數(shù)電課程設(shè)計(jì)

1、 2011-2012學(xué)年第二學(xué)期數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 學(xué)院 材料與能源學(xué)院 姓名 專業(yè) 班級(jí) 指導(dǎo)教師 陳國鼎 2012年6月 22日 交通燈控制電路設(shè)計(jì)1、 設(shè)計(jì)目的1.掌握交通燈控制電路的設(shè)計(jì)、組裝與調(diào)試方法。2.熟悉數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)和使用方法。二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號(hào)燈。2.當(dāng)主干道允許通行亮綠燈時(shí)，支干道亮紅燈，主干道亮綠燈時(shí)間為30秒。而支干道允許通行亮綠燈時(shí)，主干道亮紅燈，支干道亮綠燈20秒。3.在每次由亮綠燈變成亮紅燈的轉(zhuǎn)換過程中間，要亮5s的黃燈作為過渡，設(shè)置5s計(jì)時(shí)顯示電路。主干道亮黃燈的時(shí)候支道亮紅燈，同樣，支干道亮黃燈的時(shí)候主干道亮紅燈

2、。4.主干道和支干道分別設(shè)置2組LED數(shù)碼管以倒計(jì)時(shí)的方式顯示當(dāng)前燈亮的時(shí)間。三、原理電路和程序設(shè)計(jì)（1）方案比較方案一：用數(shù)字電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)交通燈控制   交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由控制器、定時(shí)器、譯碼器和秒脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時(shí)器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時(shí)器和譯碼器的工作。圖中：TL:表示甲車道或乙車道綠燈亮的時(shí)間間隔為25秒，即車輛正常通行的時(shí)間間隔。定時(shí)時(shí)間到，TL=1，否則，TL=0。TY：表示黃燈亮的時(shí)間間隔為

3、5秒。定時(shí)時(shí)間到，TY=1，否則，TY=0。ST：表示定時(shí)器到了規(guī)定的時(shí)間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)。由它控制定時(shí)器開始下個(gè)工作狀態(tài)的定時(shí)。                  圖1系統(tǒng)的原理框圖交通燈控制器（1）主干道綠燈亮，支干道紅燈亮。表示主干道上的車輛允許通行，支干道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間隔TL時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（2）主干道黃燈亮，支干道紅燈亮。表示主干道上未過停車線的車輛停

4、止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，支干道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時(shí)間間隔TY時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（3）主干道紅燈亮，支干道綠燈亮。表示主干道禁止通行，支干道上的車輛允許通行綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔TL時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（4）主干道紅燈亮，支干道黃燈亮。表示主干道禁止通行，支干道上位過縣停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔TY時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器器進(jìn)行控制的。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、11

5、、10，并分別用S0、S1、S3、S2表示，則控制器的工作狀態(tài)及功能如表1、2所示，控制器應(yīng)送出主、支干道紅、黃、綠燈的控制信號(hào)。為簡便起見，把燈的代號(hào)和燈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)合二為一，并作如下規(guī)定：  控制狀態(tài)信號(hào)燈狀態(tài)車道運(yùn)行狀態(tài)S0（00）主綠、支紅主干道通行，支干道禁止通行S1（01）主黃、支紅主干道緩行，支干道禁止通行S3（11）主紅、支綠主干道禁止通行，支干道通行S2（10）主紅，支黃主干道禁止通行，支干道緩行AG=1主干道綠燈亮支干道通行BG=1支干道綠燈亮支干道通行AY=1主干道黃燈亮主干道緩行BY=1支干道黃燈亮支干道緩行AR=1主干道紅燈亮主干道禁止通行BY=1支

6、干道紅燈亮支干道禁止通行。如表1。控制狀態(tài)信號(hào)燈狀態(tài)車道運(yùn)行狀態(tài)S0（00）主綠、支紅主干道通行，支干道禁止通行S1（01） 主黃、支紅主干道緩行，支干道禁止通行S3（11）主紅、支綠主干道禁止通行，支干道通行S2（10）主紅，支黃主干道禁止通行，支干道緩行AG=1主干道綠燈亮主干道通行BG=1支干道綠燈亮支干道通行AY=1主干道黃燈亮主干道緩行BY=1支干道黃燈亮支干道緩行AR=1主干道紅燈亮主干道禁止通行BY=1支干支干道紅燈亮支干道禁止通行表1圖2. 交通控制燈電路設(shè)計(jì)如圖1所示為交通控制電路設(shè)計(jì)方案圖，根據(jù)概述中的設(shè)計(jì)思想及方法來實(shí)現(xiàn)下圖的交通指示燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中描述的指示燈的轉(zhuǎn)換及每種

7、狀態(tài)維持的時(shí)間。（2） 方案二：用單片機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)交通燈控制采用單片機(jī)AT89C51來設(shè)計(jì)并制作，這種方案的硬件較少，基本上設(shè)計(jì)沒什么難度，用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)交通燈控制是最容易實(shí)現(xiàn)的，而且該電路可靠性也很高，但是這是要求設(shè)計(jì)者要有單片機(jī)編程的基礎(chǔ)上才能完成設(shè)計(jì)。由于單片機(jī)方面的知識(shí)還沒學(xué)，故此方案缺乏知識(shí)基礎(chǔ)。 綜上所述，選擇方案一。4、 整體電路（畫出必要波形圖）；（2）單元電路設(shè)計(jì)； 1）主控制器 主控電路是本課題的核心，主要控制30s、20s、5s三個(gè)定時(shí)器，它的輸出一方面經(jīng)譯碼后分別控制主干道和支干道的三個(gè)信號(hào)燈，另一方面控制定時(shí)電路啟動(dòng)。主控電路屬于時(shí)序邏輯電路，可采用狀態(tài)機(jī)的方法進(jìn)行設(shè)

8、計(jì)。 主干道和支干道各自的三種燈（紅、黃、綠），正常工作時(shí)，只有4種可能，即4種狀態(tài)：主綠燈和支紅等亮，主干道通行，啟動(dòng)30s定時(shí)器，狀態(tài)為S0；主黃燈和支紅燈亮，主干道停車，啟動(dòng)5s定時(shí)器， 狀態(tài)為S1；主紅燈和支綠燈亮，支干道通行，啟動(dòng)20s定時(shí)器，狀態(tài)為S2；主紅燈和支黃燈亮，支干道停車，啟動(dòng)5s定時(shí)器，狀態(tài)為S3。四種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5：主綠燈支紅燈亮主黃燈支紅燈亮主紅燈支綠燈亮主紅燈支黃燈亮已過5sS0S1S2S3未過30s已過30s已過20s未過20ss未過5s未過5s已過5s圖5交通燈控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖本次設(shè)計(jì)使用2個(gè)74LS112JK觸發(fā)器表達(dá)上述四種狀態(tài)的分配和轉(zhuǎn)換。它的管腳圖

9、和邏輯功能圖如下：2）計(jì)時(shí)器電路這些計(jì)時(shí)器除需要秒脈沖作時(shí)鐘信號(hào)外，還應(yīng)受主控器的狀態(tài)的控制。例如30s計(jì)時(shí)器應(yīng)在主控器進(jìn)入S0狀態(tài)（主干道通行）時(shí)開始計(jì)時(shí)，同樣20s計(jì)時(shí)器必須在主控器進(jìn)入S2狀態(tài)時(shí)開始計(jì)數(shù)，而5s計(jì)時(shí)器則要在進(jìn)入S1或S3狀態(tài)時(shí)開始計(jì)數(shù)，待到規(guī)定時(shí)間分別使計(jì)數(shù)器復(fù)零。設(shè)計(jì)中計(jì)數(shù)器可以采用兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)連成三十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，為使復(fù)零信號(hào)有足夠的寬度，可采用基本RS觸發(fā)器組成反饋復(fù)零電路。按同樣的方法可以設(shè)計(jì)出20s和5s計(jì)時(shí)電路，與30s計(jì)時(shí)電路相比，后兩者只是控制信號(hào)和反饋信號(hào)的引出端不同而已。此次設(shè)計(jì)采用了2個(gè)74HC190D計(jì)數(shù)器級(jí)連成三十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，它的管

10、腳圖和邏輯功能如下：3）顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路（1）信號(hào)燈譯碼電路主控器的四種狀態(tài)分別要控制主、支干道紅黃綠燈的亮與滅。令燈亮為“1”，燈滅為“0”，主干道紅黃綠等分別為R、Y、G，支干道紅黃綠等分別為r、y、g，則信號(hào)燈譯碼電路真值表為：表1信號(hào)燈譯碼電路真值表輸入輸出SQ1Q0RYGrygS000001100S101010100S210100001S311100010由真值表進(jìn)一步得到各燈的邏輯表達(dá)式，為了實(shí)現(xiàn)各燈的邏輯表達(dá)，本次設(shè)計(jì)用了2個(gè)74HC08D實(shí)現(xiàn)四個(gè)與門功能和2個(gè)74HC32D實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或門功能。 （2）計(jì)時(shí)顯示譯碼電路計(jì)時(shí)顯示實(shí)際是一個(gè)定時(shí)控制電路，當(dāng)30s、20s、5s任一計(jì)數(shù)器

11、計(jì)數(shù)時(shí)，在主支干道各自可通過數(shù)碼管顯示出當(dāng)前的計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)器輸出的七段數(shù)碼顯示用BCD碼七段譯碼器驅(qū)動(dòng)即可。設(shè)計(jì)中，使用了2個(gè)74LS48D譯碼器來實(shí)現(xiàn)。它的管腳圖和邏輯功能如下： 74LS48D 是由與非門、輸入緩沖器和 7 個(gè)與或非門組成的 BCD-7 段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器。輸出是高電平有效。7 個(gè)與非門和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器成對連接，以產(chǎn)生可用的 BCD 數(shù)據(jù)及其補(bǔ)碼至7個(gè)與或非譯碼門。剩下的與非門和 3 個(gè)輸入緩沖器作為試燈輸入端、滅燈輸入/動(dòng)態(tài)滅燈輸出端及動(dòng)態(tài)滅燈輸入端。該電路接受 4 位二進(jìn)制編碼十進(jìn)制數(shù)（BCD）輸入，并根據(jù)輔助輸入的狀態(tài)，將這些數(shù)據(jù)譯成驅(qū)動(dòng)其它元件的碼。LS48 有前、后沿自

12、動(dòng)滅零控制。當(dāng)端處于高電平時(shí)，試燈可以在任何時(shí)刻去進(jìn)行。電路并有滅燈輸入，可用來控制燈亮度或禁止輸出。LS48 在應(yīng)用中可以驅(qū)動(dòng)共陰極的發(fā)光二極管或燈緩沖器。 4）時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器電路 555組成的多諧振蕩器可以用作各種時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，此次設(shè)計(jì)就是555定時(shí)器構(gòu)成多諧震蕩器，震蕩頻率為： f=1.43/(R1+2R2)C電路圖如下圖：秒脈沖產(chǎn)生器 （4）說明電路工作原理; （5）元件選擇。元件購買清單如下：74ls112d174ls08d174ls32d174ls04d174ls190d274ls48d25101as共陰數(shù)碼管2 紅黃綠三色 LED6300歐姆電阻 14 杜邦線、導(dǎo)線若干 萬用板

13、 1NE555芯片 1電容10uF、0.01uF 各1個(gè)2k電位器 1個(gè) 47k歐姆電阻 6個(gè)4、 電路和程序調(diào)試過程與結(jié)果：1、根據(jù)題目的要求，整個(gè)交通燈控制系統(tǒng)需要有2個(gè)時(shí)間顯示器，6個(gè)交通信號(hào)燈。2、電路默認(rèn)把通車時(shí)間設(shè)為30秒，打開總開關(guān)，主干道的綠燈亮；支干道的紅燈亮，示波器顯示時(shí)間為30秒；然后黃燈以每一秒的速度閃亮，主干道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，而且黃燈每秒閃一次，其余燈都不變。再過5秒后，電路又轉(zhuǎn)換成預(yù)置的20秒，主干道的黃燈轉(zhuǎn)換為紅燈，支干車道的紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈。如此循環(huán)下去。具體時(shí)間見下圖： 支干道主干道時(shí)間（S）綠燈黃燈紅燈綠燈黃燈紅燈100001300100015001100200010105.。5、 總結(jié) 本次課程設(shè)計(jì)讓我獲益良多，加強(qiáng)了我的動(dòng)手，思考和解決問題的能力，鞏固數(shù)字邏輯電路的理論知識(shí)， 方案總共只用了九個(gè)芯片，對1190計(jì)數(shù)器更加了解，懂得它的功能與其它芯片替換等.使JK觸發(fā)器從書本上的理論知識(shí)聯(lián)系到實(shí)際,讓我更加了解它的功能.還有如何利用555芯片產(chǎn)