簡易交通燈控制電路的設(shè)計.doc

沈陽航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計（說明書）課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書 課 程 名 稱    電子線路課程設(shè)計    課程設(shè)計題目    簡易交通燈控制電路的設(shè)計    課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計說明與技術(shù)指標1東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時間25s。2東西方向與南北方向黃燈亮，時間5s。3南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時間15s。4如果發(fā)生緊急事件，可以手動控制四個方向紅燈全亮，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)計要求1在選擇器件時，應(yīng)考慮成本。2根據(jù)技術(shù)指標，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。3畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）。三、實驗要求1根據(jù)技術(shù)指標制定實驗方案；驗證所設(shè)計的電路，用multisim軟件仿真。2進行實驗數(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.機械工業(yè)出版社 2000-10.五、按照要求撰寫課程設(shè)計報告成績評定表：序號評定項目評分成績1設(shè)計方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性（15分）2設(shè)計結(jié)果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結(jié)果）（15分）3態(tài)度認真，遵守紀律（15分）4設(shè)計報告的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于5篇）（25分）5答辯（30分）總分最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）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)計了交通信號燈不同方向在不同的時間倒計時內(nèi)，亮不同的的信號燈的功能，同時應(yīng)用了七段數(shù)碼管來顯示時間。此交通燈可以在實現(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個階段循環(huán)發(fā)光，并且如果發(fā)生緊急事件看，可以手動控制四個方向紅燈全亮，禁止該道路的車輛通行，特殊情況過后才能恢復(fù)正常。這在當今社會交通中具有廣泛的應(yīng)用價值，有效的減少交通擁堵和交通事故。本電路主要有四個模塊構(gòu)成：555脈沖發(fā)生器、5倍分頻器、倒計數(shù)器、主控制電路和手動控制電路。整個電路是有秒脈沖提供脈沖，有計數(shù)器進行計數(shù)功能向譯碼顯示電路顯示倒計時，而且也控制三種燈泡的發(fā)光。二、方案論證2.1設(shè)計思路根據(jù)設(shè)計要求，十字路口車輛運行情況只有4種可能：1）設(shè)開始時東西方向綠燈通行，南北紅燈不通行，持續(xù)時間為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)器主控制電路倒計數(shù)器數(shù)碼顯示管手動控制圖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，分別給兩個不同的電路循環(huán)提供刺激脈沖信號，然后用分別對東西干道和南北干道建立電路循環(huán)圈。 原理是當前一計數(shù)器倒計時結(jié)束時，產(chǎn)生進位脈沖來控制后一計數(shù)器開始工作，而此計數(shù)器自身停止工作。以此進行循環(huán)，就可以實現(xiàn)不同時刻電路的顯示 。 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狀態(tài)，與此時的正好完全相同，因此用移位寄存器構(gòu)成系統(tǒng)的主控模塊，驅(qū)動信號燈的顯示和計數(shù)器的預(yù)置數(shù)，同時在東西干道和南北干道上各只需要一個計數(shù)器。根據(jù)不同時刻移位寄存器給計數(shù)器進行預(yù)置數(shù)，可以顯示不同的倒計時。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25位計數(shù)器，兩個5位計數(shù)器，15位計數(shù)器。作用是實現(xiàn)對四個不同進制計數(shù)器的芯片選擇，而其余四個計數(shù)器作為數(shù)碼管的顯示控制計數(shù)器，分別顯示不同時刻的計數(shù)。方案三雖然電路復(fù)雜，但邏輯關(guān)系清晰，單路一但啟動可自動循環(huán)，不需要任何開關(guān)控制但是在后一計數(shù)器開始計數(shù)的時候并不能保證前一計數(shù)器停止工作。因此我們選擇方案三來完成設(shè)計。三、電路設(shè)計3.1 555脈沖發(fā)生器電路由集成邏輯門與RC組成的時鐘源振蕩器或由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器作為時間標準信號源，其單脈沖電路如圖2所示。 圖2 555脈沖發(fā)生器本實驗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*100 C=10 nF 3.2 倒計時電路數(shù)字顯示電路十字路口車輛運行情況只有4種可能，實現(xiàn)這4個狀態(tài)的電路，可用兩個觸發(fā)器構(gòu)成，也可用一個二-十進制計數(shù)器構(gòu)成。所以我用二-十進制計數(shù)器74LS192實現(xiàn)。如圖3所示.兩個數(shù)碼管是有兩個74LS192共同控制的，然后有74LS48實現(xiàn)對數(shù)碼管的顯示編碼。剛開始的時候是對數(shù)碼管的高電位一個初始值，對低電位為0.當高電位初始值減數(shù)到0且開始借位時，對低電位一個初始值，此時高電位初始值為0. 74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，利用74LS192進行25s、5s、15s的計數(shù)倒計時。數(shù)碼管顯示電路：主要是有數(shù)碼管和兩個74LS48轉(zhuǎn)碼芯片實現(xiàn)顯示數(shù)字的.如圖4所示。 圖3 倒計數(shù)器電路及引腳圖設(shè)計要求將各個倒計時時間用數(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)碼管顯示的有七個輸入端，分別對應(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，分別于計數(shù)器的四個輸出端相對應(yīng)，所以實驗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)計分頻的方法可以用74LS194、74LS160、74LS161等很多集成原件組成實現(xiàn)，為了減少元件類型我選用74LS161做分頻器。74LS161是同步四位二進制計數(shù)器，它有異步清零、同步預(yù)置數(shù)等功能。74LS161是常用的四位二進制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器.這里的4位2進制計數(shù)器的4位Qd，Qc，Qb，Qa是按二進制方式計數(shù)的。計數(shù)的數(shù)值為0到9，a到f。74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器，可設(shè)計電路，因為能預(yù)置數(shù)，所以能組成16進制內(nèi)的任意分頻。當74LS161清零端CR=“0”，計數(shù)器輸 出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復(fù)位功能。當 CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，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CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET,因此一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器,所以我選用74LS161作為實驗需要的分頻器. 因為燈亮的最小時間為黃燈5秒，而時鐘信號為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，由于一個周期為50秒，且經(jīng)分頻后的脈沖為5秒一個脈沖，所以主控制器控要有十進制,這樣就能實現(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應(yīng)的時間，在不同的時間段內(nèi)，東西、南北方向分別指示不同的顏色的燈光，通過增加手動控制電路實現(xiàn)緊急情況的發(fā)生及恢復(fù).根據(jù)設(shè)計要求可以得知，每一次轉(zhuǎn)換的周期為50s，最小的周期為5s，因此采用74LS161的四位二進制加法功能實現(xiàn)控制器，分別控制4個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。同時如果發(fā)生緊急情況可以手動控制，讓四個方向全部變?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通過74LS161同步四位二進制計數(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芯片可以延遲信號的傳遞，在某個信號輸出后，延遲下一信號的輸出，同時根據(jù)實驗要求，在如果發(fā)生緊急事件，可以手動控制四個方向紅燈全亮，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74LS04非門和2個74LS08與門實現(xiàn)手動狀態(tài)下，四個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，時間25s.4.2東西方向綠燈變黃燈，南北方向紅燈不變，時間5s.4.3南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時間15s.4.4南北方向綠燈變黃燈，東西方向紅燈不變，時間5s。五、結(jié)論通過此次簡易交通控制信號燈的分析和設(shè)計，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際操作經(jīng)驗，已初步掌握了數(shù)電的應(yīng)用技術(shù)，以及數(shù)字電路的知識和有關(guān)器件的應(yīng)用，我深刻體會到了數(shù)子電路技術(shù)對當今現(xiàn)代社會的重要作用。這一次設(shè)計對我來說，感觸最深的就是要想做好一個設(shè)計課題首先要對每一部分所涉及的知識點掌握好，在課程設(shè)計的過程中，我想了很多種方案，對同一個問題(像計數(shù)器的接法)都想了很多種不同的接法，運用不同的芯片進行了比較。而且通過這次設(shè)計，我覺得自己處理問題上也有了一些經(jīng)驗，自己設(shè)計和仿真思維有了很大的提升。這樣才能對設(shè)計做的得心應(yīng)手。在實際連接電路的過程中，發(fā)現(xiàn)不是自己簡單的認為的那樣，需要一個板塊一個板塊的去連接，如果跨度比較大的話，會發(fā)現(xiàn)中間部分的電路無法連接如電路當中，所以就會出現(xiàn)線路排版會非常繁瑣，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，會用到每個芯片的管腳圖，所以我每個芯片都查出來了，并且把管教編號也寫上了，但是因為缺少主要芯片，所以導(dǎo)致我的硬件部分沒能完成，多少感到很遺憾。 在整個設(shè)計的過程中我學(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，只要堅持下去就可以找到思路去解決問題的。我認識到自己所學(xué)的知識和技能還遠遠不足，有些實際性的問題還不能夠解決，缺少很多有實際運用價值的知識儲備，缺乏應(yīng)有的動手解決實際問題的能力，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)有的團隊合作精神，有待進一步提高，我應(yīng)當學(xué)好自己的專業(yè)知識以適應(yīng)不斷的完善自我，在學(xué)習(xí)中一步一個腳印的踏實進步。參考文獻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.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)字電路實驗指導(dǎo)書.南昌航空大學(xué)出版社,2012.附錄I 總電路圖附錄II 元器件清單序號編號名稱型號數(shù)量1C1、C2電容10nf22R1、R2電阻11023R3、R7電阻10k24R4、R5電阻47k25U1、U274LS74LS192N26U3、U474LS74LS48N27U5、U6數(shù)碼管共陰數(shù)碼顯示管28U8、U1074LS74LS08N69U974LS74LS04N510U1174LS74LS32N111U1274LS74LS00N212U1374LS74LS139N113LEDLED發(fā)光二極管綠、黃、紅12(各4)14A1脈沖發(fā)生器555觸發(fā)器110