數字電路基礎交通燈課程設計報告

1、西安郵電學院數字電路課程設計報告書交通燈控制器學院名稱：自動化學院學生姓名：盧小琦（專業(yè)名稱：自動化班 級 ：0801實習時間：2010年6月21日一2010年7月2日一、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，來結合數字電路課程的學習共同實現這樣的一個應用工 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、

2、綠、黃 設置一組數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5s.選做：當任何一個方向出現特殊情況，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，在此設計中還實現了緊急情況下的強制中斷功能。2實現方案：實現這個交通燈控制器可以采用 PLD、FPGA、單片機等可編程 器件或基本數字邏輯器件實現。在這次實驗中采用 74

3、系列數字集成 芯片和555時基芯片實現相應功能，在本報告的最后附有用 Atmel 公司89C52實現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，要求東西向和南北向不能同 時出現綠（黃）燈，發(fā)生 撞車”現象。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:東西向R30sY5sG20s南北向G25sY5sR25s4.電路框圖設計:脈沖輸出部分F 禮計時控制部分 于數字顯示部分i1 1 iir叱11今111111 I111 IcL1 111 1 L三11*彩燈控制部分J書hi-T1彩燈顯示部分說明：脈沖輸出部分為555

4、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） 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三種倒計時之間的切換。數字顯示部分主要由74LS48（ 7段顯示譯碼器）、74LS04 （反相器）及8段共陰極數碼管構成，通過接入計時控制部分的信號實現倒計時顯示。四、單元電路設計：1 .脈沖輸出部

5、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：其中器件參數分別為 Ri=4.7k Q ,R2=150k Q, Ci=4.7 叮C2=0.01 a。aR11： H 1 i4 7k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twi=0.7(Ri+R2)C=0.7 (150k+4.7k)x 4.7 嚴 0.5s電容C1放電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為tw2=0.7R2C=0.7 x 150k x 4.7 卩 0.5s因此，電路輸出矩形脈沖的周期為T= tw1 + tw2 e 1s輸出占空比為q= twi/T50%2.計時控制部分:山尿通過兩片74LS161級聯實

6、現最大模值為256的加法計數功能， 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,故此子系統應實現模30計數、模20計數和模5計數間的切換， 亦即低位片模值為1010 5的切換，高位片模值為3 20的切換。 在具體電路實現過程中，采用 74LS74芯片控制高位片的數據置入， 并利用彩燈控制部分的輸出控制低位片數據的置入。由于數字顯示部分要求倒計時顯示，故置入數據時取數碼管相應 顯示碼值的反碼，具體數據表格見數字顯示部分。在此電路中，開關SW2、SW1分別控制高、低位片的強制

7、置數,當SW2、SW1接低電平時，若SW3接高電平，高位片被強制置入數 據1111，低位片通過彩燈控制部分的反饋信號被置入數據1011。此時，將SW2、SW1接高電平，計數開始，進入有效循環(huán)前 5s的偏離 態(tài)。當低位片進位后，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，實現置數功能。高位片置入數據為Di 匸匚一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。 低位片置入數據由黃燈亮 滅控制，當黃燈亮時置入數據為 1011,黃 燈滅時置入數據為0110。計時系統與東西向主通路交通燈亮火情況真值表如下:低位片（U2

8、 ）高位片（U3）彩燈D0D1D2 D3Q0 Q1 Q2 Q3D0D1D2D3Q0 Q1 Q2 Q3011 0模10計數0111模2計數綠110 1模5計數1111停止計數黃011 0模10計數1011模3計數紅3.彩燈控制 顯示部分:U13t|審4吐卜彩燈控制部分分兩路實現，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電路，只需用門電路和譯碼器等器 件將計數部分中的信號引致彩燈。 南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：I 東西向：計數控制部分高位片的置數端 DO、D1分別接到74LS139的A、B端子，其輸出端Y1、Y2、Y3分別接紅、綠

9、、黃燈。當高位片置入數據為1110,低位片置入數據為0110,即倒計時20s時，74LS139的A、B端分別為0、1,此時輸出數據為1011,即 綠燈亮。同理，當高位片置入數據為1111,低位片置入數據為1011, 即倒計時5s時，74LS139的A、B端分別為1、1,此時輸出數據為 0111,即黃燈亮；當高位片置入數據為1101,低位片置入數據為0110, 即倒計時30s時，74LS139的A、B端分別為1、0,此時輸出數據為1101，即紅燈亮II 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，MR端子接

10、Qo （高）Qi （高）Y 1（ 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，當紅東西向燈熄滅時 計數停止，共計數10s,通過邏輯門電路組合可以實現使其前 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）計數輸出與南北向黃燈亮滅真值表如下:U12（74LS161）OUTPUTQ3Q2Q1Q0000010001100101001110100101010

11、01100011101000010010101001011011000110101110011110注: OUTPUT=0時黃燈亮；OUTPUT=1時黃燈滅化簡得：:.丄 :。實現電路如上圖所示。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：當出現緊急情況時，交通燈應具有強制某路通行或中斷的功能。在此系統中，如出現緊急情況，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. 數字顯示部分：b U7RBI由

12、74LS48 （ 7段顯示譯碼器）真值表可知，要實現 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:型號名稱數量74LS00與非門174LS04非門374LS08與門274LS48七段顯示譯碼器274LS74雙上升沿D觸發(fā)器174LS139雙二一四線譯碼器174LS161四位二進制加法

13、計數器3NE555時基芯片1100Q電阻64.7K Q電阻1150Q電阻10.01 yF電容14.7 (1F電容17段數碼管7段數碼管2紅、綠、黃發(fā)光二極管6五、總體電路圖:a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、輸出高電平時大于4V，低電平小于0.3V，符合要求，且 無邏輯錯誤。4數字顯示部分：輸入、輸出高電平時

14、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出現錯誤電平故障現象：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 路現象；（2）檢測距后級輸出最近的端口電壓，發(fā)現 74LS161 部分 端口出現12V的錯誤電平；（3）沿信號流向逆向檢查電平值，發(fā)現 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 流電阻僅為33舅分壓能力有限，導致所取的反饋信號出現錯誤電平。

15、解決方案：將33 Q電阻改換為100莒錯誤邏輯消失，重新檢測 各點電平值，均符合要求。2數字顯示部分顯示結果混亂故障現象： 將計時部分和數字顯示部分連接完后， 發(fā)現數碼管顯 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，數碼管顯示正常，重新檢測各點電平 值，無錯誤電平出現。九、心得體會在本次課程設計中，我主

16、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)現一般大于 2.5V 的電平均可看作高電平， 不會出現邏輯錯誤， 而低電平上限也可達到 0.5V左右。2數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

17、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.數字電路與邏輯設計（脈沖與數字電路）第三版王毓銀 主編高等教育出版社1999年2數字電路實驗指導書張亞婷 王利 楊樂 周麗娟 郭華 編 西安

18、郵電學院電子與信息工程系 2004年3數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日一2010年7月2日具體內容第一周周一：聽老師講授數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 認真一般口不認真學習紀律 全勤口 偶爾缺勤口 經常缺勤實踐能力 很強一般較差指導教師（師傅）對學生專