數(shù)電課程設(shè)計(jì)交通燈

1、成績指導(dǎo)老師日期2011-6-19 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告實(shí)驗(yàn)課程名稱： 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)院系名稱： 專業(yè)名稱： 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱： 交通燈控制器 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 報(bào)告人： 一、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、使用555定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)2hz的周期信號(hào)作為時(shí)鐘信號(hào)。2、使用2個(gè)發(fā)光二極管來分別表示紅、綠交通燈：綠燈亮30秒后，轉(zhuǎn)紅燈亮30秒，再進(jìn)行下一個(gè)周期循環(huán)，每一個(gè)時(shí)刻保證只有一盞燈亮。3、使用2個(gè)發(fā)光二極管和兩位數(shù)碼管來顯示人行道狀況。4、當(dāng)交通燈紅燈亮?xí)r，人行道綠燈亮，并且數(shù)碼管顯示人可以通過余下來的時(shí)間。5、人行道綠燈亮25秒后蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲3秒后停止。6、人行道綠燈亮28秒后轉(zhuǎn)人行道紅燈亮，數(shù)碼管不顯示

2、。二、設(shè)計(jì)意義在十字路口設(shè)置交通燈可以對(duì)交通進(jìn)行有效地疏通，并為交通參與者的安全提供了強(qiáng)力保障。隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，舊有的人力系統(tǒng)控制已經(jīng)不再適應(yīng)現(xiàn)代的日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統(tǒng)，如何使其日益繁忙的交通狀況得到改善，就成為了當(dāng)前重要的研究課題。研究交通燈控制系統(tǒng)的目的在于：1、 在時(shí)間和空間上分隔交叉不同方向的車流，控制車輛的行駛秩序，保證交通不會(huì)出現(xiàn)擁擠情況。2、 使再平面交叉口的道路網(wǎng)絡(luò)上的人和車輛的疏通效率達(dá)到最大化。3、 為道路使用者提供必要的信息，幫助他們有效使用交通設(shè)施。三、設(shè)計(jì)原理1、總體設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)內(nèi)容為交通燈控制器，由時(shí)鐘發(fā)生器、定時(shí)器、延時(shí)模塊、秒

3、脈沖發(fā)生器、倒時(shí)器、譯碼顯示、信號(hào)燈等模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如下所示：時(shí)鐘發(fā)生器定時(shí)器延時(shí)模塊一主干道信號(hào)燈秒脈沖發(fā)生器倒時(shí)器延時(shí)模塊二人行道信號(hào)燈蜂鳴器譯碼、顯示原理圖如下：2、時(shí)鐘發(fā)生器時(shí)鐘發(fā)生器由ne555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，產(chǎn)生一個(gè)2hz的時(shí)鐘信號(hào)。（1）ne555功能介紹：ne555為8腳時(shí)基集成電路，各腳主要功能：1地 gnd 2觸發(fā) 3輸出 4復(fù)位 5控制電壓 6門限(閾值） 7放電 8電源電壓vcc。（2）時(shí)鐘發(fā)生器工作原理：將ne555定時(shí)器的2腳和6腳相連并通過電容c接地，同時(shí)通過rb接到7腳，7腳通過ra接到電源vcc，這樣就構(gòu)成了一個(gè)多諧振蕩器，其電路如下所示：電路

4、的振蕩周期為t=（ra+2rb）c ln2則其振蕩頻率為f=1/t=1/(ra+2rb)c ln2在此選擇ra=rb=510k，c=0.47uf，所以f=2hz。多諧振蕩電路3、定時(shí)器定時(shí)器主要由兩塊74ls161組成，實(shí)現(xiàn)定時(shí)30s的功能。（1）74ls161功能介紹：當(dāng)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

5、，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= q0q1q2q3cet。合理應(yīng)用計(jì)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。封裝圖：（2）定時(shí)器工作原理：該定時(shí)器是由兩塊74ls161組成的同步加法計(jì)數(shù)器，采用并行進(jìn)位、異步清零方式，其時(shí)鐘信號(hào)均由時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生的2hz的信號(hào)提供，低位的進(jìn)位輸出作為高位的使能信號(hào)，接到ep、et兩端，而且清零信號(hào)為，即當(dāng)計(jì)數(shù)器狀態(tài)為00111100b（60）時(shí)異步清零，將清零信號(hào)load取反，同時(shí)輸入到74ls161的異步清零端。4、延時(shí)模塊一該延時(shí)模塊采用d觸發(fā)器，即74ls74組成，實(shí)現(xiàn)延時(shí)3

6、0s。（1）74ls74功能介紹：74ls74內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的d上升沿雙d觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（d）、置位輸入（）、復(fù)位輸入（）、時(shí)鐘輸入（cp）和數(shù)據(jù)輸出（q）。、的低電平使輸出預(yù)置或清除，而與其它輸入端的電平無關(guān)。當(dāng)、均無效（高電平式）時(shí)，符合建立時(shí)間要求的d數(shù)據(jù)在cp上升沿作用下傳送到輸出端。功能表：邏輯圖：（2）延時(shí)模塊工作原理：將d觸發(fā)器的1腳、4腳接電源，2腳和8腳相連，定時(shí)器的清零信號(hào)load作為其時(shí)鐘輸入，即q（5腳）和（6腳）的狀態(tài)每30s改變一次，從而使其各個(gè)狀態(tài)均保持30s。主干道信號(hào)燈的正向端接電源，綠燈反向端接q，紅燈反向端接。當(dāng)q為零時(shí)，綠燈亮；當(dāng)為零時(shí)，紅燈

7、亮。5、秒脈沖發(fā)生器該秒脈沖發(fā)生器也是由d觸發(fā)器組成，d觸發(fā)器的1腳、4腳接延時(shí)模塊一的q端，即當(dāng)紅燈亮?xí)r秒脈沖發(fā)生器開始工作。與上述延時(shí)模塊一類似，2腳和8腳相連，時(shí)鐘發(fā)生器輸出的2hz信號(hào)接到3腳，作為秒脈沖發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)，此時(shí)，秒脈沖發(fā)生器5腳輸出周期為1s的方波信號(hào)。6、倒時(shí)器該倒時(shí)器由兩片74ls193構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)28s倒計(jì)時(shí)。（1）74ls193功能介紹：74ls193是雙時(shí)鐘4位二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器。 74ls193的特點(diǎn)是有兩個(gè)時(shí)鐘脈沖（計(jì)數(shù)脈沖）輸入端cpu和cpd。在rd=0、ld1的條件下，作加計(jì)數(shù)時(shí),令cpd1,計(jì)數(shù)脈沖從cpu輸入；作減計(jì)數(shù)時(shí)，令cpu1，計(jì)數(shù)脈沖從c

8、pd輸入。此外，74ls193還具有異步清零和異步預(yù)置數(shù)的功能。當(dāng)清零信號(hào)mr1時(shí)，不管時(shí)鐘脈沖的狀態(tài)如何,計(jì)數(shù)器的輸出將被直接置零；當(dāng)mr0,pl0時(shí)，不管時(shí)鐘脈沖的狀態(tài)如何，將立即把預(yù)置數(shù)數(shù)據(jù)輸入端a、b、c、d的狀態(tài)置入計(jì)數(shù)器的qa、qb、qc、qd端，稱為異步預(yù)置數(shù)。電路可進(jìn)行反饋，而很容易的被級(jí)聯(lián)。即把借位輸出端和進(jìn)位輸出端分別反饋到后級(jí)計(jì)數(shù)器的減計(jì)數(shù)輸入端和加計(jì)數(shù)輸入端上即可。真值表： mrplcpucpdmode工作模式ab126計(jì)算公式大全hxxxreset (asyn.)清除llxxpreset (asyn.)預(yù)置lhhhno change保持lhhcount up加計(jì)數(shù)lh

9、hcount down 減計(jì)數(shù) h=高電平 l=低電平 x=不定（高或低電平） =由“低”“高”電平的躍變引腳功能表： cpu count up clock pulse input 計(jì)數(shù)芯片時(shí)鐘脈沖輸入cpd count down clock pulse input 倒計(jì)時(shí)時(shí)鐘脈沖輸入mr asynchronous master reset (clear) input 異步主復(fù)位（清除）輸入plasynchronous parallel load (active low) input 異步并行負(fù)載（低電平）輸入pnparallel data inputs 并行數(shù)據(jù)輸入838電子qnflip-f

10、lop outputs (note b) 觸發(fā)器輸出（附注b ）tcdterminal count down (borrow) output (note b) 終端倒計(jì)時(shí)（借）輸出（注b ）tcu terminal count up (carry) output (note b) 終端數(shù)最多輸出新藝圖庫封裝圖：（2）倒時(shí)器工作原理：將延時(shí)模塊一的q端信號(hào)取反后作為74ls193的異步清零信號(hào)，即當(dāng)主干道綠燈亮?xí)r對(duì)倒時(shí)器清零。該倒時(shí)器采用異步計(jì)數(shù)，由秒脈沖發(fā)生器輸出的1s信號(hào)作為倒時(shí)器低位時(shí)鐘輸入，高位時(shí)鐘信號(hào)由低位的借位輸出提供。其低位預(yù)置數(shù)為1001b，高位為0010b，且高低位的異步置數(shù)端

11、pl均與其借位輸出相連，由借位輸出控制。同時(shí)加計(jì)數(shù)信號(hào)cpu接高，減計(jì)數(shù)信號(hào)cpd接秒脈沖發(fā)生器的5腳輸出，即選擇減計(jì)數(shù)方式?？偟膩碚f，在主干道紅燈亮?xí)r，倒時(shí)器開始進(jìn)行減計(jì)數(shù)，低位從9開始減計(jì)數(shù)，高位從2開始減計(jì)數(shù)。當(dāng)高低位同時(shí)減為零時(shí)，高位有借位輸出，此輸出信號(hào)即為倒時(shí)器的輸出。7、延時(shí)模塊二延時(shí)模塊二與延時(shí)模塊一大致相同，只是延時(shí)模塊二的時(shí)鐘輸入信號(hào)由倒時(shí)器的輸出提供，以及d觸發(fā)器的q端接紅燈，端接綠燈。8、譯碼顯示譯碼模塊由74ls48組成，將倒時(shí)器高低位的觸發(fā)器輸出分別譯碼。（1）74ls48功能介紹：74ls48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器。封裝圖：功能表：74ls48引腳

12、功能表七段譯碼驅(qū)動(dòng)器功能表十進(jìn)數(shù)或功能輸入bi/rbo輸出ltrbid c b aabcdefg0hh0 0 0 0h11111101hx0 0 0 1h01100002hx0 0 1 0h11011013hx0 0 1 1h11110014hx0 1 0 0h01100115hx0 1 0 1h10110116hx0 1 1 0h00111117hx0 1 1 1h11100008hx1 0 0 0h11111119hx1 0 0 1h111001110hx1 0 1 0h000110111hx1 0 1 1h001100112hx1 1 0 0h010001113hx1 1 0 1h100

13、101114hx1 1 1 0h000111115hx1 1 1 1h0000000bixxx x x xl0000000rbihl0 0 0 0l0000000ltlxx x x xh1111111（2）譯碼顯示工作原理：兩片74ls48的輸入端分別與倒時(shí)器的高低位脈沖輸出相連。譯碼輸出端abcdefg分別與數(shù)碼管的abcdefg端相連。燈測試端以及滅零輸入端接高電平，滅燈輸入/滅零輸出的雙向端口與延時(shí)模塊二的5腳相連，即當(dāng)人行道紅燈亮?xí)r，譯碼顯示不工作。四、本人所作的工作原理圖的基本設(shè)計(jì)、pcb圖的主要設(shè)計(jì)、電路板主要的制作及電路板的調(diào)試五、電路測試、調(diào)試過程中的問題及解決方案1、在組裝好

14、所有元件后，上電進(jìn)行初始調(diào)試，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管能正常倒時(shí)顯示，但人行道和車道的紅綠燈均不亮，轟鳴器一直在響。在仔細(xì)檢查下，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管的正負(fù)極接反了，以及轟鳴器上的三極管封裝也畫錯(cuò)了，即三極管9013的引腳接錯(cuò)了。把錯(cuò)誤糾正之后，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管能發(fā)光，但不能正常地轉(zhuǎn)變狀態(tài)，而轟鳴器依然一直在響。2、在反復(fù)檢查電路板的布局后，懷疑是74ls161芯片出現(xiàn)故障，但在更換ic后，現(xiàn)象依舊，故排除芯片出現(xiàn)故障。3、在進(jìn)一步的檢查后，發(fā)現(xiàn)電路板原本接74ls00的插槽接上了74ls04，在更換正確的芯片后，卻發(fā)現(xiàn)只能倒計(jì)時(shí)3秒，即數(shù)碼管顯示28到26，然后轟鳴一聲，車道和人行道的紅綠燈依然是不規(guī)則地跳變。4

15、、在老師的幫助下，發(fā)現(xiàn)在焊接過程中掉落的焊盤與導(dǎo)線沒有正確地連接，而是錯(cuò)誤地把信號(hào)接到地線上，導(dǎo)致信號(hào)混亂。糾正錯(cuò)誤之后，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常工作，紅綠燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)化不符合題目要求，但實(shí)驗(yàn)情況有進(jìn)一步的好轉(zhuǎn)。5、根據(jù)種種現(xiàn)象，很難推斷出電路板的錯(cuò)誤位置在哪里。因此先從74ls161開始判斷，斷開其清零信號(hào)，發(fā)現(xiàn)74ls161能正常工作，再把其清零信號(hào)接上，發(fā)現(xiàn)車道紅綠燈跳變不規(guī)則，再把其它邏輯門斷開，直接利用計(jì)數(shù)模塊的高低位輸出作為延時(shí)模塊一的時(shí)鐘信號(hào)，判斷車道紅綠燈跳轉(zhuǎn)是否正常。經(jīng)計(jì)時(shí)觀察，計(jì)數(shù)模塊正常，即可判斷清零在經(jīng)過邏輯門后出現(xiàn)故障。由上述步驟發(fā)現(xiàn)，綠燈持續(xù)24秒，接著紅燈持續(xù)30秒，然后

16、綠燈30秒、紅燈30秒，綠燈24秒即可判斷74ls161的高低位共同作用的清零信號(hào)出現(xiàn)“競爭冒險(xiǎn)”，即清零信號(hào)出現(xiàn)了毛刺，導(dǎo)致有時(shí)低位先清零，緊接著就開始計(jì)數(shù)，高位無法清零。雖然“競爭冒險(xiǎn)”持續(xù)時(shí)間只約為幾納秒，卻足以影響整塊板的正常工作。解決“競爭冒險(xiǎn)”可以選擇電容將毛刺濾去。在實(shí)際調(diào)試中，加電容并不能解決問題，可能所加入的小電容并不敏感。在這里，我們采取將計(jì)數(shù)模塊的高低位清零信號(hào)分開，各自清零，即可避免出現(xiàn)“競爭冒險(xiǎn)”。一旦解除了“競爭冒險(xiǎn)”，該電路板就能正常工作了，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目要求的功能，調(diào)試成功。其實(shí)，“競爭冒險(xiǎn)”并不是一定有害的，也可以利用“競爭冒險(xiǎn)”實(shí)現(xiàn)一些附加功能。在這次設(shè)計(jì)上，我們

17、恰恰利用了它，實(shí)現(xiàn)在開始倒計(jì)時(shí)，即人行道可通行的那一刻轟響一聲，提示行人可通行。因此，合理利用各種資源，可以實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的功能。六、設(shè)計(jì)心得經(jīng)過一個(gè)多星期的課程設(shè)計(jì)，由原理圖的設(shè)計(jì)到pcb圖的設(shè)計(jì)，再到pcb板的制作及調(diào)試過程，都從中學(xué)到了不少課堂所學(xué)不到的知識(shí)，也進(jìn)一步加深了對(duì)課本上知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解。這次設(shè)計(jì)，是我和我的搭檔根據(jù)設(shè)計(jì)要求，從零開始進(jìn)行設(shè)計(jì)，查閱了不少書籍和訪問了不少網(wǎng)站，從中提取有用的知識(shí)，才慢慢地設(shè)計(jì)出來的。僅僅是原理圖的設(shè)計(jì)就花了接近五天的時(shí)間，才能勉強(qiáng)地仿真出來。在完成原理圖后，就對(duì)元件進(jìn)行封裝。由于之前曾做過多個(gè)作品，所以畫封裝圖并不困難。但由于就用了之前的封裝圖，以前作品的封裝圖所遺留下來的問題并沒有及時(shí)解決，導(dǎo)致在調(diào)試過程中引起了一系列的問題。即使這次設(shè)計(jì)的