交通燈控制電路設計課題報告new

1、一、實驗目的1、掌握綜合應用理論知識和中規(guī)模集成電路設計方法 2、熟練掌握萬用電表、函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字電路實驗箱、示波器的正確使用方法。3、能識別和正確使用各種所需的集成塊、電阻、電位器等，熟悉集成塊的管腳功能結構。4、自行設計實驗圖、檢查和排除故障。5、掌握調(diào)試及電路主要技術指標的測試方法二、設計任務與要求有一條主干道和一條支干道的匯合點形成十指交叉路口，為確保車輛安全、迅速地行駛，在交叉路口的每個入口處設置了紅、綠、黃三色信號燈。紅燈亮禁止通行；綠燈亮允許通行；黃燈亮則給行駛中的車輛有時間?？康浇芯€之外。設計一個十字路口交通燈信號控制器，設計要求如下：1、 用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作

2、信號燈，用傳感器或用邏輯開關代替?zhèn)鞲衅髯鳈z測車輛是否到來的信號，設計制作一個交通燈控制器。2、 由于主干道車輛較多而支干道車輛較少，所以主干道處于常允許通行的狀態(tài)，而支干道有車來才允許通行，當主干道允許通行亮綠燈時，支干道亮紅燈。而支干道允許通行亮綠燈時，主干道亮紅燈。3、 當主、支干道均有車時，兩者交替允許通行，主干道每次放行24s，支干道每次放行20s，設立24s,和20s計時顯示電路。4、 在每次由亮綠燈轉變成亮紅燈的轉換過程中間，要亮4s的黃燈作為過渡，以使行駛中的車輛有時間停到禁止線以外，設置4s計時顯示電路。三、設計原理與參考電路1分析系統(tǒng)的邏輯功能，畫出其框圖交通燈控制系統(tǒng)的原理

3、框圖如圖12、1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準時鐘信號源，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。圖中： TL: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間間隔。定時時間到，TL=1，否則，TL=0。圖12、1 交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖2畫出交通燈控制器的ASM（Algorithmic State Machine，算法狀態(tài)機）（1）圖甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時間

4、隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)信號ST，轉到下一工作狀態(tài)。（2）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號ST，轉到下一工作狀態(tài)。（3）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行綠燈亮足規(guī)定的時間間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號ST，轉到下一工作狀態(tài)。（4）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車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)定的時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號ST，系統(tǒng)又轉

5、換到第（1）種工作狀態(tài)。 交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉換是由控制器器進行控制的。設控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、11、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12、1所示，控制器應送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見，把燈的代號和燈的驅(qū)動信號合二為一，并作如下規(guī)定： 表12、1 控制器工作狀態(tài)及功能控制狀態(tài) 信號燈狀態(tài) 車道運行狀態(tài)S0（00） 甲綠，乙紅 甲車道通行，乙車道禁止通行S1（01） 甲黃，乙紅 甲車道緩行，乙車道禁止通行S3（11） 甲紅，乙綠 甲車道禁止通行，甲車道通行S2（10） 甲紅，乙黃 甲車道禁止通行，甲車道緩行AG=1：甲車

6、道綠燈亮；BG=1：乙車道綠燈亮；AY=1：甲車道黃燈亮；BY=1：乙車道黃燈亮；AR=1：甲車道紅燈亮； BY=1：乙車道紅燈亮；由此得到交通燈的ASM圖，如 圖12、2所示。設控制器的初始狀態(tài)為S0（用狀態(tài)框表示S0），當S0的持續(xù)時間小于25秒時，TL=0（用判斷框表示TL），控制器保持S0不變。只有當S0的持續(xù)時間等于25秒時，TL=1，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號ST（用條件輸出框表示ST），并轉換到下一個工作狀態(tài)。依此類推可以弄懂ASM圖所表達的含義。三單元電路的設計1、基于NE555的秒方波發(fā)生器用NE555芯片以及外圍電路搭建成一個多諧振蕩器，通過設計外圍電路的參數(shù)輸出方波頻率為1H

7、z，故稱為秒方波發(fā)生器。由于脈沖的占空比對系統(tǒng)的影響不大，故把占空比設計為1/3。輸出方波用作計數(shù)器及D觸發(fā)器的clk信號。NE555定時器引腳圖如圖1所示，脈沖頻率公式：f=1（R1+2R2）C2選擇R1=47K，R2=47K，RV1=2K，C=10F，形成電路圖如圖2所示：圖1如上圖所示，R6和C2組成一個串聯(lián)的充放電電路，在NE555的7引腳上輸出一個方波信號C2上得到一個三角波，此三角波送到NE555的2腳輸入端。由NE555的內(nèi)部比較器和門電路共同作用，以維持7腳上的方波信號和3腳上的輸出方波。2. 倒計時計數(shù)器 這里是采用兩片74192兩片芯片構成16和11進制計數(shù)器,控制個位數(shù)字

8、的74192的減計數(shù)控制端接1HZ的脈沖輸入,其中輸入端A、C是接在一起并接在進制控制器的輸出端。其中兩個74192的置數(shù)端是由控制十位數(shù)字的74192一個高位輸出端QD通過一個非門接過來的，并且低位輸入端A接高電平，控制十位數(shù)字的74192的減計數(shù)控制端接控制個位數(shù)字的74192的借位輸出端BO。兩個74192的清零端都接在緊急開關的一端。如下圖：3黃燈控制電路 這里是采用數(shù)據(jù)分配器74138，該芯片的輸入端A、B、C 分別接倒計時計數(shù)器中的控制個位數(shù)字的74192的輸出端QA、QB、QC，為了保證是在顯示器只是在顯示05s時黃燈亮，應把此74138的使能端G1由倒計時計數(shù)器中的控制十位數(shù)字

9、的74192的輸出端QA與由倒計時計數(shù)器中的控制個位數(shù)字的74192的輸出端QD通過一個或門再經(jīng)過一個非門接過去。然后6輸出端Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5都分別經(jīng)過一個非門然后都接入一個或門，那么或門的輸出端就是接黃燈的，也即黃燈控制器的輸出端。如下圖：4信號燈轉換電路（計數(shù)進制轉換器） 信號燈轉換器其實就是由計數(shù)進制轉換器來實現(xiàn)，即一個JK觸發(fā)器，其中J、K端都同時接高電平，即構成了一個T觸發(fā)器，目的就是實現(xiàn)翻轉功能，其時鐘輸入端是由倒計時計數(shù)器中的兩片74192的八個輸出端經(jīng)過一個或門然后經(jīng)過一個非門接入。如下圖： 5交通燈顯示電路一個方向的紅燈由信號燈轉換電路的反向輸出端Q和一個緊

10、急開關的輸出端經(jīng)過一個或門接入,黃燈是由信號燈轉換電路的正向輸出端Q和一個緊急開關的輸出端經(jīng)過一個非門以及一個黃燈控制電路的輸出端經(jīng)過一個1HZ的脈沖源,這三個輸出端再經(jīng)過一個與門接入,綠燈由信號燈轉換電路的正向輸出端Q和一個緊急開關的輸出端經(jīng)過一個非門,這兩個輸出端再經(jīng)過一個與門接入;另一個方向的紅燈由信號燈轉換電路的正向輸出端Q和一個緊急開關的輸出端經(jīng)過一個或門接入,黃燈是由信號燈轉換電路的反向輸出端Q和一個緊急開關的輸出端經(jīng)過一個非門以及一個黃燈控制電路的輸出端經(jīng)過一個1HZ的脈沖源,這三個輸出端再經(jīng)過一個與門接入,綠燈由信號燈轉換電路的反向輸出端Q和一個緊急開關的輸出端經(jīng)過一個非門,這

11、兩個輸出端再經(jīng)過一個與門接入.其中還加入一人行道的信號燈,這些燈的接法就是紅燈接在相鄰車輛信號燈的綠燈上,綠燈接在相鄰車輛信號燈的紅燈上即可,也就是該方向上的車輛通行,人行道就禁通行,反之,人行道通行.如下圖:6.緊急開關該開關這里用的是單刀雙擲開關,一端就是接入每個交通燈,直接接紅燈,其它燈是經(jīng)過了一個非門接入,該端還接入到倒計時計數(shù)器兩片74192的清零端.另一端是不起作用,其實也可以用一個單刀單擲開關,該開關不僅能夠在發(fā)生緊急事件，可以手動控制四個方向紅燈全亮。在處理完緊急事件后,第一次開始進入正常運行狀態(tài)時還可以通過它控制切換選擇哪個方向開始先通行.圖7五、仿真及調(diào)試EWB仿真軟件簡介

12、隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，電子產(chǎn)品已與計算機緊密相連，電子產(chǎn)品的智能化日益完善，電路的集成度越來越高，而產(chǎn)品的更新周期卻越來越短。電子設計自動化（EDA）技術，使得電子線路的設計人員能在計算機上完成電路的功能設計、邏輯設計、性能分析、時序測試直至印刷電路板的自動設計。EDA是在計算機輔助設計（CAD）技術的基礎上發(fā)展起來的計算機設計軟件系統(tǒng)。與早期的CAD軟件相比，EDA軟件的自動化程度更高、功能更完善、運行速度更快，而且操作界面友善，有良好的數(shù)據(jù)開放性和互換性。電子工作平臺Electronics Workbench (EWB)(現(xiàn)稱為MultiSim) 軟件是加拿大Interactiv

13、e Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的電子電路仿真的虛擬電子工作臺軟件，它具有這樣一些特點：（1）采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計算機屏幕上模仿真實實驗室的工作臺，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選?。唬?）軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結果。（3）EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。（4）作為設計工具，它可以同其它流行的電路分析、設計和制板軟件交換數(shù)據(jù)。（5）EWB還是一個優(yōu)秀的電子技術訓練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗，仿真電路的實際運行情

14、況，熟悉常用電子儀器測量方法。因此非常適合電子類課程的教學和實驗。PCB圖：印刷圖樣式：功能測試時間顯示的調(diào)試因此在調(diào)試之初，高位片的借位信號作為計數(shù)器的置數(shù)控制信號在調(diào)試過程中存在00這種輸出狀態(tài)，這樣就會導致紅黃綠燈亮的時間分別為60-00，05-00,25-00。這樣每種燈亮的時間就會增加一秒成為61秒，6秒，26秒。這樣就不符合題目要求的時序。所以需要想辦法消除00這種狀態(tài)。后來想到0000 0000這種狀態(tài)來作為計數(shù)器的置數(shù)信號，同時這樣就會要求除0000 0000這種狀態(tài)，其他狀態(tài)時計數(shù)器都能正常倒計數(shù)。所以考慮到將計數(shù)器的八個輸出端相或作為置數(shù)信號。這個時候也恰好產(chǎn)生一個下降沿來

15、使控制電路輸出狀態(tài)轉化，進而使預置數(shù)電路的輸出變化，然后輸入到計數(shù)器，這樣剛剛好能達到效果。雖然用到了兩個四輸入與門和一個二輸入與門，但是能有效地消除00這種狀態(tài)。使得時序滿足設計要求，另外計數(shù)過程也更符合實際情況。時間預置的調(diào)試在設計之初，考慮到用盡量少的芯片作為時間的預置數(shù)電路，或者是直接用控制器的不同狀態(tài)在計數(shù)器上實現(xiàn)預置數(shù)，但是這樣需要用到比較多的邏輯門電路，是電路變得復雜，而且每次調(diào)整時間都的重新設計組合邏輯電路，比較繁瑣。后來考慮到用編碼器來進行時間預置。到參考了二十進制優(yōu)先編碼器。這是一種可行的時間預置電路，由于輸出的有效狀態(tài)是高電平，所以需在每個輸出端加一個非門。由于是優(yōu)先編碼

16、器，時間預置時只需要考慮優(yōu)先端，其他端保持輸入高電平即可，在控制電路輸出一種狀態(tài)對對應的置數(shù)讀入時，其他狀態(tài)的置數(shù)都無效。擴展功能的調(diào)試在設計的電路能完成任務要求后，我考慮通過對電路的局部修改來實現(xiàn)擴展功能。為了增強電路的擴展功能，可以在計數(shù)器的置數(shù)信號和控制開關相與來控制兩個觸發(fā)器的時鐘脈沖信號，因此當將主道的開關A擲0，打開秒脈沖發(fā)生器。然后將開關擲1即可開始計數(shù)，若需要控制從那種顏色的燈先開始計時，先將開關置1然后置0，即可產(chǎn)生一個下降沿脈沖，同時也是一個置數(shù)信號。可以置數(shù)為控制器控制的下一狀態(tài)。雖然很好的實現(xiàn)了擴展功能，使得任務的所有要求都能很好的實現(xiàn)。但是在這個時候我產(chǎn)生了一個疑問。

17、這是一個關于時間延遲的問題。在計數(shù)器的輸出變?yōu)?000 0000的瞬間，置數(shù)信號變?yōu)榈碗娖剑瑫r控制器產(chǎn)生下降脈沖，使得其狀態(tài)發(fā)生改變，我覺得置數(shù)信號沒有通過組合邏輯電路，應先于控制器狀態(tài)改變發(fā)生置數(shù)。比如，控制器輸出為00時，時間預置為44。當計數(shù)器的輸出產(chǎn)生置數(shù)信號時，由于時間延遲，這一瞬間，時間預置電路應該沒有選擇到05。所以，時間預置應該還是44。這種疑問并不是沒有意義，如果是在做電路實物時出現(xiàn)這用延遲，肯定就不能達到在電腦上仿真時的效果。后來想到，假設真是預置時間還是44不變，在置數(shù)完成之前，指數(shù)信號輸出仍然是0，此時計數(shù)器仍然處與置數(shù)狀態(tài)，這是時間預置電路應經(jīng)變?yōu)榱讼乱粋€狀態(tài)05，

18、然后計數(shù)器就置數(shù)為04，所以最終置數(shù)后輸出會是下一個狀態(tài)05（經(jīng)驗證這中間確實存在一個跳變即顯示輸出由44跳變?yōu)?，不過時間非常短暫），置數(shù)信號變?yōu)?，計數(shù)器開始正常工作。 在電路調(diào)試過程中很多時候都會遇到這種臨界狀態(tài)的時序問題，各種電路變化的先后問題，分析好這些情況才能更好的了解電路，對錯誤進行有針對性的迅速的調(diào)整，設計出比較好的電路。電路的整體調(diào)試將主道的開關A擲0，打開秒脈沖發(fā)生器。然后將開關擲1即可開始計數(shù)，若需要控制從那種顏色的燈先開始計時，先將開關置1然后置0，即可產(chǎn)生一個下降沿脈沖，同時也是一個置數(shù)信號?？梢灾脭?shù)為控制器控制的下一狀態(tài)。次道亦同。該電路測試過程過:主、次道路綠、黃

19、、紅燈亮的時間可以預置；主、次道路綠、黃、紅燈亮的時間可以分別調(diào)整；滿足任務的要求六、總電路設計圖6.16.2元件清單及其參數(shù)：序號名稱元件編號參數(shù)備注1四位二進制加法計數(shù)器74LS16022雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS15323四個二輸入與非門74LS0014腳13六個單輸入的非門74LS0414腳14四個二輸入的與門74LS0814腳35三個三輸入與非門74LS1114腳1674LS16414腳17顯示器74LS24816腳4874LS16816腳44雙輸入與門74LS3214腳19雙D觸發(fā)器74LS7414腳110發(fā)光二極管紅綠黃LED6（各2個）11雙刀雙擲開關SW-DPDT6腳112數(shù)

20、碼管譯碼74484133-8譯碼器74LS138114電阻1K3515電阻10K216電阻47k217可變電阻2k118瓷片電容0.01uF119電解電容10uF1所用芯片簡介：QAQH： 輸出端附總設計大致圖：七、主要儀器及其使用方法主要儀器有：穩(wěn)定電源，剝線鉗，數(shù)字萬用表，數(shù)字通用版，電烙鐵，鑷子。其中穩(wěn)定電源由手機電池充電器供給。使用電烙鐵時注意不要手直接觸摸。八、設計過程中的問題及解決方案 1、用PROTUES軟件仿真電路。仿真數(shù)字電路時用PROTEUS軟件將優(yōu)于用MULTISIM軟件，因為使用PROTUES軟件可以直接觀察每個引腳的電平，從而幫助設計者更好觀察芯片的狀態(tài)，方便了電路的

21、設計。（1）合理使用芯片PROTUES軟件中的芯片豐富，但是實驗室不一定有仿真圖使用過的芯片，所以設計電路時要考慮實驗室是否有芯片。（2）元件的虛接有些器件的引腳是直接把其引腳放在線上,所以出現(xiàn)了顯示灰色信號,開始一直沒有發(fā)現(xiàn),其實表面上看上去已經(jīng)接到電路上了，其實不然。連電路時必須把線路牢固地接到芯片引腳上。2、焊電路板過程中的問題（1）芯片的布局首先要考慮元器件布局的問題，很多同學僅僅只考慮了芯片擺放的美觀性卻忽略了合理地擺放芯片的重要性。合理的擺放芯片其實比美觀地擺放芯片更重要，因為合理的布局能夠大大減少電路板上飛線的長度。比如，譯碼器74LS74就最好擺在計數(shù)器74ls164的正上方，因為74LS74的1、2、6、7引腳就是和74161的11、12、13、14引腳相連，所以這些引腳靠的越近越好。（2）合理利用萬能版要學會利用這塊萬能板的走線，比如板子過孔都是三個過孔相連的，把同一個節(jié)點的所有連線均勻地分布在這三個相連的過孔上。仿真的時候我們可以把很多線連載一個小小的節(jié)點上，但是實際焊萬能板的時候卻不能這樣，因為每個導線或者芯片的引