交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)與仿真

1、電子技術(shù)電子技術(shù) 課課 程程 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 題題 目目 交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)與仿真交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)與仿真 系系 ( (部部) ) 機(jī)電工程系機(jī)電工程系 班班 級(jí)級(jí) 姓姓 名名 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 年年 7 7 月月 1111 日至日至 7 7 月月 1515 日日 共共 1 1 周周 20112011 年年 7 7 月月 1414 日日 電子技術(shù)電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 一、設(shè)計(jì)題目、內(nèi)容及要求一、設(shè)計(jì)題目、內(nèi)容及要求 設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)題目：交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)與仿真 設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容： 1.信號(hào)燈白天工作方式 某方向綠燈點(diǎn)亮 20 秒，然后黃燈點(diǎn)亮 4 秒

2、，最后紅燈點(diǎn)亮 24 秒。在該方向?yàn)榫G燈和黃燈 點(diǎn)亮期間，另一方向紅燈點(diǎn)亮。如果以 4 秒作為時(shí)間計(jì)量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指 示燈點(diǎn)亮的時(shí)間比例為 5：1：6。從點(diǎn)亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈 亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向 綠燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。信號(hào)燈采用 led 紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。 2.夜間工作方式 南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動(dòng)一次。其它燈不亮。要求設(shè)置一個(gè)手動(dòng)開關(guān)，用它控 制白天和夜間工作方式。 設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)要求： （1）要求根據(jù)設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)交通燈的現(xiàn)實(shí)功能； （2）用 m

3、ultisim 進(jìn)行仿真 （3）最后要有設(shè)計(jì)說明書； 二、設(shè)計(jì)原始資料二、設(shè)計(jì)原始資料 multisim 仿真軟件、芯片資料 三、要求的設(shè)計(jì)成果（課程設(shè)計(jì)說明書、設(shè)計(jì)實(shí)物、圖紙等）三、要求的設(shè)計(jì)成果（課程設(shè)計(jì)說明書、設(shè)計(jì)實(shí)物、圖紙等） 課程設(shè)計(jì)說明書、仿真結(jié)果 四、進(jìn)程安排四、進(jìn)程安排 周 1 講解整個(gè)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能，查閱相關(guān)資料，畫出整體電路， 周 2、3 進(jìn)行仿真并調(diào)試； 周 4 撰寫課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 周 5 課程設(shè)計(jì)答辯并交設(shè)計(jì)說明書 五、主要參考資料五、主要參考資料 1 付家才電子工程實(shí)踐技術(shù)北京：北京工業(yè)出版社，2003 2 畢滿清電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001

4、 3 閻石主編數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）北京：高等教育出版社，2009 4 丁潤濤主編電子工程手冊(cè)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995 指導(dǎo)教師（簽名）：指導(dǎo)教師（簽名）：教研室主任（簽名）：教研室主任（簽名）： 課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表 出勤天數(shù) 出勤 情況 缺勤天數(shù) 出勤情況及設(shè)計(jì)過程表現(xiàn)（20 分） 課設(shè)答辯（20 分） 設(shè)計(jì)成果（60 分） 成 績 評(píng) 定 總成績（100 分） 提問 （答辯） 問題 情況 綜 合 評(píng) 定 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 目錄 1 引言.1 1.1 課題背景.1 1.1.1 課題背景 .1 1.1.2 設(shè)計(jì)的目的和意義 .1 1.2 目前現(xiàn)狀及發(fā)展.2

5、 1.3 設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容.3 2 原理和方案的擬定.4 2.1 設(shè)計(jì)方案的選擇.4 3 方案的實(shí)現(xiàn).5 3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì).5 3.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)白天工作流程圖.5 3.2.1 工作流程圖 .5 3.2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖.5 3.3 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng).6 4 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì).8 4.1 電源模塊.8 4.2 脈沖發(fā)生器模塊.8 4.3 分頻器模塊.10 4.4 計(jì)數(shù)模塊.12 4.5 邏輯控制電路模塊.13 4.6 信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路模塊.15 4.7 白天夜間模式切換模塊.15 5 模塊的組裝、仿真與調(diào)試.16 5.1 multisim 10 軟件簡介.16 5.2 電路的組裝.16 5.3

6、交通燈完整功能的實(shí)現(xiàn).16 5.4 電路的調(diào)試與仿真.17 5.4.1 電源模塊的仿真 .18 5.4.2 脈沖發(fā)生器模塊的仿真 .18 5.5 調(diào)試方法.19 5.6 調(diào)試中出現(xiàn)的問題、原因分析及解決方法.20 6 總結(jié).24 致謝 .25 參考文獻(xiàn) .26 附錄 1.27 附錄 2.28 1 1 引言引言 1.1 課題背景 1.1.1 課題背景 隨著我國經(jīng)濟(jì)和城市化建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展，新興城市的大量出現(xiàn)，人民的生活水平 日漸提高，越來越多的汽車進(jìn)入到尋常百姓的家庭，再加上政府大力發(fā)展公交、出租 車，公路上的車輛日益增多。這不僅要求道路要越來越寬闊，而且要求有新的交通管 理模式的出臺(tái)。舊有的交通

7、控制系統(tǒng)的弊病和人們?cè)絹碓礁叩囊蠹せ嗣埽乖?來不太突出的交通問題被提上了日程?，F(xiàn)在有關(guān)部門愈來愈多的注重在交通管理中引 進(jìn)自動(dòng)化、智能化技術(shù)，比如“電子警察” 、自適應(yīng)交通信號(hào)燈以及耗資巨大的交通指 揮控制系統(tǒng)等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，道路交通已愈來愈成為社會(huì)活動(dòng)的重 要組成部分。對(duì)交通的管控能力，從一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)了這個(gè)國家對(duì)整個(gè)社會(huì)的管理控制 能力，因此各國都很重視用各種高科技手段來強(qiáng)化對(duì)交通的管控能力。 1.1.2 設(shè)計(jì)的目的和意義 本文課程設(shè)計(jì)的目的主要是通過設(shè)計(jì)交通燈控制電路，掌握 ni multisim10 軟件 使用方法；了解數(shù)字電子技術(shù)，鞏固和綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，提高

8、分析、解決數(shù)字電 子技術(shù)實(shí)際問題的能力；解決目前國內(nèi)不同城市的交通阻塞現(xiàn)象，同時(shí)增長自己的知 識(shí)。 如何采用合適的控制方法，最大限度地利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩 解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市 規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。為此，本次設(shè)計(jì)的是交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試。 以下就城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)的電路原理、設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)調(diào)試等問題來進(jìn)行具體分析 討論。 1.2 目前現(xiàn)狀及發(fā)展 早在 1850 年，城市交叉口處不斷增長的交通就引發(fā)了人們對(duì)安全和擁堵的關(guān)注。 第一次對(duì)交叉路口交通的控制嘗試起源于 1868 年英國倫敦，當(dāng)時(shí)由警察手工輪流變換 指

9、揮用的旗幟，當(dāng)時(shí)的控制指令可以稱之為旗語。這種控制方式在 1908 年傳到美國紐 約，并且很快在全國傳播開來。城市電氣化的發(fā)展導(dǎo)致了 1914 年在俄亥俄州的克利夫 蘭市出現(xiàn)了第一臺(tái)電力驅(qū)動(dòng)的交通信號(hào)燈。1919 年，紐約市開始把手動(dòng)指揮的旗子換 成了電機(jī)控制的信號(hào)燈。在 1923 年，garrett morgan 申請(qǐng)專利 morgan 交通信號(hào)燈， 后來賣給了通用電氣公司。到 1932 年，在布魯克林市 parkside 大街上的最后一個(gè)手 動(dòng)控制的旗子也被電機(jī)控制信號(hào)燈取代。 從 1920 年到 1970 年近 50 年的時(shí)間里，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的信號(hào)燈占據(jù)交通信號(hào)控制系統(tǒng) 的主要市場。周期長度

10、是通過安裝合適的齒輪來進(jìn)行保證的，通過在一個(gè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)盤上 插入銷子來把周期分成不同的時(shí)間間隔。為了適應(yīng)交通變化的需要，這種劃分時(shí)間的 方式被稱為“三個(gè)時(shí)段”劃分法。同時(shí)為了保證相鄰的交叉口能夠在一個(gè)交通信號(hào)系 統(tǒng)中以預(yù)計(jì)的信號(hào)周期、綠信比和相位差下工作，一種“七條線纜”連接的方式發(fā)展 起來，以使相鄰的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的信號(hào)燈能夠在一種系統(tǒng)控制的方式下工作，即使現(xiàn)在我 們步入了新千年，在一些城市的某些地方仍然使用這種基于三個(gè)時(shí)段劃分周期的信號(hào) 控制器和七條線纜連接的系統(tǒng)。甚至，大部分在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中發(fā)展起來的術(shù)語到 現(xiàn)在仍然在現(xiàn)代的微處理控制器中使用。 在 20 世紀(jì) 60 年代早期，計(jì)算機(jī)被引進(jìn)到交通

11、信號(hào)控制系統(tǒng)中。在 1963 年，第一 個(gè)計(jì)算機(jī)控制的交通信號(hào)控制系統(tǒng)在加拿大的多倫多市安裝。 20 世紀(jì) 70 年代，微處理器被普遍使用，相應(yīng)的硬件和軟件也開始起步。美國電器 制造者協(xié)會(huì)交通控制標(biāo)準(zhǔn)由于基于微處理器的交通信號(hào)控制器能夠加入新的軟硬件來 增加新的功能，因此許多經(jīng)銷商加入了交通控制的經(jīng)營領(lǐng)域，競爭的激烈使得經(jīng)銷商 們不斷推出有自己特色的產(chǎn)品，從而出現(xiàn)了多種交通信號(hào)控制器，同時(shí)也產(chǎn)生了各種 控制器之間的不兼容性。為了解決這個(gè)問題，許多經(jīng)銷商在 20 世紀(jì) 80 年代一起起草 了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 nema-ts1，這個(gè)規(guī)范定義了在 a、b、c 連接器上的操作針和電力針以 便控制器能夠提供

12、單獨(dú)的感應(yīng)控制。nema-ts1 標(biāo)準(zhǔn)是基于控制器會(huì)提供一套基本的特 點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)的連接器。制造商們可以依據(jù)提供的信號(hào)控制器硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)來競爭。這 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)單點(diǎn)的交叉口感應(yīng)控制是成功的，但是對(duì)更復(fù)雜的功能缺乏詳細(xì)的規(guī)定，如 協(xié)調(diào)感應(yīng)控制和預(yù)先清空等。 為了適應(yīng)不斷發(fā)展的需要，20 世紀(jì) 80 年代末 90 年代初，nema ts1 更新到了 nema ts2，從而提供信號(hào)協(xié)調(diào)感應(yīng)控制、預(yù)先清空信號(hào)和一種可選擇的串行通信的連接方式。 在 20 世紀(jì) 90 年代，交通信號(hào)控制出現(xiàn)了新的研究方向，部分由于 1991 年的聯(lián)合 運(yùn)輸?shù)孛娼煌ㄐ史ò福╥stea） ，部分是由于計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)快速發(fā)展的結(jié)

13、果。 現(xiàn)在，交通控制更是趨向智能化方向發(fā)展，相信我們將來的交通一定是暢通而便 捷的。 1.3 設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容 1.信號(hào)燈白天工作方式 某方向綠燈點(diǎn)亮 20 秒，然后黃燈點(diǎn)亮 4 秒，最后紅燈點(diǎn)亮 24 秒。在該方向?yàn)榫G 燈和黃燈點(diǎn)亮期間，另一方向紅燈點(diǎn)亮。 如果以 4 秒作為時(shí)間計(jì)量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點(diǎn)亮的時(shí)間比 例為 5：1：6。 從點(diǎn)亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮?xí)r，東西方向紅燈 亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向綠燈亮；南 北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。信號(hào)燈采用 led 紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。 某方向綠燈點(diǎn)亮 2

14、0 秒，然后黃燈點(diǎn)亮 4 秒，最后紅燈點(diǎn)亮 24 秒。在該方向?yàn)榫G 燈和黃燈點(diǎn)亮期間，另一方向紅燈點(diǎn)亮。 2.信號(hào)燈夜間工作方式 南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動(dòng)一次，其它燈不亮。 3.設(shè)置一個(gè)手動(dòng)開關(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。 4.畫出整個(gè)設(shè)計(jì)電路，并用 ni multisim10 軟件進(jìn)行仿真。 2 2 原理和方案的擬定原理和方案的擬定 2.1 設(shè)計(jì)方案的選擇 根據(jù)課題設(shè)計(jì)要求，我設(shè)計(jì)了二種方案： 方案一：采用時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì) 時(shí)序邏輯電路不但與輸入狀態(tài)有關(guān)，而且還與輸出端原來的狀態(tài)有關(guān)，一般由邏 輯門和觸發(fā)器組成。 方案二：采用組合邏輯電路設(shè)計(jì) 組合邏輯電路由邏輯門組成，其輸出只由輸

15、入狀態(tài)決定，并且符合一定的邏輯關(guān) 系。 從點(diǎn)亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮?xí)r，東西方向紅燈 亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向綠燈亮；南 北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。因此用組合邏輯設(shè)計(jì)。 3 3 方案的實(shí)現(xiàn)方案的實(shí)現(xiàn) 3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)工作的十字路口由東西主干道和南北主支干道組成。四個(gè)路口中只有西路 口和北路口設(shè)有紅、黃、綠三色信號(hào)燈。其示意圖由圖 3-1 所示： 圖 3-1 十字路口示意圖 3.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)白天工作流程圖 3.2.1 工作流程圖 白天點(diǎn)亮?xí)r的工作換燈流程圖如圖 3-2 所示。 3.2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)系統(tǒng)

16、工作流程圖，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-3 所示。它主要由四分頻器、 十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、控制電路、系統(tǒng)電源和秒脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分組成。系統(tǒng)電源為 各部分硬件提供電能；秒脈沖發(fā)生器為該系統(tǒng)中四分頻器提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源；秒脈 沖經(jīng) 4 分頻后得到 4 秒脈沖，將其作為十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的 cp 脈沖；將十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 作為控制電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出去驅(qū)動(dòng)?xùn)|西和南北兩個(gè)方向的信號(hào)燈的 點(diǎn)亮。 圖3-2 交通燈工作換燈流程圖 南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮 5t 南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮 1t 南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮 5t 南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮 1t 3.3 交通信號(hào)燈

17、控制系統(tǒng) 1.信號(hào)燈控制系統(tǒng)的原理 從點(diǎn)亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮?xí)r，東西方向紅燈 亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向綠燈亮；南 北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。因此采用組合邏輯電路。組合邏輯電路：將十二 進(jìn)制計(jì)數(shù)器作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出去驅(qū)動(dòng)?xùn)|西和南北兩個(gè) 方向的信號(hào)燈的點(diǎn)亮。 信號(hào)燈控制系統(tǒng)的原理：秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)，通過四分頻器將信號(hào)變 成 4 秒的單位脈沖，作為十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的 cp 脈沖，使整個(gè)電路工作步調(diào)相一致，信 號(hào)燈采用 led 紅、綠、黃發(fā)光二極管來模擬，經(jīng)過組合邏輯電路的選擇，由其輸出來 驅(qū)

18、動(dòng)所有發(fā)光二極管的亮與滅，以此來模擬交通信號(hào)燈的運(yùn)行情況。并且設(shè)置一個(gè)手 動(dòng)開關(guān)，以此來改變白天與黑夜兩種不同的工作模式，完成設(shè)計(jì)要求。 交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 3-4 所示。 圖 3-3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 圖 3-4 交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖 東西信號(hào)燈南北信號(hào)燈 控制電路 十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 四分頻器秒脈沖產(chǎn)生電路 系統(tǒng)電源 工作方式控制開關(guān) 關(guān)關(guān) 4 4 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 4.1 電源模塊 信號(hào)燈采用三極管 9031 驅(qū)動(dòng)，其額定電流與額定電壓應(yīng)滿足三級(jí)管的驅(qū)動(dòng)能力， 電源電壓采用直流 5v，通過變壓器將市電降壓到交流 9v，在通過整流橋整流濾波和穩(wěn) 壓塊 7805 得到直流

19、5v 電壓。直流穩(wěn)壓電源的任務(wù)是為整體電路提供直流電源。故穩(wěn) 壓電源電路的輸出電壓值和輸出電流值應(yīng)滿足整體電路的需要。 大多數(shù)電子設(shè)備和微機(jī)系統(tǒng)都需要穩(wěn)定的直流電壓。為了減少經(jīng)變壓、整流和濾 波后的直流電壓受交流電源波動(dòng)與負(fù)載變化的影響，作為一個(gè)實(shí)際的交通信號(hào)燈控制 電路應(yīng)用系統(tǒng)，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的。此交通信號(hào)燈控制電路需要使用穩(wěn)定的 5v 直流穩(wěn)壓電源來驅(qū)動(dòng)各芯片使電路其正常工作。因此需要設(shè)計(jì)輸出為 5v 的直流穩(wěn)壓 電源。 直流穩(wěn)壓電源包括變壓器降壓、二極管（或整流橋）整流、電容濾波、集成穩(wěn)壓 芯片穩(wěn)壓四部分。 直流穩(wěn)壓電源原理圖如圖 4-1 所示。 1.元器件的確定 整流器初選 1

20、b4b42；電容選取 1 mf,電壓 25v；變壓器；集成穩(wěn)壓芯片初選 lm7805ct 芯片。 圖 4-1 直流穩(wěn)壓電源原理圖 4.2 脈沖發(fā)生器模塊 由于黃燈點(diǎn)亮?xí)r按秒閃動(dòng)，所以需要設(shè)計(jì)秒脈沖產(chǎn)生電路。秒脈沖產(chǎn)生電路實(shí)際 就是一個(gè)多諧振蕩電路，它可以是用門電路和電阻、電容組成的多諧振蕩電路，也可 以是用集成定時(shí)器 555(圖 4-2 是 555 定時(shí)器的原理圖，圖 4-3 是 555 定時(shí)器的引腳圖) 和電阻、電容組成的多諧振蕩器。 圖 4-2 555 定時(shí)器的原理圖 為了電路簡單和調(diào)節(jié)振蕩周期方便，選擇用 555 定時(shí)器組成多諧振蕩器（如圖 4-4 所示） 圖 4-3 555 定時(shí)器引腳

21、圖 1. 元器件的確定 2 r 根據(jù)周期與頻率的計(jì)算公式：t=（+2）*cln2=0.7（+2）電源電壓 1 r 2 r 1 r 2 r =+5v，其中電路圖中的作用是防止電磁干擾對(duì)振蕩電路的影響，一般選用 cc v 2 c 0.01uf 的瓷片電容。再次課設(shè)中要求輸出 t=1s，選取電容=1uf， =560k 歐姆， 2 c 1 r 根據(jù)震蕩周期計(jì)算，選擇電阻=434k 歐姆。當(dāng)元件選取完成后，根據(jù)電路原理圖連 2 r 接電路即可。 c2 1uf c3 10nf u19 lm555cm gnd 1 dis 7 out 3 rst 4 vcc 8 thr 6 con 5 tri 2 r13 5

22、60 r14 434 1 2 4 3 0 5 uo uc 圖 4-4 用 555 定時(shí)器組成多諧振蕩器 4.3 分頻器模塊 十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的時(shí)間單位為 4 秒，即它的 cp 脈沖為 4 秒。為了使整體電路工作 步調(diào)一致，4 秒脈沖應(yīng)該利用秒脈沖經(jīng)分頻獲得，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè) 4 分頻器電路。秒 脈沖經(jīng) 4 分頻后得到 4 秒脈沖，將其作為十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的 cp 脈沖。本次課程設(shè)計(jì)使 用兩個(gè) d 觸發(fā)器組成 4 分頻器電路，如圖 4-5 所示。 圖 4-5 四分頻電路的原理圖 74ls74 是一個(gè)邊沿觸發(fā)器數(shù)字電路器件，每個(gè)器件中包含兩個(gè)相同的、相互獨(dú)立 的邊沿觸發(fā) d 觸發(fā)器電路模塊。圖 4-6

23、 為其引腳排列和邏輯符號(hào)。4 分頻器電路邏輯功 能表如表 4-1 所示。 cpdqn+1 0xqn 100 111 表 4-1 4 分頻器電路邏輯功能表 圖 4-6 74ls74d 的引腳圖 功能說明： 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。、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。74ls74 功能表如表 4-2 所示。 表 4-2 74ls74 功能表 輸入輸出 sdrdcpdqn

24、+1qn 0110 1001 00 11110 11001 11qnqn 4.4 計(jì)數(shù)模塊 由信號(hào)燈白天點(diǎn)亮流程圖可以得知，任何方向的信號(hào)燈的一個(gè)工作循環(huán)為十二進(jìn) 制（綠、黃、紅時(shí)間比例為 5：1：6） ，因此需要設(shè)計(jì)十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，循環(huán)工作控制 白天信號(hào)燈的點(diǎn)亮。因此，用移位寄存器組成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，擬選用 8 位串入并出 移位寄存器 74ls164（其引腳圖如圖 4-7 所示，功能表如表 4.3 所示） 。 圖 4-7 74ls164 引腳圖 應(yīng)用電路：用 74ls164 組成的 12 進(jìn)制扭環(huán)型計(jì)數(shù)器電路 ，其電路圖如下圖 4-8 所示。 圖 4-8 12 進(jìn)制扭環(huán)型計(jì)數(shù)器電路 表 4.

25、3 74ls164 功能表 4.5 邏輯控制電路模塊 邏輯控制電路是本設(shè)計(jì)的核心電路，由它控制交通信號(hào)燈按要求方式點(diǎn)亮(一般經(jīng) 驅(qū)動(dòng)電路去控制信號(hào)燈)。根據(jù)白天信號(hào)燈的點(diǎn)亮要求，將時(shí)序邏輯電路的輸出作為組 合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出給信號(hào)燈的驅(qū)動(dòng)電路。夜晚工作方式也需 要組合邏輯電路的功能以及秒脈沖通過與門實(shí)現(xiàn)。組合邏輯電路的真值表如表 4.4 所 輸入輸出 清零時(shí)鐘串入 rdcpabqaqbqcqdqeqfqgqh lllllllll hlqaoqboqcoqdoqeoqfoqgoqho hhhhqanqbnqcnqdnqenqfnqgn hllqanqbnqcnqdnqenqf

26、nqgn hllqanqbnqcnqdnqenqfnqgn 示，邏輯控制原理圖如圖 4.9 所示。 表 4.4 組合邏輯電路的真值表 計(jì)數(shù)器輸出南北信號(hào)東西信號(hào) qa qb qc qd qe qf nsg nsy nsr ewg ewy ewr 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1

27、 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 圖 4.9 邏輯控制原理圖 4.64.6 信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路模塊信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路模塊 本次課程設(shè)計(jì)選擇使用基本放大電路對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其點(diǎn)亮。其設(shè)計(jì) 電路如圖 4-10 所示。 圖 4-10 信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路 此基本放大電路的元器件選擇及設(shè)計(jì)參數(shù)的確定： 電源電壓=5v;集電極負(fù)載電阻的計(jì)算與確定：發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流為 cc

28、v c r 3ma20 ma, 發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電壓約為 1.7v 左右，其截止時(shí)不工作，正常工作時(shí)處 于飽和狀態(tài)，由于=0.3v 可忽略，=(-1.7)*1000/(320),即=1651100 ces u c r cc v c r ，可取=220，此時(shí)它的驅(qū)動(dòng)電流為 15 ma。 c r 發(fā)光二極管飽和時(shí)=0.7v，=15/100=0.15 ma，因?yàn)?，可?1 ces u bs i b i bs i b i ma。高電平時(shí)，=5k。因此，=5k。 b r 2 r 4.7 白天夜間模式切換模塊 本設(shè)計(jì)中白天與黑夜的轉(zhuǎn)換開關(guān)為手動(dòng)開關(guān)。 由經(jīng)過修改之后的組合邏輯電路輸出與輸入的表達(dá)式可以看出

29、，白天與黑夜模式 的轉(zhuǎn)換由 74ls164 的=1 時(shí)為白天工作模式， =0 時(shí)為夜晚工作模式。 d r d r 5 5 模塊的組裝、仿真與調(diào)試模塊的組裝、仿真與調(diào)試 5.1 multisim 10 軟件簡介 ni multisim 10 軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高 效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借 ni multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電 路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) spice 模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級(jí) spice 分析和虛 擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與 signalexpress 軟件的集成，完善

30、了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬 數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測量。有如下特點(diǎn)： 1.通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計(jì)電路 ； 2.通過交互式 ni multisim 10 軟件仿真, 迅速了解電路行為； 3.借助高級(jí)電路分析, 理解基本設(shè)計(jì)特征 ； 4.通過一個(gè)工具鏈, 無縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測試 ； 5.通過改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程, 減少建模錯(cuò)誤并縮短研發(fā)時(shí)間。 5.2 電路的組裝 在 ni multisim 10 軟件主界面內(nèi)，用粘貼的方法將上述 7 分單元電路置于同一界 面內(nèi)，再按照各自對(duì)應(yīng)關(guān)系相互連接構(gòu)成的交通信號(hào)燈自動(dòng)定時(shí)控制系統(tǒng)如圖 5-1 很 明顯，由于采用子電路表示方法，使

31、系統(tǒng)電路大大簡化。 5.3 交通燈完整功能的實(shí)現(xiàn) 1.交通信號(hào)燈的完整電路圖見附錄仿真圖。 2.交通信號(hào)燈的工作原理：首先閉合開關(guān)，電路工作在白天工作狀態(tài)。555 定時(shí)器 發(fā)出秒脈沖，通過四分頻器電路產(chǎn)生 4 秒脈沖，再此脈沖作用下，十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器發(fā) 出 0 或 1，通過邏輯電路使輸入各個(gè)二極管的電位發(fā)生變化，使某方向綠燈點(diǎn)亮 20 秒， 然后黃燈點(diǎn)亮 4 秒，最后紅燈點(diǎn)亮 24 秒。在該方向?yàn)榫G燈和黃燈點(diǎn)亮期間，另一方向 紅燈點(diǎn)亮。如果以 4 秒作為時(shí)間計(jì)量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點(diǎn)亮的 時(shí)間比例為 5：1：6。閉合開關(guān)后，十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器被異步置零，兩個(gè)或門工作，進(jìn)而 只有兩個(gè)黃

32、燈受控制，在通過秒脈沖的作用，使黃燈每秒閃動(dòng)一次，其它燈不亮。 圖 5-1 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng) 5.4 電路的調(diào)試與仿真 在系統(tǒng)安裝調(diào)試中，首先將各單元電路調(diào)試正常，然后再進(jìn)行各單元電路之間的 連接，要特別注意電路之間的高、低電平的配合。若系統(tǒng)組裝完畢， “通電”測試，工 作不正常，仍可將各單元電路拆開，引入秒脈沖單獨(dú)調(diào)試。 5.4.1 電源模塊的仿真 上述獲得直流穩(wěn)壓電源電路的實(shí)現(xiàn)過程借助 ni multisim 10 軟件進(jìn)行仿真。其仿 真電路連接圖示如圖 5-2。用電壓表測量過整流器前后的電壓的仿真結(jié)果如圖 5-3 所示。 圖 5-2 直流穩(wěn)壓電源原理圖 圖 5-3 經(jīng) 7085 整流器

33、前后電壓仿真結(jié)果 5.4.2 脈沖發(fā)生器模塊的仿真 上述獲得用 555 定時(shí)器組成多諧振蕩器電路的實(shí)現(xiàn)過程完全可以借助 ni multisim 10 軟件進(jìn)行仿真。給上述電路接入五伏直流電源，用示波器測量 555 定時(shí)器 的輸出電壓，其仿真電路連接圖示及其結(jié)果如圖 5-4 和圖 5-5 所示。 圖 5-4 555 定時(shí)器輸出電壓的仿真電路連接圖示 圖 5-5 555 定時(shí)器輸出電壓的仿真結(jié)果 結(jié)果結(jié)果 5.5 調(diào)試方法 1.首先調(diào)試 555 定時(shí)器。用示波器觀察 555 定時(shí)器輸出波形，確定 555 定時(shí)器是 否正常工作，振蕩頻率是否是 2hz。調(diào)節(jié)電位器 r1，使 555 定時(shí)器產(chǎn)生頻 率為

34、 1hz 的 方波信號(hào)。 2.調(diào)試分頻器。用示波器觀察分頻器輸出波形，確定信號(hào)頻率是否是 0.25hz。 3.調(diào)試十二進(jìn)制計(jì)數(shù)示電路，將秒信號(hào)輸送各計(jì)數(shù)器觀察是否工作正常。 4.整體調(diào)試。各部分電路連接起來，觀察交通燈是否正常工作。 5.6 調(diào)試中出現(xiàn)的問題、原因分析及解決方法 1.燈不正常發(fā)光 原因是線接觸不良造成的。 2.555 定時(shí)器形成的多諧振蕩器發(fā)出的 1hz 脈沖信號(hào)，仿真與實(shí)際示波器測出的 脈沖信號(hào)有誤差，如圖 5-6 所示。 圖 5-6 555 定時(shí)器輸出的錯(cuò)誤脈沖信號(hào) 由于元件制作誤差及環(huán)境干擾所致?？梢允褂镁д裥纬?1hz 的脈沖信號(hào)，led 發(fā) 光時(shí)間應(yīng)該能夠更加準(zhǔn)確。

35、3.電源中用變壓器降壓得不到 9v 交流電壓,如 5-7 所示。 圖 5-7 穩(wěn)壓電源中變壓器降壓得到的錯(cuò)誤交流電壓值 原因是該變壓器的變比不合適造成的，改變變壓器變比，使之達(dá)到確定的輸出可 以得到相應(yīng)的電壓。 4.直流穩(wěn)壓電源輸出的電壓與理想的直流輸出電壓（5v）有較大的誤差，如 5-8 所示。 圖 5-8 直流穩(wěn)壓電源得到的錯(cuò)誤直流電壓值 原因是電容容量的選取不合理，因?yàn)榇穗娙莸淖饔檬且种聘哳l干擾，防止產(chǎn)生 3 c 自激震蕩。 5.使用 ni multisim 10 軟件的過程中，無法刪除元件、儀器、連線，如示波器和 電壓表，如圖 5-9 所示。 圖 5-9 無法刪去示波器和電壓表 原因是

36、刪除元件、儀器、連線等，一定要在斷開仿真開關(guān)的情況下進(jìn)行。 6.使用 ni multisim 10 軟件的過程中，無法在各個(gè)分模塊中進(jìn)行調(diào)試和仿真操作 原因是不要長時(shí)間使各個(gè)模塊處于仿真狀態(tài)，以免影響其他模塊進(jìn)行調(diào)試和仿真 操作。 7.555 定時(shí)器產(chǎn)生的波形周期大于 1s 原因是，取值時(shí)存在誤差，以至于導(dǎo)致 555 參數(shù)不準(zhǔn)確，經(jīng)調(diào)整后恢復(fù)正常。 8.交通信號(hào)燈在仿真時(shí)燈的變化很慢 原因是，脈沖周期在仿真狀態(tài)下過長，不利于對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直接觀察，經(jīng)過對(duì) 555 集成定時(shí)器電阻參數(shù)的修改，使頻率提高，方便觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 9.白天和黑夜交通信號(hào)燈的仿真結(jié)果與實(shí)際情況相反 原因是，忽視了 led 數(shù)

37、碼管的極性，以至于 led 的針腳接線接反。 10.各個(gè)模塊的電能全部由直流穩(wěn)壓電源提供，不能另外單獨(dú)接電源。如圖 5-10 所示信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路和白天夜間模式切換電路由第二獨(dú)立電源提供電力。 圖 5-10 另外單獨(dú)接電源的信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路和白天夜間模式切換電路 另外單獨(dú)接電源 6 6 總結(jié)總結(jié) 這次課程設(shè)計(jì)，使我的動(dòng)手、動(dòng)腦和解決問題的能力得到全面、系統(tǒng)的鍛煉。起 初，我有點(diǎn)眼高手低，本以為完成本次課程設(shè)計(jì)猶如學(xué)習(xí)課本知識(shí)一樣簡單，但是在 實(shí)際設(shè)計(jì)過程中卻遇到了諸多難題，比如，在設(shè)計(jì)各個(gè)電路塊的過程中，有很多芯片 的管腳的功能不了解，通過重溫課本，查閱相關(guān)資料和請(qǐng)教老師和同學(xué)，最終我比較 圓滿地

38、完成了設(shè)計(jì)。 通過這次課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到了自學(xué)的重要性，以及學(xué)以致用的道理，也 體會(huì)到了自己完成一件事的喜悅和成功解決困難的樂趣。我在圖書館和網(wǎng)上查閱了大 量的資料，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到了圖書館和網(wǎng)上搜索的重要作用。在今后的學(xué)習(xí)過程中，應(yīng) 該多到圖書館和網(wǎng)上看一些專業(yè)方面的書籍，以豐富自己的知識(shí)。也使我加深了對(duì)數(shù) 字電路技術(shù)的理解和應(yīng)用。由于知識(shí)水平的局限，設(shè)計(jì)中可能會(huì)存在著一些不足，我 真誠的接受老師和同學(xué)的批評(píng)和指正。 本次課程設(shè)計(jì)讓我收獲頗多。首先，對(duì)于組合邏輯電路的相關(guān)知識(shí)有了更深入的 掌握，比如各芯片的引腳及功能。其次，對(duì) multisim 軟件的應(yīng)用更加熟練，不僅掌握 了芯片的搜索、

39、線路的連接、而且也掌握了電路圖的仿真和調(diào)試等。 致謝致謝 本次課程設(shè)計(jì)是在李海濤等老師的悉心指導(dǎo)下完成的，從課程設(shè)計(jì)的選題到說明 書的完成都浸透了恩師們的大量心血和精力，老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和求 實(shí)精神、忘我的工作作風(fēng)、學(xué)術(shù)上的遠(yuǎn)見和生活上的平易近人，時(shí)刻激勵(lì)著我，是我 畢生學(xué)習(xí)的榜樣。值此說明書完成之際，特向老師們致以誠摯的感激和無盡的敬意！ 在課程設(shè)計(jì)過程中，始終得到了李占方、武振江、黃京漢等同學(xué)的關(guān)心、幫助和 指導(dǎo)。曾與他們進(jìn)行了多次有益的探討和學(xué)術(shù)交流，得到了許多啟發(fā)。對(duì)于他們的支 持和幫助表示誠摯的謝意！ 最后，向所有給予我關(guān)心和幫助的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友們?cè)俅伪硎局孕牡母?謝！ 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 付家才主編電子工程實(shí)踐技術(shù)北京：北京工業(yè)出版社，2003 2 畢滿清主編電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 3 閻石主編數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版） 北京：高等教育出版社，2009 4 丁潤濤主編電子工程手冊(cè)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995 5 韓力主編. multisim10 應(yīng)用教程. 北京：電子工業(yè)出版社，2008 6 李忠波主編. 電子設(shè)計(jì)與仿真技術(shù). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.7 7 童詩白、華成英主編. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京:高等教育出版社,2001 8 張慶雙主編. 電子元器件的選用與檢測. 北