數(shù)字電路設(shè)計課設(shè)報告.doc

目 錄1 設(shè)計任務(wù)12 總體設(shè)計方案12.1 方案論證12.2 設(shè)計思想22.3 總體方框圖32.4 工作原理33 單元電路設(shè)計43.1 時鐘單元電路設(shè)計43.2 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計43.3 譯碼顯示電路設(shè)計73.4 主控電路設(shè)計73.5 交通信號燈電路設(shè)計84 安裝與調(diào)試94.1 通電前檢查94.2 通電檢查94.2.1顯示電路的調(diào)試94.2.2 74LS161清零模塊的調(diào)試94.2.3 NE555時鐘電路的調(diào)試94.2.4 74LS04非門的調(diào)試94.2.5 74LS08與門的調(diào)試94.2.6 74LS138譯碼器的調(diào)試94.2.7 74LS32或門的調(diào)試94.2.8發(fā)光二極管的調(diào)試104.2.9 按鈕開關(guān)的檢查104.3 結(jié)果分析105 總結(jié)105.1總結(jié)體會105.2 本方案特點(diǎn)及存在的問題11參考文獻(xiàn)12附錄I：原理總圖13附錄II：元器件清單141 設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個交通信號燈控制器，有一條主干道和一條支干道匯合成十字路口，在每個入口處設(shè)置宏、綠、黃三色信號燈。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮則禁止行使（給行駛中的車輛有時間停在禁止線之外）。具體要求如下所述。（1）用紅、綠、黃發(fā)光二極管作信號燈。（2）讓主干道處于常允許通行的狀態(tài)，支干道有車來時才允許通行?？捎眠壿嬮_關(guān)作主支干道檢測車輛是否到來的信號。（3）主干道和支道交替允許通行。主干道每次放行45秒，支道每次放行25秒。（4）在每次由綠燈亮轉(zhuǎn)換到紅燈亮的過程中，要亮5秒鐘的黃燈作為過渡。（5）設(shè)置45秒、25秒計時、5秒計時顯示電路。提示：設(shè)計時先用仿真軟件Multisim測試設(shè)計電路是否正確，無誤再制作實(shí)際電路。參考元器件：74HC160/190,74HC161,74HC00,74HC08,74HC20,74HC153,74HC138/139，CD4511，CD4060/NE555等。2 總體設(shè)計方案2.1 方案論證方案一：采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)選用8031單片機(jī)，8255并行通用接口芯片，74LS07，MAX692看門狗，共陰極的七段數(shù)碼管，雙向晶閘管，7805三端穩(wěn)壓電源，紅、黃、綠交通燈，開關(guān)鍵盤等。系統(tǒng)總框圖如下：圖2-1 方案一系統(tǒng)總框圖方案二：采用數(shù)字電子技術(shù)（核心控制部分用觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)）交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如下圖所示。它主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時器和譯碼器的工作。 方案比較:方案一采用現(xiàn)在比較流行的51系列片機(jī)實(shí)現(xiàn)對燈的自動控制和同步倒計時輸出。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計所給出的要求，且硬件電路較簡單接線較容易。但是，我們現(xiàn)階段還沒有學(xué)過單片機(jī)的知道，對單片機(jī)的具體工作原理不清楚，且完全不懂基于51系列單片機(jī)的編程。對單片機(jī)而言，程序是其工作的靈魂，而我們對這又是完全不懂，所以就我們現(xiàn)在所掌握的知識而言，要實(shí)現(xiàn)這一方案難度很大！方案二采用的是基本數(shù)字電路，原理比較簡單，且其原理和所使用器件都是我們在數(shù)字電子技術(shù)課程中所學(xué)過的。方案選擇:綜上分析，此設(shè)計方案選擇方案二，其原理簡單，便于連線，便于調(diào)試，且容易實(shí)現(xiàn)，因此，可以通過控制555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸入脈沖信號，采用 74LS160 計數(shù)，以 74LS161 控制其清零端，結(jié)合74LS04、74LS08、74LS32、74LS20等門電路實(shí)現(xiàn)紅黃綠燈三種不同周期的計數(shù)。2.2 設(shè)計思想1、要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)如下所述（1）主支干道都有車(a)主道方向綠燈亮，支道方向紅燈亮。(b)主道方向黃燈亮，支道方向紅燈亮。(c)主道方向紅燈亮，支道方向綠燈亮。(d)主道方向紅燈亮，支道方向黃燈亮。 （2）主干道有車，支干道沒車(a)主道方向綠燈亮，支道方向紅燈亮。(b)主道方向綠燈亮，直到支道有車。(3)主干道沒車，支干道有車(a)主道方向紅燈亮，支道方向綠燈亮，直到主道有車。2、應(yīng)滿足的工作時序如下所述（1）交替通車時，本系統(tǒng)應(yīng)滿足兩個工作時序。(a)主干道方向亮紅燈時間（30秒）應(yīng)等于支道方向亮黃燈（5秒）和綠燈（25秒）時間之和，支道方向亮紅燈時間（50秒）應(yīng)等于主道方向亮黃（5秒）、綠燈（45秒）時間之和。(b)一次循環(huán)為1秒，其中紅燈亮的時間是綠燈、黃燈亮的時間之和。3、因此，設(shè)計方案如下所述（1）系統(tǒng)中要求有45秒，25秒和5秒的三種定時信號，設(shè)計三種相應(yīng)的計時顯示器電路。計時順序用順計時。定時的起始信號由主控電路給出，定時時間結(jié)束的信號也輸入主控電路，并通過主控電路去開啟和關(guān)閉種交通燈或啟動另一種計時電路。（2）系統(tǒng)要求定時顯示電路的輸入信號為秒脈沖信號，設(shè)計一個可以實(shí)現(xiàn)秒脈沖輸出的時基電路。（3）主控電路是整個電路的核心，它的輸入信號來自45秒，25秒，5秒三個定時信號。主控電路可以控制各種交通燈的開啟和關(guān)閉，并反饋信號給計時電路，觸發(fā)與亮著的信號燈相應(yīng)的定時電路，使其順時顯示相應(yīng)時間。2.3 總體方框圖 主控電路時基電路門電路紅黃綠（主干道）紅黃綠（支干道）計數(shù)電路數(shù)碼顯示開關(guān)電路圖2-3 總體方框圖2.4 工作原理本次設(shè)計的交通燈需要有三種時間周期，利用兩片74LS192串聯(lián)成 100進(jìn)制的計數(shù)電路，用一片 74LS161 的 QA,QB 兩個輸出端的 00,01,10,11 四個輸出狀態(tài)配合部分門電路控制 74LS192 的清零端，以此實(shí)現(xiàn)三種周期控制，同時 74LS161 的脈沖輸入端同 7SLS192 清零端，在清零的 同時改變 74LS161 的輸出，進(jìn)入下一個計數(shù)周期。本電路采用NE555定時器對電路輸入脈沖，所產(chǎn)生的脈沖信號與計數(shù)器74LS161合作構(gòu)成定時器。計數(shù)器兩個74LS192的輸出端經(jīng)門電路對其進(jìn)行選擇,依次在45秒、5秒、25秒時產(chǎn)生的信號作為循環(huán)電路的脈沖信號，從74LS161輸出信號結(jié)合集成電路控制LED信號燈相應(yīng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。同時可以利用單刀雙擲開關(guān)控制74HC161的清零端實(shí)現(xiàn)讓主干道處于常允許通行的狀態(tài)，支干道有車來時才允許通行的技術(shù)要求。3 單元電路設(shè)計3.1 時鐘單元電路設(shè)計脈沖發(fā)生器是由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)是以秒作為單位，所以用秒脈沖發(fā)生器，且其對信號的精度要求不高，這里選用555定時器來構(gòu)成。555定時器組成的秒脈沖CP1的周期為：T=ln2(R1+2*R2)*C,令C=10uF,R1=7.2k,R2=3.6k。根據(jù)計算結(jié)果，脈沖發(fā)生器設(shè)計如下圖：圖3-1 555振蕩電路它向計數(shù)電路提供的秒計時CP脈沖。3.2 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計顯示電路作為定時控制器。秒信號發(fā)生器用于產(chǎn)生整個定時系統(tǒng)的時基脈沖，通過74LS192減法計數(shù)器對秒脈沖進(jìn)行減計數(shù)，以達(dá)到顯示每一種工作狀態(tài)的持續(xù)時間。數(shù)碼管顯示電路由BCD七段譯碼管、74LS192、CD4511組成。(1）74LS192簡要說明CLR為異步清零端，LD為置數(shù)控制端，P和T使能端，CP為時鐘輸入端，ABCD為并行置數(shù)輸入端，QAQBQCQD為輸出端，當(dāng)清零端CR=“0”，計數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)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(dāng)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(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO=Q0Q1Q2Q3CET。合理應(yīng)用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。(2)CD4511簡要說明CD4511 是一個用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器。特 點(diǎn)：具有 BCD 轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的 CMOS 電路能提供較大的拉 電流。可直接驅(qū)動 LED 顯示器。圖3-2 CD4511功能圖其功能介紹如下所述。 BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。LT：3腳是測試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。(3）數(shù)碼管簡要說明LED數(shù)碼管實(shí)際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個“2”字，那么應(yīng)當(dāng)是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個或多個發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個發(fā)光二極管的管壓降為1.8V左右，電流不超過30mA。發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負(fù)極的稱為共陰數(shù)碼管。常用LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。圖3-3 數(shù)碼管各引腳由此可得，數(shù)碼管顯示電路如下所示。圖3-4 數(shù)碼顯示電路3.3 譯碼顯示電路設(shè)計交通信號燈采用紅、黃、綠三種顏色的發(fā)光二極管，共陽極接法，并聯(lián)入保護(hù)電阻，避免電流過大對二級管造成損壞。集成門電路主要用到74LS04，74LS08，74LS32。顯示電路如下所示。圖3-5 譯碼顯示電路3.4 主控電路設(shè)計交通燈的主控電路是一個時序電路，輸入信號為：車輛檢測信號（傳感器信號）設(shè)為A、B，三個定時信號5s、25s、45s設(shè)為E、D、C?？刂破鞯臓顟B(tài)轉(zhuǎn)換表如表所示。表3-1 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)主干道支干道時間S0綠燈亮，允許通行紅燈亮，禁止通行45S1黃燈亮，停車紅燈亮，禁止通行5S2紅燈亮，禁止通行綠燈亮，允許通行25S3紅燈亮，禁止通行黃燈亮，停車5A=0，主干道無車，A=1，主干道有車；B=0，支干道無車，B=1，支干道有車；C=0,45s定時未到，C=1,45s定時到；D=0,25s定時未到，D=1,25s定時到；E=0,5s定時未到，E=1,5s定時到。圖3-6 主控電路3.5 交通信號燈電路設(shè)計交通信號燈采用紅、黃、綠三種顏色的發(fā)光二極管，共陽極接法，并連接高電平時分別接入保護(hù)電阻，避免電流過大時二極管造成損壞。圖3-7 交通信號燈電路134 安裝與調(diào)試為使電路便于調(diào)試我們采用分塊調(diào)試的方法。4.1 通電前檢查電路安裝完畢后，經(jīng)檢查電路各部分接線正確，電源、元器件之間無短路，器件無接錯現(xiàn)象。4.2 通電檢查4.2.1顯示電路的調(diào)試首先將脈沖和74LS192計數(shù)與顯示模塊斷開，給電路兩端接5伏直流電壓，并接1秒脈沖。理論上顯示器顯示正確循環(huán)時間。4.2.2 74LS161清零模塊的調(diào)試將74LS161模塊與74LS160之間的電路連接起來，并給電路兩端接5伏直流電壓，接1秒脈沖。理論上系統(tǒng)在顯示45s、25s、5s后會自動清零，重新顯示。4.2.3 NE555時鐘電路的調(diào)試斷開其他單元，將R1，R2，C按照多謝振蕩器接法與555連接，利用示波器觀察電路輸出波形。4.2.4 74LS04非門的調(diào)試?yán)肨TL特性，懸空輸入為1，斷開電路其他部分，只提供工作電壓，再將其中任意一個輸入接地，再次測量，輸出應(yīng)為1。4.2.5 74LS08與門的調(diào)試?yán)肨TL特性，懸空輸入為1，斷開電路其他部分，只提供工作電壓，再將其中任意一個輸入接地，另一個輸入不管接低電平還是高電平，再次測量，輸出應(yīng)為0。4.2.6 74LS138譯碼器的調(diào)試當(dāng)一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（/(G2A)和/(G2B)）為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。4.2.7 74LS32或門的調(diào)試?yán)肨TL特性，懸空輸入為1，斷開電路其他部分，只提供工作電壓，再將其中任意一個輸入接+5V，另一個輸入不管接低電平還是高電平，再次測量，輸出應(yīng)為1。4.2.8發(fā)光二極管的調(diào)試未接電源時，二極管的正負(fù)極判斷方法：萬用表打到二極管擋上，然后用萬用表的表筆分別接到二極管的兩個極上去。當(dāng)紅表筆接觸的是二極管的正極，黑表筆接觸的是二極管的負(fù)極，即二極管處于正向接法時，二極管導(dǎo)通，阻值較小，此時二極管發(fā)出微弱的亮光；當(dāng)黑表筆接觸的是二極管的正極，紅表筆接觸的是二極管的負(fù)極，即二極管處在反向接法時，二極管截止，阻值很大，此時二極管不發(fā)光。4.2.9 按鈕開關(guān)的檢查 首先將按鈕開關(guān)和其他電路模塊斷開，只留按鈕開關(guān)部分。其次，給電路兩端接5伏直流電壓。理論上對于單刀雙擲按鈕開關(guān)斷開狀態(tài)只有兩個引腳會導(dǎo)通，當(dāng)按下開關(guān)，公共端會和另外一個引腳導(dǎo)通，用數(shù)字萬用表測量電壓判斷公共端。4.3 結(jié)果分析當(dāng)按鈕開關(guān)S斷開即接地時表示支干道兩個方向都沒有車輛的時候，電路進(jìn)入主干道常亮階段即主干道有車，支干道沒車。(1）主道方向綠燈亮，支道方向紅燈亮。(2）主道方向綠燈亮，直到支道有車。當(dāng)按鈕開關(guān)S閉合即接+5V時，電路進(jìn)入主、支干道循環(huán)工作狀態(tài)即主支干道都有車：(1）主道方向綠燈亮，支道方向紅燈亮。(2）主道方向黃燈亮，支道方向紅燈亮。(3）主道方向紅燈亮，支道方向綠燈亮。(4）主道方向紅燈亮，支道方向黃燈亮。且主干道方向亮紅燈時間（30秒）等于支道方向亮黃燈（5秒）和綠燈（25秒）時間之和，支道方向亮紅燈時間（50秒）等于主道方向亮黃（5秒）、綠燈（45秒）時間之和。5 總結(jié)本次課程設(shè)計多用數(shù)字電子技術(shù)知識，在將理論設(shè)計實(shí)現(xiàn)的過程中考慮了很多其他的因素，比如集成電路響應(yīng)速度，時差，以及驅(qū)動電壓等。在設(shè)計電路是遇到很多困難，很多是由于數(shù)電知識儲備不足，后經(jīng)查書，故而了解其理論知識，電路設(shè)計遂得以實(shí)現(xiàn)。5.1總結(jié)體會根據(jù)老師給出的題目我們選擇題目，查找資料，設(shè)計方案，進(jìn)行方案論證，選擇方案，系統(tǒng)設(shè)計，基本電路設(shè)計，電路焊接及調(diào)試，在規(guī)定的時間內(nèi)完成了作品，并完成設(shè)計報告。開始拿到題目的時候，還不知道怎么做，因?yàn)樽约簩λ鶎W(xué)的知識還沒有真正的去運(yùn)用過，對輸電中所涉及很多芯片的功能還不是很清楚，還有multisim仿真軟件，以前從來沒有接觸過，它的用法還不是很清楚。所以開始的時候我必須花了大量的時間去了了解這些器件的功能，去實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證這些器件的功能。還花了時間去專門學(xué)習(xí)了multisim軟件。在課程設(shè)計的過程中，我們想了很多種方案，對同一個問題反復(fù)論證，運(yùn)用不同的芯片進(jìn)行了比較，最后還是采取了上面的方法進(jìn)行連接。在連接過程中，經(jīng)常會遇到一些問題，比如接錯線，無意中刪除了一些線等，是自己還不夠細(xì)心。這次課程設(shè)計之后，我明白了做任何事情都要認(rèn)真仔細(xì)，不然會事倍功半。課程設(shè)計有利于提高我們的動手能力，能使我們將理論與實(shí)際相結(jié)合。曾強(qiáng)了我們對知識的運(yùn)用。同時也使我意識到一個良好的設(shè)計思路，是電路的生命。寧愿在思路設(shè)計上多花時間，因?yàn)榱己迷O(shè)計思路恰恰給后期制作成功的保障，更能節(jié)省時間。同樣在制作過程中，馬虎不得，粗心不得，一步一步來。課設(shè)要求我們充分的運(yùn)用知識，所以要充分利用網(wǎng)上的資料，圖書館的資源，以及一切可以利用的資源，來添補(bǔ)我們知識上的盲區(qū)，使我們的知識更系統(tǒng)化，完善化。本次課設(shè)是一個以小組為單位，我們小組成員密切配合，提出問題，解決問題，分工合作，培養(yǎng)了我們團(tuán)隊合作的精神。我們集合了多人的智慧，互相討論，相互辯駁最后找到解決問題的最優(yōu)方案，完成了設(shè)計任務(wù)，使我們的作品較好地達(dá)到預(yù)期要求。通過本次的數(shù)模電課程設(shè)計， 讓我將以前所學(xué)的書本的知識變成了自己親手做的實(shí)物， 不僅完成了老師布置的課程設(shè)計任務(wù)，更使第一次將書本的知識充分的利用到實(shí)踐當(dāng)中， 其中的酸甜苦辣，歡欣喜悅，也只有自己能夠體會。紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行，平時的課堂遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的需要，在將來的學(xué)習(xí)生 活中，我們更應(yīng)