交通燈控制器課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題目： 交通燈控制器</p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　院 （系）： </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 信息與計(jì)算科學(xué) <

2、;/p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2010 年 6 月 30日</p><p><b>　　交通燈控制器</b></p><p><b>　　1．設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　?。?）熟悉集成電路的引腳安排。（2）掌握各芯片的邏

3、輯功能及使用方法。（3）了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法。（4）了解數(shù)字搶答器的組成及工作原理。（5）熟悉數(shù)字搶答器的設(shè)計(jì)與制作。</p><p><b>　　一.任務(wù)和要求：</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口交通信號(hào)燈控制器，其要求如下：</p><p>　　1.在十字路口的兩個(gè)方向上各設(shè)一組紅黃綠燈，顯示順序?yàn)槠渲幸粋€(gè)方向是綠燈

4、、黃燈、紅燈；另一個(gè)方向是紅燈、綠燈、黃燈。</p><p>　　2.設(shè)置一組數(shù)碼管，以計(jì)時(shí)的方式顯示允許通行或禁止通行的時(shí)間。其中，綠燈亮的時(shí)間是10s，黃燈亮的時(shí)間是2s。</p><p><b>　　二.設(shè)計(jì)思路：</b></p><p>　　在實(shí)際情況下，一個(gè)十字路有一個(gè)主干道和一個(gè)支干道。主干道的車(chē)流量較大，即要求主干道綠燈亮的時(shí)間長(zhǎng)

5、，支干道正好相反。</p><p>　　因此，把主干道綠燈亮的時(shí)間設(shè)置為40s，黃燈亮的時(shí)間設(shè)為4s，紅燈亮的時(shí)間設(shè)為10s；支干道綠燈亮的時(shí)間設(shè)置為20s，黃燈亮的時(shí)間設(shè)為4s，紅燈亮的時(shí)間設(shè)為10s。</p><p>　　設(shè)A代表主干道，B代表支干道；R代表紅燈亮，Y代表黃燈亮，G代表綠燈亮。且設(shè)主、支干道紅、黃、綠燈亮的四種狀態(tài)分別由Q1、Q0的四種數(shù)值組合表示，如下：</p&

6、gt;<p>　　1.Q1Q0為00時(shí)，主干道綠燈與支干道紅燈亮，即：AG、BR，時(shí)間持續(xù)40s；</p><p>　　2.Q1Q0為01時(shí)，主干道黃燈與支干道紅燈亮，即：AY、BR，時(shí)間持續(xù)4s；</p><p>　　3.Q1Q0為10時(shí)，主干道紅燈與支干道綠燈亮，即：AR、BG，時(shí)間持續(xù)20s；</p><p>　　4.Q1Q0為11時(shí)，主干道紅燈

7、與支干道黃燈亮，即：AR、BY，時(shí)間持續(xù)4s；</p><p>　　四個(gè)狀態(tài)以00-01-10-11的順序循環(huán)出現(xiàn)。其工作流程圖如圖2：</p><p><b>　　三.總體方案：</b></p><p>　　在一個(gè)有主、支干道的十字路口，主、支干道各設(shè)置一組紅、黃、綠三色的交通燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行。在綠燈變?yōu)榧t燈之前，黃

8、燈先亮4秒，以提示未通行的車(chē)輛準(zhǔn)備停車(chē)。由于主干道車(chē)輛較多，所以要求主干道處于通行狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)一些，設(shè)為40秒；而支干道通行時(shí)間為20秒。</p><p><b>　　主要功能為：</b></p><p>　　1.實(shí)現(xiàn)紅綠燈的交通管制功能；</p><p>　　2.在紅綠燈交換的前4秒，由黃燈提示司機(jī)注意，準(zhǔn)備停車(chē)，且此時(shí)綠燈熄滅；</p

9、><p>　　3.可適應(yīng)主次干道不同的車(chē)流量的需要，擬設(shè)計(jì)主干道的車(chē)輛通行時(shí)間為40秒，次干道的車(chē)輛通行時(shí)間為20秒；</p><p>　　4.采用倒計(jì)時(shí)的方式，提示司機(jī)剩余時(shí)間。</p><p><b>　　簡(jiǎn)單原理如下：</b></p><p>　　由555時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的“秒”脈沖信號(hào)，確保整個(gè)電路裝置計(jì)時(shí)工

10、作穩(wěn)定進(jìn)行。用一片74LS161作為計(jì)數(shù)器，將其輸出端通過(guò)非門(mén)與74LS48相連后，把74LS48輸出端連到數(shù)碼管上，實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)。用另外一片74LS161作為狀態(tài)控制器，控制狀態(tài)變量Q2Q1的變化，即實(shí)現(xiàn)變化：00-01-10-11，從而使計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)模10、模2、模5的轉(zhuǎn)化。六個(gè)燈與由狀態(tài)控制器控制的74LS74的輸出端通過(guò)門(mén)電路直接相連。</p><p>　　總體方案原理圖如圖3：</p><

11、;p>　　在此電路中，555時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)以秒為單位的CP脈沖，計(jì)數(shù)器74LS161接受CP脈沖，實(shí)現(xiàn)同步計(jì)時(shí)。通過(guò)非門(mén)連接計(jì)數(shù)器輸出端與譯碼驅(qū)動(dòng)電路，在數(shù)碼管上顯示倒計(jì)時(shí)。將計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出RCO取反用以控制其自身循環(huán)置數(shù)，且此進(jìn)位輸出RCO同時(shí)是紅綠燈控制器74LS74與狀態(tài)控制器74LS161的脈沖信號(hào)，由此，狀態(tài)從00變至01，歷時(shí)40s；從01至10，歷時(shí)4s；從10至11，歷時(shí)20s；再?gòu)?1變至00，歷時(shí)4s

12、，依次循環(huán)。狀態(tài)不同，計(jì)數(shù)器置數(shù)和紅綠燈如何顯示不同；計(jì)數(shù)器置數(shù)不同，則模值不同，狀態(tài)改變時(shí)間也不同。</p><p>　　當(dāng)用于計(jì)數(shù)的74LS161芯片輸入為0110時(shí)實(shí)現(xiàn)模10的計(jì)數(shù)器；當(dāng)輸入為1110時(shí)實(shí)現(xiàn)模2的計(jì)數(shù)器；當(dāng)輸入為1011時(shí)實(shí)現(xiàn)模5的計(jì)數(shù)器。通過(guò)這種模式，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器與狀態(tài)控制器相互控制。</p><p>　　然后狀態(tài)控制電路74LS161控制計(jì)時(shí)電路74LS161的輸入

13、端。當(dāng)狀態(tài)控制電路的輸出Q1、Q0為00時(shí)實(shí)現(xiàn)模10的計(jì)數(shù)器，此時(shí)主干道的綠燈和支干道的紅燈亮；為01時(shí)實(shí)現(xiàn)模2計(jì)數(shù)器，此時(shí)主干道的黃燈和支干道的紅燈亮；為10時(shí)實(shí)現(xiàn)模5的計(jì)數(shù)器，此時(shí)主干道的紅燈和支干道的綠燈亮；為11時(shí)實(shí)現(xiàn)模2的計(jì)數(shù)器，此時(shí)主干道的紅燈和次干道的黃燈亮；然后Q1、Q0再回到00狀態(tài)，這樣就實(shí)現(xiàn)了交通燈的循環(huán)且實(shí)現(xiàn)了主支干道通車(chē)時(shí)間不同的功能。</p><p><b>　　四.單元電路

14、設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 秒脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　將555芯片按一定的線路接上不同的電阻和電容就可產(chǎn)生周期不同的脈沖信號(hào)，即不同的頻率的脈沖。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)需要以秒為單位的脈沖信號(hào)，因此利用參數(shù)為4.7u和0.1u的2個(gè)電容，與參數(shù)為4.7k和150k的2個(gè)電阻按圖4構(gòu)成電路。</p><

15、;p>　　脈沖周期T=0.7×(4.7k+2×150k) ×4.7u，約等于1s。</p><p>　　使用主要器件：555芯片一片、參數(shù)為4.7u和0.1u的電容、參數(shù)為4.7k和150k的電阻。</p><p><b>　　4.2 計(jì)時(shí)電路</b></p><p>　　4.2.1 計(jì)數(shù)器電路</p&

16、gt;<p>　　利用系統(tǒng)的狀態(tài)量Q1,Q0控制計(jì)數(shù)74LS161的置數(shù)端D0，D1，D2，D3。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)處在AGBR時(shí)，進(jìn)制是十（模10），有效狀態(tài)為0110，0111，1000，……1111，因此，置D3，D2，D1，D0為0110；當(dāng)系統(tǒng)處在ARBG時(shí)，進(jìn)制是五（模5），有效狀態(tài)為1011，1100，1101，1110，1111，置D3，D2，D1，D0為1011；當(dāng)系統(tǒng)處在AYBR或ARBY時(shí)，進(jìn)制是二（模2），

17、有效狀態(tài)為1110，1111，置D3，D2，D1，D0為1110，由此有：</p><p><b>　　表1</b></p><p>　　所以：D3=Q1+Q0</p><p><b>　　D2=Q0+Q1’</b></p><p><b>　　D1=1</b></p&g

18、t;<p><b>　　D0=Q1*Q0’</b></p><p>　　注：符號(hào)“’”代表邏輯非。</p><p>　　按照上述函數(shù)表達(dá)式將代表狀態(tài)的信號(hào)連接至計(jì)數(shù)器置數(shù)端D3、D2、D1、D0上，通過(guò)狀態(tài)變量控制置數(shù)。并將計(jì)數(shù)器高位進(jìn)位RCO通過(guò)非門(mén)連至其同步置數(shù)端LOAD上，即：當(dāng)此次計(jì)數(shù)至1111時(shí)，再接受一個(gè)脈沖信號(hào)，RCO由0變?yōu)?，同時(shí)，LO

19、AD由1變?yōu)?，在脈沖到來(lái)時(shí)開(kāi)始下一次置數(shù)。</p><p>　　另外，由于剛接通電路時(shí)，RCO沒(méi)有進(jìn)位信號(hào)，導(dǎo)致LOAD的值不確定，如若不加處理，將會(huì)存在數(shù)個(gè)亂碼信號(hào)，此時(shí)，可以在LOAD上加一根接地的導(dǎo)線作為計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)。這樣，當(dāng)CLK端接受脈沖信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器置0110，數(shù)碼管上顯示9，拔掉導(dǎo)線后，計(jì)數(shù)開(kāi)始，電路正常工作。</p><p>　　使用主要器件：74LS161、74LS04。&

20、lt;/p><p>　　4.2.2 倒計(jì)時(shí)電路</p><p>　　當(dāng)每一狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，置入的數(shù)據(jù)將同時(shí)改變，通過(guò)非門(mén)連接，將計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)加至七段數(shù)碼管譯碼驅(qū)動(dòng)器74LS48上，然后把74LS48的輸出接到數(shù)碼管上，在數(shù)碼管上顯示倒計(jì)的秒數(shù)，具體顯示如表2：</p><p><b>　　表2</b></p><p>　　

21、使用主要器件：74LS48、74LS04、數(shù)碼管、限流保護(hù)電阻。</p><p><b>　　電路圖如圖5：</b></p><p><b>　　4.3狀態(tài)控制電路</b></p><p>　　將控制狀態(tài)的74LS161的所有置數(shù)端接地，即置零，把計(jì)數(shù)器的高位進(jìn)位作為狀態(tài)控制器的脈沖信號(hào)，當(dāng)每次計(jì)數(shù)器計(jì)到1111后，計(jì)數(shù)器

22、的RCO將由0變?yōu)?，產(chǎn)生一個(gè)上升沿。由于要通過(guò)此片74LS161實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變化：00-01-10-11，因此再將其輸出Q1與Q0通過(guò)與非門(mén)連至本芯片同步置數(shù)端LOAD上。</p><p>　　之后，再用門(mén)電路，依據(jù)D3、D2、D1、D0的函數(shù)表達(dá)式，把狀態(tài)控制器的輸出Q1、Q0與計(jì)數(shù)器的置數(shù)端相連接，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)控制器與計(jì)數(shù)器相互控制。</p><p>　　使用主要器件：74LS161、74L

23、S00、74LS04、74LS08。</p><p><b>　　電路圖如圖6：</b></p><p>　　4.4 紅綠燈控制電路</p><p>　　紅綠燈顯示所代表的狀態(tài)，同樣與狀態(tài)控制電路的狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，即主控電路的輸出Q1和Q0決定了主干道和支干道的紅綠燈的亮滅情況。如燈亮用“1”表示，燈滅用“0”表示，則有表3：</p>

24、<p><b>　　表3</b></p><p>　　所以：AR=Q0’*Q1’ AY=Q0*Q1’ AG=Q1</p><p>　　BR=Q1*Q0’ BY=Q1*Q0 BG=Q1’</p><p>　　在此單元電路中，可以用某些門(mén)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于門(mén)電路不穩(wěn)定，容易出錯(cuò)，且相比于使用門(mén)電路，采用中規(guī)模集成

25、器件的接線較簡(jiǎn)便，因此，我使用了雙上升沿D觸發(fā)器74LS74作為燈控電路的核心。</p><p>　　同時(shí)用計(jì)數(shù)器的高位進(jìn)位RCO做74LS74的脈沖信號(hào)，其狀態(tài)改變?cè)硗瑺顟B(tài)控制器。</p><p>　　使用主要器件：74LS74、74LS08、LED、限流保護(hù)電阻。</p><p><b>　　具體接線如圖7：</b></p>

26、<p><b>　　五.總體電路圖</b></p><p>　　六.單元電路輸出波形圖</p><p><b>　　七.實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備</b></p><p>　　1.集成器件：555芯片一片；74LS161兩片；74LS48一片；74LS74一片；74LS00一片；74LS04兩片；74LS08兩片；</

27、p><p>　　2.電容：4.7u一個(gè)；0.1u一個(gè)；</p><p>　　3.電阻：4.7k一個(gè)；150k一個(gè)；100四個(gè)；</p><p>　　4.其他：數(shù)碼管一個(gè)；發(fā)光二極管六個(gè)；導(dǎo)線若干；面包板一塊；萬(wàn)用表等。</p><p>　　八.調(diào)試中遇到的問(wèn)題</p><p>　　1.在連接555脈沖產(chǎn)生電路時(shí)，沒(méi)注意到面

28、包板的線路是否連通，結(jié)果接完測(cè)試時(shí)，將二極管接到脈沖輸出端，發(fā)現(xiàn)其一直處于亮的狀態(tài)。檢查電路連線和面包板后，發(fā)現(xiàn)是面包板有一處不連通，重新布線后問(wèn)題解決。經(jīng)此，在連接后面的電路時(shí)，我每完成一個(gè)單元電路后，都要用萬(wàn)用表測(cè)試一下該單元電路的連通性和正確性，以避免同樣的錯(cuò)誤再次發(fā)生。</p><p>　　2．由于布線不合理，在完成555電路和計(jì)數(shù)電路連接后，電路板上的導(dǎo)線已經(jīng)有些零亂，導(dǎo)致后面的電路不好連接，線路也不好

29、檢查，于是我不得不將已有電路拆除、重連。鑒于此，我先將所需芯片全部安在面包板上，給電路總體布好局后，再一個(gè)一個(gè)模塊的連接。雖然重新連電路費(fèi)了不少時(shí)間，但是經(jīng)過(guò)這次總體規(guī)劃，電路布局得到簡(jiǎn)化，使使用的芯片更少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢查電路也更加方便。</p><p>　　3.由于是在一小塊面包板上完成一個(gè)集成電路，所以電路的連線比較繁瑣，雖然查線時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么問(wèn)題，但當(dāng)接通電源后，數(shù)碼管并未按照理論顯示倒計(jì)的時(shí)間，而是幾個(gè)

30、數(shù)字無(wú)序出現(xiàn)。多次檢查后，發(fā)現(xiàn)是電路板上個(gè)別芯片管腳與電路板接觸不良，因此，在往后接線前，要特別注意芯片的管腳，檢查芯片是否插緊，導(dǎo)線是否松弛等。</p><p><b>　　九.分析與總結(jié)</b></p><p>　　兩周實(shí)習(xí)，鍛煉了我的電路設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手的能力，也使我通過(guò)親身實(shí)踐掌握了一些中規(guī)模集成器件的使用技巧與方法，而不僅限于書(shū)本上的理論知識(shí)，讓我受益非淺。&

31、lt;/p><p>　　實(shí)習(xí)就是將理論付之于實(shí)踐的過(guò)程，如何能更好地用自己的知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的要求的功能，這不僅要看我們所學(xué)的知識(shí)是否扎實(shí)，更重要的是要有能把書(shū)本知識(shí)運(yùn)用在實(shí)際電路中的能力。即便一個(gè)人理論知識(shí)非常充分，然而卻缺乏動(dòng)手能力，那也不過(guò)是紙上談兵，沒(méi)有多大的意義。本次數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)就是很好的例子。</p><p>　　同時(shí)，做實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要細(xì)心、耐心，要有堅(jiān)持的毅力。對(duì)于現(xiàn)在缺乏實(shí)踐經(jīng)

32、驗(yàn)的我們來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)艱苦的過(guò)程。因?yàn)閯傞_(kāi)始接觸，可能對(duì)某些芯片及其用法不甚了解，于是，要在電路設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，花費(fèi)時(shí)間很多時(shí)間。但是如果自己通過(guò)翻閱資料，或者請(qǐng)教老師同學(xué)，努力了也堅(jiān)持了下來(lái)，那么所掌握的，就不僅僅是課本上的簡(jiǎn)單理論，而是豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)于以后的工作或?qū)W習(xí)將有很大的幫助。</p><p>　　對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)，接線時(shí)，事先布局好就會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。實(shí)驗(yàn)中最好能做一個(gè)模塊然后檢查一個(gè)模塊，這

33、樣以后出錯(cuò)的機(jī)會(huì)就很小了，而且也很容易排查錯(cuò)誤。遇到問(wèn)題要思考解決，不能只是一味的拆和插電路，這樣不但解決不了問(wèn)題，還會(huì)耽誤時(shí)間和進(jìn)度。當(dāng)然在實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題也很多，這些大部分是因?yàn)樽约赫莆盏闹R(shí)還不夠牢固，動(dòng)手實(shí)踐的次數(shù)不夠。好在通過(guò)請(qǐng)教老師和同學(xué)后一一地解決了。在這兩周的學(xué)習(xí)過(guò)程中，我收獲了很多。以后我們要面臨的挑戰(zhàn)會(huì)更多，要解決的問(wèn)題也會(huì)更多，我相信只要我們腳踏實(shí)地，認(rèn)真對(duì)待，總會(huì)有辦法解決。</p><p&g

34、t;　　這次實(shí)驗(yàn)讓我們又一次鞏固并復(fù)習(xí)我們所學(xué)的數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)這一門(mén)課程的知識(shí)，也為以后更深入的學(xué)習(xí)做了一個(gè)好的開(kāi)端，是一次提升自我的實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樗粌H是一次鍛煉動(dòng)手能力的實(shí)踐，也是鍛煉我們思維能力和意志力的實(shí)踐，我們從書(shū)上學(xué)到的是死知識(shí)，但通過(guò)實(shí)習(xí)，活躍了我們的思維，也給了我們一個(gè)發(fā)揮自己創(chuàng)新能力的機(jī)會(huì)，書(shū)本和實(shí)踐相結(jié)合，就是最終的作品。既是動(dòng)手實(shí)踐就會(huì)遇到各種問(wèn)題，也會(huì)面對(duì)重重困難，不畏艱難，知難而進(jìn)就是我們解決問(wèn)題的方法。因此，今