《数字电路》课程设计报告-交通灯控制电路.doc

2010级通信工程数字电路课程设计报告设计题目交通灯控制电路姓名及学号学院工程技术学院专业通信工程班级2010级4班指导教师 2012年11月06日题目：交通灯控制电路一、 设计题目及要求（根据题目填写）1、设计题目利用数字集成电路和分立元器件设计一交通灯控制电路。交通灯系统框图如下：TL：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL1，否则，TL0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY1，否则，TY0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。2、设计要求（1）基本要求设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道；黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。指导教师签名： 2012年 月 日二、 指导教师评语指导教师签名： 2012 年 月 日三、成绩 验收盖章 2012年 月 日14目录1 设计的要求11.1基本要求11.2提高要求12 设计任务13 实验原理14 电路设计34.1电路原理设计系统框图34.2设计模块44.2.1秒脉冲发生器的设计44.2.2定时器的设计44.2.3控制器的设计54.2.4译码器的设计64.3系统电路图85 电路板的制作及焊接调试85.1 PCB图的制作85.2 电路板的制作95.3 电路板的焊接和调试96 心得体会107 参考文献118 鸣谢129 附录139.1原件清单139.2作品照片14通信工程专业数字电路课程设计交通灯控制电路设计1 设计的要求1.1基本要求（1）设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；（2）要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道；（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。1.2提高要求（1）有急救车优先通过功能。当有急救车到达时，路口的信号灯全部变红灯，以便急救车通过，急救车的通行时间为10秒，急救车过后，交通灯恢复先前状态。（2）交通灯在红、绿灯交替点亮中，用两个数码管显示点亮的灯还能持续的时间。 2 设计任务（1）根据设计指标及要求选择电路形式，画出原理电路图；（2）选择元器件型号及参数，并列出器件清单；（3）利用protel99软件仿真，画出PCB图，然后制作电路板；（4）在制作好的电路板上焊接好元器件，并完成好电路的测试和调整，使有关指标达到设计要求；（5）写出设计总结报告。3 实验原理本次试验课题是利用数字电路，交通灯的系统框图如图1：图1 交通灯系统框图TL：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL1，否则，TL0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY1，否则，TY0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。（1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。（3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。 交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示。其逻辑表如表1，其逻辑图如图2。表1 控制器逻辑表控制状态信号灯状态车道运行状态S0（00）甲绿、乙红甲车道通行，乙车道禁止通行S1（01） 甲黄、乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行S3（11）甲红、乙绿甲车道禁止通行，乙车道通行S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，乙车道缓行AG=1甲车道绿灯亮甲车道通行BG=1乙车道绿灯亮乙车道通行AY=1甲车道黄灯亮甲车道缓行BY=1乙车道黄灯亮乙车道缓行AR=1甲车道红灯亮甲车道禁止通行BR=1乙车道红灯亮乙车道禁止通行图2 控制器逻辑图4 电路设计4.1电路原理设计系统框图 如图1所示。4.2设计模块4.2.1秒脉冲发生器的设计如图3所示：图3 秒脉冲发生器4.2.2定时器的设计定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模25的定时信号TL，模5的定时信号TY，计数器选用集成电路74LS160进行设计较简便。如图4所示：图4 定时器4.2.3控制器的设计控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。选用两个D触发器74LS74做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1 00状态时，如果TL 0，则控制器保持在00状态；如果TL01，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项X表示。其余情况依次类推，就可以列出了状态转换信号ST。如表2所示：表2 控制器状态转换根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号即可实现控制器的功能。如图5所示：图5 控制器4.2.4译码器的设计译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态，表中A、B代表甲、乙车道。如表3所示：表3 译码器输出状态Q1 Q0AG绿灯AY黄灯AR红灯BG绿灯BY黄灯 BR红灯0 01000010 10100011 00011001 1001010模块图如图6所示：图6 译码器由秒脉冲发生器产生的周期性变化CLK脉冲，一部分送给了定时器的74LS163芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST同时加到定时器74LS163芯片的情况下，通过芯片74LS10将会输出TY、TY非,TL、TL非。即TY和TY非放大的结果是秒脉冲的5倍,TL和TL非放大的结果是秒脉冲的25倍。前者输出的信号是后者的1/5。将定时器输出的TY和TY非,TL和TL非分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。再通过电路中的指示灯和470欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。4.3系统电路图如图7所示：图7 系统电路图5 电路板的制作及焊接调试5.1 PCB图的制作通过protel99se软件画出原理图，然后经过ERC进行检验，检验无错之后再软件上自动生成PCB图，然后将生成的原件进行布局，最后进行手动布线铺铜工作得到PCB图，如图8所示：图8 PCB版图5.2 电路板的制作 实际电路板的制作运用已经布线好的PCB到实验机房制作电路板，电路板经过了锯面包板，然后经过钻孔、氧化、打印、高温附印后，将其放入电解液中腐蚀，等电路部分腐蚀好之后用砂纸在水下砂出铜丝电路，最后用松香防腐蚀。5.3 电路板的焊接和调试对做好的PCB电路板进行扩孔及元器件的安装，然后就是焊接，焊接要防止虚焊脱焊，还要注意在焊接的时候跳线的处理，以及焊接过程中焊疤不影响原电路。焊接完成之后进行调试。6 心得体会此次课程设计经历了设计方案，设计方案，画出PCB图，布局，焊接，调试，几个过程。其中几乎每一步我们都经历了挫折，曾一度想要放弃这个实验，但是最后我们还是坚持下来了。曾记得，那几个夜晚在实验室中看着那些图纸一个个想，一个个设计的样子，当我们的作品做好的那一瞬间，惊喜浮上心间。一种从未有过的成就感出现了。同时，在此次课程设计中，我们对数字电路这门课程有了更深入的了解，让我们不再是纸上谈兵，实际操作跟能发现并且纠正很多问题。并且掌握了很多工具的使用及电路的基本调试能力。7 参考文献1、康华光，电子技术基础，模拟部分（第五版），高等教育出版社2、74LS160、74LS74、74LS00、555计时器等的PDF资料8 鸣谢本课程设计在设计过程中得到马耀庭和薛世华老师的悉心指导，为我们指点迷津，并且及时帮助我们指出并改正设计过程中出现的错误。老师们一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，教会了我们对待一件事情的应有的正确的态度，同时也让我们顺利的完成了课程设计。在此，深深的感谢马耀庭老师和薛世华老师对我们的悉心的指导。9 附录9.1原件清单如表4所示：表4 原件清单序号参数类型封装J5+5V电源USBC50.1电容RAD0.1C40.1电容RAD0.1C20.01u电容RAD0.2R110k电阻AXIAL0.3C110u电解电容RB.1/.2C610u电解电容RB.1/.2C310u电解电容RB.1/.2R847K电阻AXIAL0.3R947K电阻AXIAL0.3U1374LS00DIP14U774LS08DIP14U1274LS10DIP14U1074LS48DIP16U974LS48DIP16U674LS74DIP14U474LS153DIP16U574LS153DIP16U274LS160DIP16U174LS160DIP16R5470电阻AXIAL0.3R6470电阻AXIAL0.3R7470电阻AXIAL0.3R4470电阻AXIAL0.