交通燈控制器課程設計報告

1、數(shù)字電路課程設計報告書交通燈控制器一、設計題目：交通燈控制器交通燈控制器是可以自動控制交通燈，并以倒計時的方式顯示出時間，方便行人和車輛在通行時有條不紊的通行，達到交通井然有序，出行人員安全快捷的到達目的地的效果。本次實驗的就是想通過這樣的一個實例，來結合數(shù)字電路課程的學習共同實現(xiàn)這樣的一個應用工具，達到理論和實踐相結合的目的。二、設計要求：設計一個十字路口控制交通秩序的交通燈，滿足以下條件：顯示順序為其中一組方向是綠、黃、紅；另一方向是紅、綠、黃。設置一組數(shù)碼管以倒計時的方式顯示語序通行或禁止通行時間，其中支通道綠燈的時間是20s，另一個方向上主通道的綠燈亮的時間是30s，黃燈亮的時間都是5

2、s.選做：當任何一個方向出現(xiàn)特殊情況，按下手動開關，其中一個方向通行，倒計時停止，當特殊情況結束后，按下自動控制開關恢復正常狀態(tài)。三、設計思路概述：1任務分析：交通燈控制器主要實現(xiàn)兩部分功能：東西、南北雙向通路的紅、綠、黃燈控制；東西向主通路的倒計時顯示。另外，在此設計中還實現(xiàn)了緊急情況下的強制中斷功能。2實現(xiàn)方案：實現(xiàn)這個交通燈控制器可以采用pld、fpga、單片機等可編程器件或基本數(shù)字邏輯器件實現(xiàn)。在這次實驗中采用74系列數(shù)字集成芯片和555時基芯片實現(xiàn)相應功能，在本報告的最后附有用atmel公司89c52實現(xiàn)同樣功能的電路設計圖及c51程序。3具體功能分析：此電路為十字路口交通燈控制電路

3、，要求東西向和南北向不能同時出現(xiàn)綠（黃）燈，發(fā)生“撞車”現(xiàn)象。即當某一方向為綠燈或黃燈時，另一方向必為紅燈。東西向主通路有倒計時顯示。設計時序如下：r30sy5sg20s東西向g25sy5sr25s南北向脈沖輸出部分計時控制部分數(shù)字顯示部分彩燈控制部分彩燈顯示部分4電路框圖設計：說明：脈沖輸出部分為555時基芯片構成的多次諧波振蕩器，由其產生周期為1s的時鐘脈沖信號。計時控制部分主要由兩片74ls161（十六進制同步加法計數(shù)器）、74ls74（邊沿d觸發(fā)器）及邏輯門電路構成。產生30s、20s和5s的倒計時信號。彩燈控制部分將計時控制部分輸出的信號通過邏輯門電路及74ls139（雙24線譯碼器

4、）產生控制信號，控制彩燈按照響應時序顯示，并將74ls139的輸出信號反饋回計時控制部分實現(xiàn)三種倒計時之間的切換。數(shù)字顯示部分主要由74ls48（7段顯示譯碼器）、74ls04（反相器）及8段共陰極數(shù)碼管構成，通過接入計時控制部分的信號實現(xiàn)倒計時顯示。四、單元電路設計：1脈沖輸出部分：脈沖輸出部分為555時基芯片構成的多次諧波震蕩器，電路原理圖如右：其中器件參數(shù)分別為r1=4.7k，r2=150k，c1=4.7f，c2=0.01f。產生的時鐘脈沖為周期t=1s的方波。電容c1充電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為tw1=0.7(r1+r2)c=0.7×(150k+4.7k) ×4.70.

5、5s電容c1放電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為tw2=0.7r2c=0.7×150k×4.70.5s因此，電路輸出矩形脈沖的周期為t= tw1tw21s輸出占空比為q= tw1/t50%2計時控制部分：通過兩片74ls161級聯(lián)實現(xiàn)最大模值為256的加法計數(shù)功能，用低位片u2的輸出口rco控制高位片u3的使能端ent，即低位片u2產生進位信號后高位片開始工作。由于主通路（東西向）交通燈時序為紅燈30s、綠燈20s、黃燈5s，故此子系統(tǒng)應實現(xiàn)模30計數(shù)、模20計數(shù)和模5計數(shù)間的切換，亦即低位片模值為10105的切換，高位片模值為320的切換。在具體電路實現(xiàn)過程中，采用74ls74芯片控

6、制高位片的數(shù)據(jù)置入，并利用彩燈控制部分的輸出控制低位片數(shù)據(jù)的置入。由于數(shù)字顯示部分要求倒計時顯示，故置入數(shù)據(jù)時取數(shù)碼管相應顯示碼值的反碼，具體數(shù)據(jù)表格見數(shù)字顯示部分。在此電路中，開關sw2、sw1分別控制高、低位片的強制置數(shù)，當sw2、sw1接低電平時，若sw3接高電平，高位片被強制置入數(shù)據(jù)1111，低位片通過彩燈控制部分的反饋信號被置入數(shù)據(jù)1011。此時，將sw2、sw1接高電平，計數(shù)開始，進入有效循環(huán)前5s的偏離態(tài)。當?shù)臀黄M位后，高、低位片進位端均為1，u9a輸出端為1，u6c、u6d輸出端為0，即高、低位片load端為0，實現(xiàn)置數(shù)功能。高位片置入數(shù)據(jù)為 d0n+1=d1n,d1n+1=

7、d0nd1n，當高低位片同時產生進位信號，74ls74產生上升沿，即每次倒計時完畢后進行置數(shù)。低位片置入數(shù)據(jù)由黃燈亮滅控制，當黃燈亮時置入數(shù)據(jù)為1011，黃燈滅時置入數(shù)據(jù)為0110。計時系統(tǒng)與東西向主通路交通燈亮滅情況真值表如下：低位片（u2）高位片（u3）彩燈d0d1d2d3q0q1q2q3d0d1d2d3q0q1q2q30110模10計數(shù)0111模2計數(shù)綠1101模5計數(shù)1111停止計數(shù)黃0110模10計數(shù)1011模3計數(shù)紅3彩燈控制顯示部分：彩燈控制部分分兩路實現(xiàn)，東西向（主通路）彩燈由于時序與倒計時相同，故不需另加單獨的計數(shù)電路，只需用門電路和譯碼器等器件將計數(shù)部分中的信號引致彩燈。南

8、北向時序與東西向不同，故另外用一片74ls161控制，具體設計如下：.東西向：計數(shù)控制部分高位片的置數(shù)端d0、d1分別接到74ls139的a、b端子，其輸出端y1、y2、y3分別接紅、綠、黃燈。當高位片置入數(shù)據(jù)為1110，低位片置入數(shù)據(jù)為0110，即倒計時20s時，74ls139的a、b端分別為0、1，此時輸出數(shù)據(jù)為1011，即綠燈亮。同理，當高位片置入數(shù)據(jù)為1111，低位片置入數(shù)據(jù)為1011，即倒計時5s時，74ls139的a、b端分別為1、1，此時輸出數(shù)據(jù)為0111，即黃燈亮；當高位片置入數(shù)據(jù)為1101，低位片置入數(shù)據(jù)為0110，即倒計時30s時，74ls139的a、b端分別為1、0，此時

9、輸出數(shù)據(jù)為1101，即紅燈亮。.南北向南北向彩燈由東西向彩燈和另一片74ls161（u12）單獨控制。u12的enp、ent、load全部接高電平，即禁止置數(shù)，mr端子接q0（高）q1（高）y1（74ls39）相與的輸出。設計思路如下：由時序圖可知，當東西向紅燈亮且高位片為0，即南北向紅燈倒計時至10s時，u12開始計數(shù)，當紅東西向燈熄滅時計數(shù)停止，共計數(shù)10s，通過邏輯門電路組合可以實現(xiàn)使其前5s輸出為1，后5s輸出為0，即后5s時南北向黃燈亮。當10s計時結束后，南北向應變?yōu)榧t燈，而此時東西向先持續(xù)5s黃燈后持續(xù)25s綠燈，故南北向紅燈接東西向黃、綠燈信號相與的結果。u12（74ls161

10、）計數(shù)輸出與南北向黃燈亮滅真值表如下：u12（74ls161）outputq3q2q1q000001000110010100111010010101001100011101000010010101001011011000110101110011110注：output=0時黃燈亮；output=1時黃燈滅。化簡得：output=q0q1q2q3。實現(xiàn)電路如上圖所示。南北向綠燈的控制信號為南北向紅燈和黃燈的與非，即紅燈和黃燈均不亮時綠燈亮。4強制中斷系統(tǒng)：當出現(xiàn)緊急情況時，交通燈應具有強制某路通行或中斷的功能。在此系統(tǒng)中，如出現(xiàn)緊急情況，斷開“緊急中斷”開關（見總電路圖），即切斷cp脈沖輸入，計時

11、停止，此時將sw4接高電平，sw5接低電平，東西向強制通行；反之，若將sw5接高電平，sw4接低電平，南北向強制通行。5數(shù)字顯示部分：由74ls48（7段顯示譯碼器）真值表可知，要實現(xiàn)90倒計時可通過置入0110取反后得到，真值表如下：74ls161（output）74ls48（input）characterq3q2q1q0a3a2a1a00110100190111100081000011171001011061010010151011010041100001131101001021110000111111000006.元器件列表：型號名稱數(shù)量74ls00與非門174ls04非門374ls08

12、與門274ls48七段顯示譯碼器274ls74雙上升沿d觸發(fā)器174ls139雙二四線譯碼器174ls161四位二進制加法計數(shù)器3ne555時基芯片1100電阻64.7k電阻1150電阻10.01f電容14.7f電容17段數(shù)碼管7段數(shù)碼管2紅、綠、黃發(fā)光二極管6五、總體電路圖：六、電路組裝完成后，實際測量的各個單元電路的輸入、輸出信號波形：電路組裝調試完成后，測得各單元電路輸入輸出如下：1脈沖輸出部分：輸入：+5v直流電壓信號。輸出：周期t1s，占空比q=50%的矩形波。2計時控制部分：輸入、輸出高電平時大于4v，低電平小于0.3v，符合要求，且無邏輯錯誤。3彩燈控制顯示部分：輸入、輸出高電平

13、時大于4v，低電平小于0.3v，符合要求，且無邏輯錯誤。4數(shù)字顯示部分：輸入、輸出高電平時大于4v，低電平小于0.3v，符合要求，且無邏輯錯誤。七、電路組裝、調試過程中發(fā)生的問題及解決的方法：1出現(xiàn)錯誤電平故障現(xiàn)象：計時控制部分獨立工作時正常，接入彩燈控制顯示部分反饋后出現(xiàn)邏輯錯誤。檢查步驟：（1）檢查電路各部分電氣連接是否正常，無短路和開路現(xiàn)象；（2）檢測距后級輸出最近的端口電壓，發(fā)現(xiàn)74ls161部分端口出現(xiàn)12v的錯誤電平；（3）沿信號流向逆向檢查電平值，發(fā)現(xiàn)錯誤電平為彩燈控制顯示部分反饋引入；（4）分析故障原因，發(fā)光二極管正極接高電平（+5v），由于二極管導通壓降近似為0.7v，限流電

14、阻僅為33，分壓能力有限，導致所取的反饋信號出現(xiàn)錯誤電平。解決方案：將33電阻改換為100，錯誤邏輯消失，重新檢測各點電平值，均符合要求。2數(shù)字顯示部分顯示結果混亂故障現(xiàn)象：將計時部分和數(shù)字顯示部分連接完后，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示字符為亂碼，且無一定規(guī)律。檢查步驟：（1）檢查電路各部分電氣連接是否正常，部分管腳接觸不良，按壓芯片，使其完全解除故障仍未解除；（2）檢測各輸入、輸出端口電壓，部分管腳出現(xiàn)錯誤電平；（3）分析錯誤電平產生原因，無反饋回路，反相器輸入正常，輸出為錯誤電平，疑是74ls04反相器芯片自身故障。解決方案：更換故障芯片，數(shù)碼管顯示正常，重新檢測各點電平值，無錯誤電平出現(xiàn)。九、心得體會

15、在本次課程設計中，我主要認識到如下幾個問題：1.理論知識與實際操作存在差異，如利用555構成多諧振蕩器時，將器件參數(shù)套用公式進行理論計算得到周期t=1s，但在實際操作時發(fā)現(xiàn)此處存在較大誤差，周期明顯小于1s；又如理論規(guī)定邏輯高電平和邏輯低電平分別為3v和0.35v，但實際操作中發(fā)現(xiàn)一般大于2.5v的電平均可看作高電平，不會出現(xiàn)邏輯錯誤，而低電平上限也可達到0.5v左右。2.數(shù)字電路與邏輯設計的課程學習過程中，過多的偏重于電路邏輯功能的設計，考慮其實際實現(xiàn)則較少，比如芯片的穩(wěn)定性、帶載能力，工作環(huán)境等問題在設計中都沒有考慮，很多設計在實驗室環(huán)境下雖然可以正常工作，但不適宜投入生產。3.排除故障的

16、能力和設計電路的能力同樣重要。在此次課程設計中，很多同學在設計和連接電路上花費的時間并不多，但卻把大量的時間耗費在檢查故障上，經常還會因為查不出故障或無法解決故障重新連接電路。我覺得在日常生活和實際生產中，需要解除故障的地方遠比設計電路要多，從一次實驗中發(fā)現(xiàn)故障，逐步摸索排除故障的方法和技巧是極為重要的。我在排除電路的故障中逐步掌握了電平高低的檢測技巧和根據(jù)信號流向檢查故障的方法，并對萬用表的使用技巧有了更深入的實踐和學習。十、參考文獻1.數(shù)字電路與邏輯設計（脈沖與數(shù)字電路）第三版 王毓銀 主編 高等教育出版社 1999年2.數(shù)字電路實驗指導書 張亞婷 王利 楊樂 周麗娟 郭華 編 西安郵電學

17、院電子與信息工程系 2004年3.數(shù)字邏輯集成電路手冊 趙負圖 主編 化學工業(yè)出版社 2005年西安郵電學院 自動化 系 課程設計 過程考核表學生姓名盧小琦班級/學號06081012(12)承擔任務實驗室（單位）電路與電子技術基礎教學部所在部門電子工程學院實施時間2010年6月21日 2010年7月2日具體內容第一周周一：聽老師講授數(shù)字電路的設計方法及需要注意的問題；周二：選定題目，并設計電路，完成電路設計；周三：電路仿真；周四：領取元器件，開始組裝電路；周五：組裝電路；第二周周一：組裝電路；周二：老師驗收電路；周三：寫實驗報告；周四：寫實驗報告；周五：實驗總結；指導教師（師傅）姓名陳東職務或職稱講師指導教師（師傅）對學生的評價學習態(tài)度 認真 一般 不認真學習紀律 全勤 偶爾缺勤 經常缺勤實踐能力 很強 一般 較差指導教師（師傅）對學生專業(yè)知識或社會實踐能力等情況的意見指導