交通燈控制器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p>　　數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)</p><p><b>　　——交通燈控制器</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)題目：交通燈控制器</p><p>　　交通燈控制器是可以自動(dòng)控制交通燈，并以倒計(jì)時(shí)的方式顯示出時(shí)間，方便行人和車(chē)輛在通行時(shí)有條不紊的通行，達(dá)到交通井然有序，出行人員安全快捷的到達(dá)目的地的效果。本次實(shí)驗(yàn)的就是想通過(guò)這樣

2、的一個(gè)實(shí)例，來(lái)結(jié)合數(shù)字電路課程的學(xué)習(xí)共同實(shí)現(xiàn)這樣的一個(gè)應(yīng)用工具，達(dá)到理論和實(shí)踐相結(jié)合的目的。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口控制交通秩序的交通燈，滿足以下條件：</p><p>　　顯示順序?yàn)槠渲幸唤M方向是綠、黃、紅；另一方向是紅、綠、黃。</p><p>　　設(shè)

3、置一組數(shù)碼管以倒計(jì)時(shí)的方式顯示語(yǔ)序通行或禁止通行時(shí)間，其中支通道綠燈的時(shí)間是20s，另一個(gè)方向上主通道的綠燈亮的時(shí)間是30s，黃燈亮的時(shí)間都是5s.</p><p>　　選做：當(dāng)任何一個(gè)方向出現(xiàn)特殊情況，按下手動(dòng)開(kāi)關(guān)，其中一個(gè)方向通行，倒計(jì)時(shí)停止，當(dāng)特殊情況結(jié)束后，按下自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)恢復(fù)正常狀態(tài)。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)思路概述：</b></p>

4、;<p><b>　　1．任務(wù)分析：</b></p><p>　　交通燈控制器主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能：</p><p>　?、贃|西、南北雙向通路的紅、綠、黃燈控制；</p><p>　?、跂|西向主通路的倒計(jì)時(shí)顯示。</p><p>　　另外，在此設(shè)計(jì)中還實(shí)現(xiàn)了緊急情況下的強(qiáng)制中斷功能。</p>&

5、lt;p><b>　　2．實(shí)現(xiàn)方案：</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)這個(gè)交通燈控制器可以采用PLD、FPGA、單片機(jī)等可編程器件或基本數(shù)字邏輯器件實(shí)現(xiàn)。在這次實(shí)驗(yàn)中采用74系列數(shù)字集成芯片和555時(shí)基芯片實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，在本報(bào)告的最后附有用Atmel公司89C52實(shí)現(xiàn)同樣功能的電路設(shè)計(jì)圖及C51程序。</p><p><b>　　3．具體功能分析：&l

6、t;/b></p><p>　　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(shí)出現(xiàn)綠（黃）燈，發(fā)生“撞車(chē)”現(xiàn)象。即當(dāng)某一方向?yàn)榫G燈或黃燈時(shí)，另一方向必為紅燈。東西向主通路有倒計(jì)時(shí)顯示。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)時(shí)序如下：</b></p><p><b>　　東西向</b></p>&

7、lt;p><b>　　南北向</b></p><p><b>　　4．電路框圖設(shè)計(jì)：</b></p><p>　　說(shuō)明：脈沖輸出部分為555時(shí)基芯片構(gòu)成的多次諧波振蕩器，由其產(chǎn)生周期為1s的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。計(jì)時(shí)控制部分主要由兩片74LS161（十六進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器）、74LS74（邊沿D觸發(fā)器）及邏輯門(mén)電路構(gòu)成。產(chǎn)生30s、20s和5s的倒

8、計(jì)時(shí)信號(hào)。彩燈控制部分將計(jì)時(shí)控制部分輸出的信號(hào)通過(guò)邏輯門(mén)電路及74LS139（雙2—4線譯碼器）產(chǎn)生控制信號(hào)，控制彩燈按照響應(yīng)時(shí)序顯示，并將74LS139的輸出信號(hào)反饋回計(jì)時(shí)控制部分實(shí)現(xiàn)三種倒計(jì)時(shí)之間的切換。數(shù)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(shù)碼管構(gòu)成，通過(guò)接入計(jì)時(shí)控制部分的信號(hào)實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)顯示。</p><p><b>　　四、單元電路設(shè)計(jì)：</b

9、></p><p><b>　　1．脈沖輸出部分：</b></p><p>　　脈沖輸出部分為555時(shí)基芯片構(gòu)成的多次諧波震蕩器，電路原理圖如右：</p><p>　　其中器件參數(shù)分別為R1=4.7kΩ，R2=150kΩ，C1=4.7μF，C2=0.01μF。</p><p>　　產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖為周期T=1s的方波

10、。</p><p>　　電容C1充電時(shí)，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間為</p><p>　　tw1=0.7(R1+R2)C=0.7×(150k+4.7k) ×4.7μ≈0.5s</p><p>　　電容C1放電時(shí)，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間為</p><p>　　tw2=0.7R2C=0.7×150k×4.7μ≈0.5s<

11、/p><p>　　因此，電路輸出矩形脈沖的周期為</p><p>　　T= tw1＋tw2≈1s</p><p>　　輸出占空比為q= tw1/T≈50%</p><p><b>　　2．計(jì)時(shí)控制部分：</b></p><p>　　通過(guò)兩片74LS161級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)最大模值為256的加法計(jì)數(shù)功能，用低位片

12、U2的輸出口RCO控制高位片U3的使能端ENT，即低位片U2產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)后高位片開(kāi)始工作。</p><p>　　由于主通路（東西向）交通燈時(shí)序?yàn)榧t燈30s、綠燈20s、黃燈5s，故此子系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)模30計(jì)數(shù)、模20計(jì)數(shù)和模5計(jì)數(shù)間的切換，亦即低位片模值為10—10—5的切換，高位片模值為3—2—0的切換。在具體電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用74LS74芯片控制高位片的數(shù)據(jù)置入，并利用彩燈控制部分的輸出控制低位片數(shù)據(jù)的置入。&

13、lt;/p><p>　　由于數(shù)字顯示部分要求倒計(jì)時(shí)顯示，故置入數(shù)據(jù)時(shí)取數(shù)碼管相應(yīng)顯示碼值的反碼，具體數(shù)據(jù)表格見(jiàn)數(shù)字顯示部分。</p><p>　　在此電路中，開(kāi)關(guān)SW2、SW1分別控制高、低位片的強(qiáng)制置數(shù)，當(dāng)SW2、SW1接低電平時(shí)，若SW3接高電平，高位片被強(qiáng)制置入數(shù)據(jù)1111，低位片通過(guò)彩燈控制部分的反饋信號(hào)被置入數(shù)據(jù)1011。此時(shí)，將SW2、SW1接高電平，計(jì)數(shù)開(kāi)始，進(jìn)入有效循環(huán)前5s的

14、偏離態(tài)。當(dāng)?shù)臀黄M(jìn)位后，高、低位片進(jìn)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(shí)現(xiàn)置數(shù)功能。</p><p>　　高位片置入數(shù)據(jù)為 , ，當(dāng)高低位片同時(shí)產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)，74LS74產(chǎn)生上升沿，即每次倒計(jì)時(shí)完畢后進(jìn)行置數(shù)。低位片置入數(shù)據(jù)由黃燈亮\滅控制，當(dāng)黃燈亮?xí)r置入數(shù)據(jù)為1011，黃燈滅時(shí)置入數(shù)據(jù)為0110。</p><p>　　計(jì)時(shí)系統(tǒng)與東西向主

15、通路交通燈亮\滅情況真值表如下：</p><p>　　3．彩燈控制\顯示部分：</p><p>　　彩燈控制部分分兩路實(shí)現(xiàn)，東西向（主通路）彩燈由于時(shí)序與倒計(jì)時(shí)相同，故不需另加單獨(dú)的計(jì)數(shù)電路，只需用門(mén)電路和譯碼器等器件將計(jì)數(shù)部分中的信號(hào)引致彩燈。南北向時(shí)序與東西向不同，故另外用一片74LS161控制，具體設(shè)計(jì)如下：</p><p><b>　　Ⅰ.東西向：

16、</b></p><p>　　計(jì)數(shù)控制部分高位片的置數(shù)端D0、D1分別接到74LS139的A、B端子，其輸出端Y1、Y2、Y3分別接紅、綠、黃燈。</p><p>　　當(dāng)高位片置入數(shù)據(jù)為1110，低位片置入數(shù)據(jù)為0110，即倒計(jì)時(shí)20s時(shí)，74LS139的A、B端分別為0、1，此時(shí)輸出數(shù)據(jù)為1011，即綠燈亮。同理，當(dāng)高位片置入數(shù)據(jù)為1111，低位片置入數(shù)據(jù)為1011，即倒計(jì)時(shí)

17、5s時(shí)，74LS139的A、B端分別為1、1，此時(shí)輸出數(shù)據(jù)為0111，即黃燈亮；當(dāng)高位片置入數(shù)據(jù)為1101，低位片置入數(shù)據(jù)為0110，即倒計(jì)時(shí)30s時(shí)，74LS139的A、B端分別為1、0，此時(shí)輸出數(shù)據(jù)為1101，即紅燈亮。</p><p><b>　?、?南北向</b></p><p>　　南北向彩燈由東西向彩燈和另一片74LS161（U12）單獨(dú)控制。U12的EN

18、P、ENT、LOAD全部接高電平，即禁止置數(shù)，MR端子接Q0（高）Q1（高）Y1（74LS39）相與的輸出。</p><p>　　設(shè)計(jì)思路如下：由時(shí)序圖可知，當(dāng)東西向紅燈亮且高位片為0，即南北向紅燈倒計(jì)時(shí)至10s時(shí)，U12開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)紅東西向燈熄滅時(shí)計(jì)數(shù)停止，共計(jì)數(shù)10s，通過(guò)邏輯門(mén)電路組合可以實(shí)現(xiàn)使其前5s輸出為1，后5s輸出為0，即后5s時(shí)南北向黃燈亮。當(dāng)10s計(jì)時(shí)結(jié)束后，南北向應(yīng)變?yōu)榧t燈，而此時(shí)東西向先持續(xù)

19、5s黃燈后持續(xù)25s綠燈，故南北向紅燈接?xùn)|西向黃、綠燈信號(hào)相與的結(jié)果。</p><p>　　U12（74LS161）計(jì)數(shù)輸出與南北向黃燈亮滅真值表如下：</p><p>　　注：OUTPUT=0時(shí)黃燈亮；OUTPUT=1時(shí)黃燈滅。</p><p>　　化簡(jiǎn)得： 。實(shí)現(xiàn)電路如上圖所示。</p><p>　　南北向綠燈的控制信號(hào)為南北向紅燈和黃燈

20、的與非，即紅燈和黃燈均不亮?xí)r綠燈亮。</p><p><b>　　4．強(qiáng)制中斷系統(tǒng)：</b></p><p>　　當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，交通燈應(yīng)具有強(qiáng)制某路通行或中斷的功能。在此系統(tǒng)中，如出現(xiàn)緊急情況，斷開(kāi)“緊急中斷”開(kāi)關(guān)（見(jiàn)總電路圖），即切斷CP脈沖輸入，計(jì)時(shí)停止，此時(shí)將SW4接高電平，SW5接低電平，東西向強(qiáng)制通行；反之，若將SW5接高電平，SW4接低電平，南北向強(qiáng)制

21、通行。</p><p><b>　　5．?dāng)?shù)字顯示部分：</b></p><p>　　由74LS48（7段顯示譯碼器）真值表可知，要實(shí)現(xiàn)9~0倒計(jì)時(shí)可通過(guò)置入0110取反后得到，真值表如下：</p><p><b>　　6.元器件列表：</b></p><p><b>　　五、總體電路圖：&

22、lt;/b></p><p>　　六、電路組裝完成后，實(shí)際測(cè)量的各個(gè)單元電路的輸入、輸出信號(hào)波形：</p><p>　　電路組裝調(diào)試完成后，測(cè)得各單元電路輸入輸出如下：</p><p><b>　　1．脈沖輸出部分：</b></p><p>　　輸入：+5V直流電壓信號(hào)。</p><p>　

23、　輸出：周期T≈1s，占空比q=50%的矩形波。</p><p><b>　　2．計(jì)時(shí)控制部分：</b></p><p>　　輸入、輸出高電平時(shí)大于4V，低電平小于0.3V，符合要求，且無(wú)邏輯錯(cuò)誤。</p><p>　　3．彩燈控制\顯示部分：</p><p>　　輸入、輸出高電平時(shí)大于4V，低電平小于0.3V，符合要求

24、，且無(wú)邏輯錯(cuò)誤。</p><p><b>　　4．?dāng)?shù)字顯示部分：</b></p><p>　　輸入、輸出高電平時(shí)大于4V，低電平小于0.3V，符合要求，且無(wú)邏輯錯(cuò)誤。</p><p>　　七、電路組裝、調(diào)試過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題及解決的方法：</p><p><b>　　1．出現(xiàn)錯(cuò)誤電平</b></

25、p><p>　　故障現(xiàn)象：計(jì)時(shí)控制部分獨(dú)立工作時(shí)正常，接入彩燈控制\顯示部分反饋后出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。</p><p>　　檢查步驟：（1）檢查電路各部分電氣連接是否正常，無(wú)短路和開(kāi)路現(xiàn)象；（2）檢測(cè)距后級(jí)輸出最近的端口電壓，發(fā)現(xiàn)74LS161部分端口出現(xiàn)1~2V的錯(cuò)誤電平；（3）沿信號(hào)流向逆向檢查電平值，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)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）

26、，由于二極管導(dǎo)通壓降近似為0.7V，限流電阻僅為33Ω，分壓能力有限，導(dǎo)致所取的反饋信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤電平。</p><p>　　解決方案：將33Ω電阻改換為100Ω，錯(cuò)誤邏輯消失，重新檢測(cè)各點(diǎn)電平值，均符合要求。</p><p>　　2．?dāng)?shù)字顯示部分顯示結(jié)果混亂</p><p>　　故障現(xiàn)象：將計(jì)時(shí)部分和數(shù)字顯示部分連接完后，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示字符為亂碼，且無(wú)一定規(guī)律。&l

27、t;/p><p>　　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(cè)各輸入、輸出端口電壓，部分管腳出現(xiàn)錯(cuò)誤電平；（3）分析錯(cuò)誤電平產(chǎn)生原因，無(wú)反饋回路，反相器輸入正常，輸出為錯(cuò)誤電平，疑是74LS04反相器芯片自身故障。</p><p>　　解決方案：更換故障芯片，數(shù)碼管顯示正常，重新檢測(cè)各點(diǎn)電平值，無(wú)錯(cuò)誤電平出現(xiàn)。</p

28、><p><b>　　九、心得體會(huì)</b></p><p>　　在本次課程設(shè)計(jì)中，我主要認(rèn)識(shí)到如下幾個(gè)問(wèn)題：</p><p>　　1.理論知識(shí)與實(shí)際操作存在差異，如利用555構(gòu)成多諧振蕩器時(shí)，將器件參數(shù)套用公式進(jìn)行理論計(jì)算得到周期T=1s，但在實(shí)際操作時(shí)發(fā)現(xiàn)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

29、，但實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)一般大于2.5V的電平均可看作高電平，不會(huì)出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，而低電平上限也可達(dá)到0.5V左右。</p><p>　　2.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)的課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，過(guò)多的偏重于電路邏輯功能的設(shè)計(jì)，考慮其實(shí)際實(shí)現(xiàn)則較少，比如芯片的穩(wěn)定性、帶載能力，工作環(huán)境等問(wèn)題在設(shè)計(jì)中都沒(méi)有考慮，很多設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下雖然可以正常工作，但不適宜投入生產(chǎn)。</p><p>　　3.排除故障的能力和設(shè)計(jì)電

30、路的能力同樣重要。在此次課程設(shè)計(jì)中，很多同學(xué)在設(shè)計(jì)和連接電路上花費(fèi)的時(shí)間并不多，但卻把大量的時(shí)間耗費(fèi)在檢查故障上，經(jīng)常還會(huì)因?yàn)椴椴怀龉收匣驘o(wú)法解決故障重新連接電路。我覺(jué)得在日常生活和實(shí)際生產(chǎn)中，需要解除故障的地方遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)電路要多，從一次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)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(cè)技巧和根據(jù)信號(hào)流向檢查故障的方法，并對(duì)萬(wàn)用表的使用技巧有了更深入的實(shí)踐和學(xué)習(xí)。</p>

31、<p><b>　　。</b></p><p><b>　　十、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)（脈沖與數(shù)字電路）第三版》 王毓銀 主編 高等教育出版社 1999年</p><p>　　2.《數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)》 張亞婷 王利 楊樂(lè) 周麗娟 郭華 編 西安郵電學(xué)院電子與信息工程系