數(shù)電交通燈課程設(shè)計(jì)--簡易交通燈的設(shè)計(jì)

1、<p>　　電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　二 級(jí) 學(xué) 院機(jī)械與電子工程學(xué)院</p><p>　專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化</p><p>　年 級(jí)</p><p>　學(xué) 號(hào)</p><p>　學(xué) 生 姓 名</p><p>　指 導(dǎo) 教 師&

2、lt;/p><p>　完 成 時(shí) 間2015 年12 月25 日 </p><p><b>　　簡易交通燈的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　摘要：利用數(shù)碼管，74LS48譯碼器、74LS192計(jì)數(shù)器、ne555、與非門、或非門、觸發(fā)器、蜂鳴器和小彩燈等電子元件，制作簡易交通燈，實(shí)現(xiàn)15秒倒計(jì)時(shí)開始后，到達(dá)5秒時(shí)紅燈熄滅，黃燈閃爍同時(shí)蜂鳴器響，到達(dá)

3、0秒時(shí)切換到另外兩個(gè)方向的紅綠燈亮的功能。經(jīng)測試，系統(tǒng)達(dá)到紅綠燈轉(zhuǎn)換和顯示的基本要求，具有電路美觀穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)電交通燈；交通燈；簡易交通燈；計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)要求及方案選擇1</p><p><b>　　1.1設(shè)

4、計(jì)要求1</b></p><p><b>　　1.2方案選擇1</b></p><p>　　2 理論分析與設(shè)計(jì)1</p><p>　　2.1脈沖發(fā)生器電路的分析及設(shè)計(jì)1</p><p>　　2.2定時(shí)器電路的分析及設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.3交通燈和蜂鳴器電路的分析及設(shè)

5、計(jì)3</p><p>　　2.4控制器電路的分析及設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.5數(shù)碼顯示電路的分析及設(shè)計(jì)4</p><p><b>　　3電路設(shè)計(jì)5</b></p><p>　　3.1脈沖發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.2定時(shí)器電路的設(shè)計(jì)6</p><

6、;p>　　3.3交通燈和蜂鳴器電路的設(shè)計(jì)6</p><p>　　3.4控制電路的設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.5碼顯示電路的設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.6電源開關(guān)和指示燈電路的設(shè)計(jì)9</p><p>　　4系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)10</p><p>　　4.1調(diào)試所用的基本儀器清單10</p>

7、<p>　　4.2軟件仿真調(diào)試10</p><p>　　4.3實(shí)物電路板的調(diào)試10</p><p>　　4.4時(shí)鐘脈沖信號(hào)的測定10</p><p>　　4.5調(diào)試結(jié)果11</p><p>　　4.6測試結(jié)果分析11</p><p><b>　　5 總結(jié)12</b><

8、;/p><p><b>　　附 錄13</b></p><p>　　附錄A 仿真圖13</p><p>　　附錄B 原理圖13</p><p>　　附錄C PCB圖14</p><p>　　附錄D 實(shí)物圖14</p><p>　　附錄E 脈沖信號(hào)測試圖15</

9、p><p>　　附錄F 元件清單15</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)16</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)要求及方案選擇</p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　(1)東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時(shí)間15s。</p>

10、<p>　　(2)東西方向與南北方向黃燈亮，時(shí)間5s。</p><p>　　(3)南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時(shí)間l5s。</p><p><b>　　1.2方案選擇</b></p><p>　　用數(shù)值電子技術(shù)設(shè)計(jì)交通信號(hào)燈總的控制電路的基本思路如圖1所示。</p><p>　　圖1 交通燈控制電路結(jié)構(gòu)圖

11、</p><p><b>　　2 理論分析與設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1脈沖發(fā)生器電路的分析及設(shè)計(jì)</p><p>　　555定時(shí)器是一種非常實(shí)用的芯片，它常常被用來定時(shí)，因?yàn)?55定時(shí)器輸出比較穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，其管腳腳功能如圖2所示。</p><p>　　Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常

12、被連接到電路共同接地。</p><p>　　Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。</p><p>　　Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開始555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。</p>

13、;<p>　　Pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。</p><p>　　Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。</p><p>　　Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)

14、這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。</p><p>　　Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為LOW，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對地為高阻抗。</p><p>　　Pin 8 (V +) -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值

15、)。</p><p>　　圖2 NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2定時(shí)器電路的分析及設(shè)計(jì)</p><p>　　定時(shí)器實(shí)質(zhì)上是對秒脈沖的計(jì)數(shù)，由于交通燈是倒計(jì)時(shí)顯示的，所以使用倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)芯片。這里使用功能強(qiáng)大的74LS192芯片，它是一塊可預(yù)置數(shù)可逆計(jì)數(shù)芯片。</p><p>　　74LS192屬8421BCD碼的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，

16、其管腳順序和功能表圖3所示。其中MR是異步清零端，高電平有效。PL是并行置數(shù)端，低電平有效，且在MR=0有效。CPU和CPu是兩個(gè)時(shí)鐘脈沖，當(dāng)CPd=1，時(shí)鐘脈沖由CPU端接入。并且MR=0，PL=1時(shí)，74LS192處于加法計(jì)數(shù)狀態(tài)；當(dāng)CPu脈沖從CPd端輸入，且MR=0，PL=1時(shí)，74LS192處于減法計(jì)數(shù)狀態(tài)；CPd=CPu=1時(shí)，計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)。TCu是進(jìn)位端，TCd是借位端。</p><p>　　

17、圖3 74LS192管腳功能圖</p><p>　　2.3交通燈和蜂鳴器電路的分析及設(shè)計(jì)</p><p>　　交通燈的設(shè)計(jì)和分布如圖所示，東西方向和南北方向個(gè)有一組紅燈、黃燈和綠燈，正常工作時(shí)，定時(shí)器15秒倒計(jì)時(shí)，東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮，倒計(jì)時(shí)到達(dá)5秒時(shí)，東西方向的紅燈熄滅，東西方向的黃燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器響。倒計(jì)時(shí)為0秒時(shí)，切換為東西方向的綠燈亮，南北方向的紅燈亮，計(jì)數(shù)器恢復(fù)為1

18、5秒倒計(jì)時(shí)。工作如此循環(huán)。</p><p>　　圖4 交通燈分布圖</p><p>　　2.4控制器電路的分析及設(shè)計(jì)</p><p>　　控制器是控制電路的核心，控制電路主要是對定時(shí)器的循環(huán)和交通燈的控制，可以通過定時(shí)器的輸出對控制電路進(jìn)行控制?？刂齐娐房梢酝ㄟ^與非門，或非門和觸發(fā)器來組成，這里采用74LS00二輸入四與非門、74LS27三輸入三或非門和74LS1

19、07J-K觸發(fā)器。它們的管腳功能如圖</p><p>　　圖5 各邏輯芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.5數(shù)碼顯示電路的分析及設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)碼顯示電路主要時(shí)為了顯示計(jì)數(shù)器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，方法是用譯碼器對計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行譯碼，然后輸送的數(shù)碼管顯示。這里采用74LS48譯碼器和共陰極數(shù)碼管組成數(shù)碼顯示電路。</p><p>　　

20、74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器，常用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中，</p><p>　　共陰極數(shù)碼管的公共端接低電平，如圖6所示，當(dāng)相對于的段碼輸入高電平是，對應(yīng)的段碼就發(fā)光，按照如下圖輸入二進(jìn)制數(shù)時(shí)，數(shù)碼管就顯示相應(yīng)的數(shù)字。</p><p>　　圖6 共陰極數(shù)碼管顯示原理</p><p>　　74LS48管腳功能如右圖功能表所示，B

21、I、RBI和LT接入高電平時(shí)，從A、B、C、d輸入BCD碼，輸出相對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值。其功能表所示。</p><p>　　圖7 74LS48引腳功能</p><p><b>　　3電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1脈沖發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　時(shí)鐘脈沖電路如圖8所示，由于對占空比沒有定性要求，<

22、;/p><p>　　由公式 T=0.7(R1+R2)C </p><p><b>　　令T=1s, </b></p><p>　　解得：當(dāng)電容C=47uf時(shí)，R1+2R2=30.395KΩ</p><p>　　所以R1和R2應(yīng)該選用10KΩ。</p><p>　　圖8 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器電路&

23、lt;/p><p>　　3.2定時(shí)器電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　由于要顯示2位數(shù)，所以需要兩片74LS192級(jí)聯(lián)組成，當(dāng)芯片輸出數(shù)據(jù)為00是讓芯片置數(shù)為15，這樣第00秒不會(huì)顯示00而是顯示15，第0秒時(shí)定時(shí)器輸出二進(jìn)制數(shù)值為0000 0000，由于本電路設(shè)計(jì)的交通燈延時(shí)不超過30秒，所以高兩位一直為00，所以只取前兩位即可，一共取6位數(shù)據(jù)輸出。即當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出00 0000時(shí)進(jìn)行置數(shù)?？梢?/p>

24、用兩個(gè)三輸入或非門和一個(gè)兩輸入與非門構(gòu)成。</p><p><b>　　推算公式：</b></p><p>　　圖9 定時(shí)器電路</p><p>　　3.3交通燈和蜂鳴器電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　蜂鳴器和交通燈的電路圖如右圖所示，按照實(shí)際要求，假設(shè)燈亮和蜂鳴器響用1表示，反之記為0，則波形圖如圖所示。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器

25、的9012三極管基極接在黃燈的負(fù)極，低電平時(shí)黃燈亮的同時(shí)蜂鳴器也響。</p><p>　　圖10 蜂鳴器和交通燈的電路圖</p><p><b>　　圖11 波形圖</b></p><p>　　3.4控制電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　紅綠燈轉(zhuǎn)換電路：根據(jù)圖10交通燈的波形圖要求，接下來就要設(shè)計(jì)控制電路了。經(jīng)過仔細(xì)

26、觀察和分析發(fā)現(xiàn)：各燈滅亮周期為30秒，紅燈15秒變化一次，也就是一個(gè)計(jì)數(shù)周期。電路要記住循環(huán)次數(shù)，并且以兩次為一個(gè)周期。用觸發(fā)器就可以達(dá)到要求了，計(jì)數(shù)器置數(shù)是由1到0，出現(xiàn)了一個(gè)下降沿，這個(gè)下降沿可以作為觸發(fā)器的觸發(fā)電平，如圖12JK觸發(fā)器的真值表可知，將觸發(fā)器的J、K、R接高電平，等CLK來一個(gè)下降沿，Q和Q非發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)，這樣即可達(dá)到東西南北方向的紅綠燈轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖12 JK觸發(fā)器<

27、/p><p><b>　　圖13 控制電路</b></p><p>　　5秒電路：對綠燈和黃燈的控制，我們在15秒中選0~5秒讓黃燈亮，其余由綠燈亮。分析如圖15定時(shí)器真值表，只要QB1、QA1、QD0為0且QC0、QB不能全為1，對QB1、QA1、QD0為0這一條件可以用三輸入或非門來實(shí)現(xiàn)，對QC0、QB不能全為1可以用一與非門來實(shí)現(xiàn)。如圖14所示當(dāng)計(jì)數(shù)到5秒時(shí)輸出高電

28、平。這樣可以通過這個(gè)電路和觸發(fā)器的配合控制紅燈和綠燈的交替閃亮。為了提高驅(qū)動(dòng)力，盡量讓電路低電平有效，所以使74LS27多余的或非門構(gòu)成非門將驅(qū)動(dòng)功能反過來，為了起到警示作用，讓黃燈閃爍，再讓74LS00多余的一個(gè)與非門接入秒鐘脈沖來驅(qū)動(dòng)黃燈閃爍，電路如圖14所示。</p><p>　　圖14 5秒控制電路</p><p>　　圖15 定時(shí)器真值表</p><p&g

29、t;　　3.5碼顯示電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　譯碼和數(shù)碼管電路比較簡單，電路圖如圖16所示，只要192譯碼器輸入BCD碼，就可以輸出驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的電平，要低電平有效，譯碼器的控制端全部接高電平。</p><p>　　圖16 數(shù)值顯示電路</p><p>　　3.6電源開關(guān)和指示燈電路的設(shè)計(jì)

30、 </p><p>　　圖17 電源開關(guān)和指示燈電路</p><p><b>　　4系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　4.1調(diào)試所用的基本儀器清單</p><p><b>　　萬用表 </b></p><p><b>　　5V直流電源 </

31、b></p><p><b>　　示波器 </b></p><p><b>　　電腦</b></p><p><b>　　4.2軟件仿真調(diào)試</b></p><p>　　為了保證原理的可靠性，同時(shí)直觀地觀察各個(gè)結(jié)點(diǎn)電平狀態(tài)，理解電路的工作原理，在做電路板之前先進(jìn)行軟件仿

32、真。經(jīng)過幾番的調(diào)試與修改，最終得到了滿意的仿真電路圖。</p><p>　　4.3實(shí)物電路板的調(diào)試</p><p>　　將各個(gè)元件和芯片插座焊接好以后，接上電源，接著打開電源開關(guān)，觀察電源指示燈是否正常發(fā)光，為了防止芯片被燒壞，插入芯片之前用萬用表測量各個(gè)芯片插座的電源接腳電壓是否正常，如果出現(xiàn)異常則對電路進(jìn)行檢修，檢修完成之后關(guān)閉電源你，將所有的芯片全部插到相應(yīng)的插座上，打開電源，觀察數(shù)

33、碼管顯示是否正常，觀察交通燈的變化和預(yù)想的邏輯是否一致，定時(shí)器是否走動(dòng)，如果定時(shí)器不走動(dòng)，需要用示波器檢測振蕩電路是否起振，再分析到底是邏輯電路還是振蕩電路引起的。</p><p>　　4.4時(shí)鐘脈沖信號(hào)的測定</p><p>　　所有的功能都正常運(yùn)行以后，為了檢測時(shí)鐘電路的誤差，我們用示波器對振蕩電路的時(shí)鐘周期進(jìn)行測定，將示波器的輸入端接到NE555芯片的第三個(gè)引腳，調(diào)整示波器顯示的振幅

34、范圍和周期，觀察示波器的屏幕，讀出頻率。</p><p><b>　　4.5調(diào)試結(jié)果</b></p><p>　　在仿真電路中，一邊仿真一邊修復(fù)電路，最終將仿真電路圖作為初步方案。</p><p>　　在硬件電路板調(diào)試過程中，通上電后各個(gè)芯片的電源電壓都正常，但是顯示還是會(huì)出現(xiàn)亂碼，并且彩燈顯示異常，而且定時(shí)器也不走動(dòng)，最終經(jīng)過多次的檢修，將問

35、題逐一解決，問題是因?yàn)樘摵负托盘?hào)線短路所致。經(jīng)過調(diào)試還發(fā)現(xiàn)，原來仿真軟件并不是完全可靠的，在仿真圖中NE555芯片的第4管腳不接電源正極也可以起振，但是在實(shí)際應(yīng)用上時(shí)鐘不能起振，經(jīng)過修改以后電路基本能夠正常穩(wěn)定地工作了。</p><p>　　電路基本完成以后，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管的燈光非常弱，用萬用表測量發(fā)現(xiàn)觸發(fā)器輸出高電平是3.5V左右的，設(shè)計(jì)的電路兩個(gè)同色方向?qū)α⒌腖ED和50Ω電阻是串聯(lián)的，LED電壓不夠是燈太弱

36、的原因，所以我在電路中將對應(yīng)的LED改成并聯(lián)，并且將串聯(lián)的電阻改為1KΩ，最終LED的亮度才比較適合。</p><p>　　如附錄5波器顯示屏所示，實(shí)際的時(shí)鐘周期為T，在示波器中大約占9.5格，每格是100ms。</p><p>　　所以： T=9.5*100=950ms=0.95s</p><p>　　最終，打開電源以后，交通燈以0.95S為時(shí)鐘周期，東西方向的紅

37、燈和南北方向的綠燈先亮，15秒倒計(jì)時(shí)開始，當(dāng)時(shí)鐘為05秒的時(shí)候，東西方向的紅燈熄滅，東西方向的黃燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器響，當(dāng)時(shí)鐘為00秒的時(shí)候東西方向的黃燈和南北方向綠燈熄滅，同時(shí)蜂鳴器不響，西方向的綠燈和南北方向的紅燈亮，15秒倒計(jì)時(shí)開始，當(dāng)時(shí)鐘為05秒的時(shí)候，南北方向的紅燈熄滅，南北方向的黃燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器響，以后的時(shí)間如此循環(huán)。</p><p><b>　　4.6測試結(jié)果分析</b>&l

38、t;/p><p>　　測試結(jié)果基本達(dá)到預(yù)想的邏輯要求，時(shí)鐘發(fā)生器的頻率存在5%的誤差，這些誤差主要來自于電阻和電解電容。</p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)所做的簡易交通燈以數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)作為原理依據(jù)，電路主要包括脈沖發(fā)生器電路，定時(shí)器電路，控制電路，交通燈電路和數(shù)碼顯示電路等電路組成，利用數(shù)碼管，74

39、LS48譯碼器、74LS192計(jì)數(shù)器、ne555、與非門、或非門、觸發(fā)器、蜂鳴器和小彩燈等數(shù)字電子技術(shù)芯片構(gòu)建而成的，實(shí)現(xiàn)的功能是：東西方向的紅燈和南北方向的綠燈先亮，15秒倒計(jì)時(shí)開始，當(dāng)時(shí)鐘為05秒的時(shí)候，東西方向的紅燈熄滅，東西方向的黃燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器響，當(dāng)時(shí)鐘為00秒的時(shí)候東西方向的黃燈和南北方向綠燈熄滅，同時(shí)蜂鳴器不響，西方向的綠燈和南北方向的紅燈亮，15秒倒計(jì)時(shí)開始，當(dāng)時(shí)鐘為05秒的時(shí)候，南北方向的紅燈熄滅，南北方向的黃燈閃

40、爍，同時(shí)蜂鳴器響，以后的時(shí)間按照循環(huán)，經(jīng)測試，電路基本達(dá)到要求，電路美觀，工作穩(wěn)定。</p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　附錄A 仿真圖</b></p><p><b>　　附錄B 原理圖</b></p><p><b>　　附錄C

41、 PCB圖</b></p><p><b>　　附錄D 實(shí)物圖</b></p><p>　　附錄E 脈沖信號(hào)測試圖</p><p><b>　　附錄F 元件清單</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]