A(yù)置數(shù)，所以能組成16進(jìn)制內(nèi)的任意分頻。 當(dāng)74LS161清零端CR=“0”，計(jì)數(shù)器輸 出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng) CR=“1”且LD=“0”時(shí)，在CP信號(hào)上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。74LS161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET,因此一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器,所以我選用74LS161作為實(shí)驗(yàn)需要的分頻器. 因?yàn)闊袅恋淖钚r(shí)間為黃燈5秒，而時(shí)鐘信號(hào)為1秒，所以選擇74LS161作為5分頻器, 燈亮的轉(zhuǎn)換由主控制器控制，由于一個(gè)周期為50秒，且經(jīng)分頻后的脈沖為5秒一個(gè)脈沖，所以主控制器控要有十進(jìn)制,這樣就能實(shí)現(xiàn)電路的分頻作用。 3.4主控制電路 主控制器控制著電路中的燈亮與對(duì)應(yīng)的時(shí)間，在不同的時(shí)間段內(nèi)，東西、南北方向分別指示不同的顏色的燈光，通過增加手動(dòng)控制電路實(shí)現(xiàn)緊急情況的發(fā)生及恢復(fù).根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以得知，每一次轉(zhuǎn)換的周期為50s，最小的周期為5s，因此采用74LS161的四位二進(jìn)制加法功能實(shí)現(xiàn)控制器，分別控制4個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。同時(shí)如果發(fā)生緊急情況可以手動(dòng)控制，讓四個(gè)方向全部變?yōu)榧t燈，禁止通行，如圖5所示。 圖5 主控制及譯碼顯示電路圖 秒脈沖信號(hào)通過74LS161同步四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，傳遞到下一芯片，在74LS139處延遲輸出，控制東西，南北方向燈光的變化，74LS139芯片可以延遲信號(hào)的傳遞，在某個(gè)信號(hào)輸出后，延遲下一信號(hào)的輸出，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，在如果發(fā)生緊急事件，可以手動(dòng)控制四個(gè)方向紅燈全亮，禁止該道路的車輛通行，特殊情況過后才能恢復(fù)正常。所以在74LS139的輸入端接入2個(gè)74LS04非門和2個(gè)74LS08與門實(shí)現(xiàn)手動(dòng)狀態(tài)下，四個(gè)方向的紅燈全亮的結(jié)果，然后斷開開關(guān)，可以正常通行。 四、性能測試 4.1東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時(shí)間25s. 4.2東西方向綠燈變黃燈，南北方向紅燈不變，時(shí)間5s. 4.3南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時(shí)間15s. 4.4南北方向綠燈變黃燈，東西方向紅燈不變，時(shí)間5s。 五、結(jié)論 通過此次簡易交通控制信號(hào)燈的分析和設(shè)計(jì)，我深深感到學(xué)好數(shù)字電子電路的重要性。通過兩周不斷的查資料讓我積累了許多實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，已初步掌握了數(shù)電的應(yīng)用技術(shù)，以及數(shù)字電路的知識(shí)和有關(guān)器件的應(yīng)用，我深刻體會(huì)到了數(shù)子電路技術(shù)對(duì)當(dāng)今現(xiàn)代社會(huì)的重要作用。 這一次設(shè)計(jì)對(duì)我來說，感觸最深的就是要想做好一個(gè)設(shè)計(jì)課題首先要對(duì)每一部分所涉及的知識(shí)點(diǎn)掌握好，在課程設(shè)計(jì)的過程中，我想了很多種方案，對(duì)同一個(gè)問題(像計(jì)數(shù)器的接法)都想了很多種不同的接法，運(yùn)用不同的芯片進(jìn)行了比較。而且通過這次設(shè)計(jì)，我覺得自己處理問題上也有了一些經(jīng)驗(yàn)，自己設(shè)計(jì)和仿真思維有了很大的提升。這樣才能對(duì)設(shè)計(jì)做的得心應(yīng)手。 在實(shí)際連接電路的過程中，發(fā)現(xiàn)不是自己簡單的認(rèn)為的那樣，需要一個(gè)板塊一個(gè)板塊的去連接，如果跨度比較大的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)中間部分的電路無法連接如電路當(dāng)中，所以就會(huì)出現(xiàn)線路排版會(huì)非常繁瑣，以至于導(dǎo)致連接后無法顯示現(xiàn)象的問題。并且在連接電路的過程中，會(huì)用到每個(gè)芯片的管腳圖，所以我每個(gè)芯片都查出來了，并且把管教編號(hào)也寫上了，但是因?yàn)槿鄙僦饕酒詫?dǎo)致我的硬件部分沒能完成，多少感到很遺憾。 在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中我學(xué)到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學(xué)問要一絲不茍，對(duì)于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅(jiān)持下去就可以找到思路去解決問題的。我認(rèn)識(shí)到自己所學(xué)的知識(shí)和技能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，有些實(shí)際性的問題還不能夠解決，缺少很多有實(shí)際運(yùn)用價(jià)值的知識(shí)儲(chǔ)備，缺乏應(yīng)有的動(dòng)手解決實(shí)際問題的能力，缺乏些高效利用及篩選大量資料的能力，缺乏資源共享及應(yīng)有的團(tuán)隊(duì)合作精神，有待進(jìn)一步提高，我應(yīng)當(dāng)學(xué)好自己的專業(yè)知識(shí)以適應(yīng)不斷的完善自我，在學(xué)習(xí)中一步一個(gè)腳印的踏實(shí)進(jìn)步。 參考文獻(xiàn) [1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)(第五版). [M]北京高等教育出版社,2005年. [2]童詩白,華成英主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).[M]北京.高等教育出版社，2006年. [3]康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分(第五版).[M].北京.高等教育出版社，2005年. [4]陳孝彬.《555集成電路實(shí)用電路集》.高等教育出版社.2002-8. [5]王剛.《TTL集成電路應(yīng)用》.機(jī)械工業(yè)出版社,2000-10. [6]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程(第三版).高等教育出版社, 2006. [7] Dr. David Jackson. The selection of electronic components and testing. Beijing mechanical industry publishing house.2003. [8]丁志杰.數(shù)字電路,分析與設(shè)計(jì).北京理工大學(xué)出版社,2007. [9]黃繼昌.數(shù)字集成電路應(yīng)用300例.北京人民郵電出版社,2007. [10]趙柯.脈沖與數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.南昌航空大學(xué)出版社,2012. 附錄I 總電路圖 附錄II 元器件清單 序號(hào) 編號(hào) 名稱 型號(hào) 數(shù)量 1 C1、C2 電容 10nf 2 2 R1、R2 電阻 110Ω 2 3 R3、R7 電阻 10kΩ 2 4 R4、R5 電阻 47kΩ 2 5 U1、U2 74LS 74LS192N 2 6 U3、U4 74LS 74LS48N 2 7 U5、U6 數(shù)碼管 共陰數(shù)碼顯示管 2 8 U8、U10 74LS 74LS08N 6 9 U9 74LS 74LS04N 5 10 U11 74LS 74LS32N 1 11 U12 74LS 74LS00N 2 12 U13 74LS 74LS139N 1 13 LED LED發(fā)光二極管 綠、黃、紅 12(各4) 14 A1 脈沖發(fā)生器 555觸發(fā)器 1 10