电子技术课程设计-交通指示灯的设计.doc

交通指示灯课程 课 程 设 计设计名称 交通指示灯的设计 . 学年学期 2013-2014（上） 课程名称 电子技术课程设计 专业年级 电气 2011级 姓 名 学 号 提交日期 成 绩 指导教师 水利与建筑工程学院23目 录目录,2摘要 关键词：31 设计任务与要求41.1 设计任务41.2 技术指标41.3题目评析42 方案比较与论证42.1各种方案比较与选择42.2 方案论证93 系统硬件设计93.1系统的总体设计93.2单元电路的设计93.3电路原理图134 系统仿真144.1仿真原理图144.2仿真结果145 系统的调试组装-PCB板图156 结论166.1交通指示灯的特点166.2 收获与体会17参考文献. . .19 附录1 总电路原理图. . .20 附录2 印制电路板图. . .21 附录3 元器件清单.21致谢.22交通指示灯的设计全套设计加扣3012250582 摘 要：设计了一个交通控制灯电路，该电路具有控制十字路口交通灯的功能，红灯亮表示停止，绿灯亮表示通行，通行和停止时间各为30秒，通行和停止时间用数码管显示，采用倒计时方式。脉冲信号用555定时器构成的多谢振荡电路来产生的。74LS192可逆十进制计数器具有减法功能，和74LS47译码器构成一码电路来实现电路的减法计数。两个共阳极数码管来显示译码电路实现的减法计数。两组发光二极管来显示红绿灯的变化，整个电路采用5V电源供电。利用Miltisim11对设计的电路进行仿真，再利用Protel中画出原理图，然后得到Pcb板图。关键字：交通控制灯； 555多谐振荡电路；计数器；译码器；显示器 1 设计任务与要求1.1设计任务 设计一个交通指示灯，实现两个功能。第一，红绿灯显示交通的前进与停止；第二，显示交通灯的倒计时，以及对彩灯的控制。1.2技术指标（1）红灯表示前进，绿灯表示停止。 （2）通行和停止时间都为30秒。1.3题目评析 设计该电路重点在于控制彩灯来实现对交通前进与停止的控制，难点在于从30秒倒计时并显示倒计时时间。交通指示灯具有很大的实用价值，能够实现十字路口的前进与停止，使交通井然有序，避免发生意外，并且对该电路稍加修改还可以应用到其它计时控制场合，给人们的生活带来很大的方便。2 方案比较与论证2.1各种方案比较与选择2.1.1其中时钟信号的产生有两种方案。方案一：晶体震荡器在对频率的稳定性要求较高的电路中，应采用频率稳定性很高的石英晶体振荡器，图2.1给出了两种常见的石英晶体振荡电路。 图2.1 石英晶体多谐振荡器 石英晶体振荡电路的谐振频率由石英晶体的固有频率决定，故图 2.1中的两电路输出的波形的振荡频率均为1M Kz，电路中其它元器件对输出波形频率的影响极为有限。只是石英晶体振荡器产生的频率很高，要得到基准毫秒脉冲，还需要用分频电路。振荡器输出1M Kz信号，为了得到100 Hz的振荡脉冲，可以进行10 000分之一的分频。方案二：由55定时器构成的多谢振荡电路来产生的。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，它的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，输出驱动电流大约为 200mA，因而它的输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表1所示。表1 555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端TLQ放电管T功能0XX0导通直接清零101X保持上一状态保持上一状态1101截止置11001截止置11110导通清零 555定时器可工作在三种工作模式下：单稳态模式：在此模式下，555功能为单次触发。应用范围包括定时器，脉冲丢失检测，反弹跳开关，轻触开关，分频器，电容测量，脉冲宽度调制（PWM）等。无稳态模式：在此模式下，555以振荡器的方式工作。这一工作模式下的555芯片常被用于频闪灯、脉冲发生器、逻辑电路时钟、音调发生器、脉冲位置调制（PPM）等电路中。如果使用热敏电阻作为定时电阻，555可构成温度传感器，其输出信号的频率由温度决定。双稳态模式（或称施密特触发器模式）：在DIS引脚空置且不外接电容的情况下，555的工作方式类似于一个RS触发器，可用于构成锁存开关。 由555定时器构成的多谐振荡器如图1.4（a）所示，图1.4(b)为其工作波形。 (a)555构成的多谐振荡器 (b)工作波形图1.4 555构成的多谐振荡器及其工作波形其工作原理如下：接通电源后，VCC经R1、 R2给电容C充电。由于电容上电压不能突变，电源刚接通时CVCC3，所以555内部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，即RD=1，SD=0，基本RS触发器置1，输出端Q为高电平。此时Q=O，使内部放电管截止。当C上升到大于Vcc3时，RD=1，SD=1，基本RS触发器状态不变，即输出端Q仍为高电平，当VC上升到略大于2VCC3时，RD =0，SD=1，基本RS触发器置0，输出端Q为低电平。这时Q=1，使内部放电管饱合导通。于是电容C经R2和内部放电管放电，c按指数规律减小。当C下降略小于Vcc3时，内部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，基本RS触发器置1，输出高电平。这时，Q=0，内部放电管截止。于是C结束放电并重新开始充电。如此循环不止，输出端就得到一系列矩形脉冲，如图1.4（b）所示。由图1.4（b）可见，C将在Vcc3和2VCC3之间变化，因而可求得电容C上的充电时间和放电时间充电时间 放电时间形波的振荡周期因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。当矩形波的频率f=100 Hz时，振荡周期T=0.01s。当取C=0.1F,R1=40千欧，若使T=0.01s，那么，R251千欧。取一固定电阻47千欧与一5千欧的电位器相串联代替电阻R2。在调试电路时，调节电位器RP，使输出脉冲周期为0.01s，即可获得所需的基准脉冲。 2.1.2 方案的比较与选择石英晶体振荡器产生的振荡脉冲的频率过高，为了得到符合要求频率的脉冲，还需要外加分频电路，电路比较复杂，且成本较高。555多谢振荡电路则不需要，电路比较简单。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，它的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，输出驱动电流大约为 200mA，因而它的输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。 2.2方案论证 将设计系统由时钟信号电路、主控制器、译码显示器、信号灯显示器四大部分组成。其中之中信号电路用于给各个组成部分提供定时信号，使相应的发光二极管发光。译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，产生倒计时时间显示，控制器根据时钟信号电路产生的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。各部分功能分别由具体的器件连接实现。3 系统硬件设计3.1系统的总体设计经过以上分析与论证，要实现要求，该电路应有四部分组成，分别是时钟信号电路、主控制器、计时译码显示器、信号灯显示器，得到交通指示灯的原理方框图如图3.1显示器译码器计数器时钟信号发生器信号灯主控制器 图3.1交通指示灯的原理方框图3.2单元电路的设计3.2.1时钟信号电路的设计时钟电路设计。555多谐自激振荡集成电路制成，与两个48千欧电阻和一个10uf电容还有一个100nf电容一起构成周期为一秒的时钟周期发生器，为电路提供时钟信号，支持整个电路的工作。用555定时器接成的多谐振荡器。多谐振荡器是一种无稳态触发器，接通电源后，不需外加触发信号，就能产生矩形波输出。设计利用多谐振荡器产生振荡脉冲,作为信号发生器使用。接通电源后，不需外加触发信号，就能产生矩形波输出。由脉冲频率公式：f=1/（R1+2R2）Cln2可知.要使555定时器组成的多谐振荡器发出信号的频率为1Hz，则可令R1 =48K,R2=48K ,C1=10uf（实物电路元器件以47K电阻代替48K电阻）。555定时器构成多谐振荡器如图3.2所示。 图3.2 555定时器构成的多谐振荡器3.2.2计时译码显示电路设计1.74LS192的介绍74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图3.3所示：（1）引脚图 （2）逻辑符号图3.3 74LS192引脚图与逻辑符号图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端， 为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。其功能表如下： 表2 74LS192的功能表输入输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01XXXXXXX000000XXdcbadcba011xxxx加计数011xxxxx减计数 2.74LS47的介绍74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，表2列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。其功能表如下： 表3 74LS47功能表LTRBA3A2A1A0BIRBOabcdefg1100001000000101X00011100111111X00101001001021X00111001111131X01001100110041X01011010010051X01101110000061X01111000111171X10001000000081X1001100011009XXXXXX01111111熄灭10000001111111熄灭0XXXXX000000008 (1)LT()：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的当LT()=0时，无论输入A3 ，A2 ，A1 ，A0为何种状态，译码器输出均低平，若驱动的数码管正常，是显示8。 (2)BI()：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI()=1时。不论LT()和输入A3 ，A2 ，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高平，使共阳极7段数码管熄灭。(3)RBI(-)：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当每一位A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0，但是在RBI(-)=0作用下，使码器输出全1。其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。(4)RBO()：灭零输出，它和灭灯输入BI()共用一端，两者配合可以实现多位数码显示的灭零控制。3.七段共阳极数码管 在该电路中七段共阳极数码管用来显示显示译码电路实现的减法计数。七段共阳极数码管由输入的七个信号决定数码管的明灭，从而显示数字。其结构图如图3.3 图3.3七段数码管的结构图其引脚图如下 图3.4 七段数码管引脚图数码管使用条件：（1） 段及小数点上加限流电阻（2） 使用电压：段：据发光颜色决定；小数点：根据发光演的决定（3） 使用电流;j静态：总电流80mA(每段10mA)；动态;平均电流4-5mA 峰值电流100mA数码管使用注意事项：（1） 数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引脚。（2） 焊接温度:260度；焊接时间 5s。（3） 表面有保护膜的产品，可以在使用前撕下来。 4计数译码显示电路由74LS192N计数器和74LS47N译码器组成，用以驱动数码管正常工作，其中可逆计数器是用减法的，并且在时钟电路的控制下让数码管工作，进行倒计时。我们将振荡电路所产生的周期性脉冲信号接入计数器的14引脚从而实现计数器的减法功能，再将计数器与译码器连接起来最终构成部分，再将信号接入数码管，使数码管显示倒计时。计数器和译码器组成的计数与显示电路如图3.4所示。图3.4 计数译码显示电路3.2.3主控制电路及显示电路的设计主控电路有74LS74双D触发器构成，主要通过时钟信号控制发光二极管的发光以及计数器的计数。1.74LS74双D触发器的介绍（1）74LS74双D触发器功能:用于组成计数器，分频器，数码寄存器，移位寄存器，程序控制器。（2）74LS74的引脚图如图3.5：图3.5 74ls74芯片引脚图(3)真值表：表4 74LS74的真值表S*R*CPDQQ*01-10110-0111上11011上001110-QQ*00-禁止禁止2.显示电路（1）发光二极管的介绍发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。由于在交通控制中，红灯控制车辆的停止，路灯控制车辆的前进，因此在该电路中运用两个发红光和两个发绿光的发光二极管。（2）显示电路有两个红色和两个绿色发光二极管组成。3.主控电路和显示电路的电路图如图3.5： 图3.5 主控电路和显示电路的电路 3.3 电路原理图 见附录14 系统仿真4.1仿真原理图如图4.1 图4.1 仿真原理图 4.2仿真结果仿真结果如图4.2 图4.2 仿真结果5. 系统的调试组装-Pcb板图见附录26结论6.1交通指示灯的特点及不足该交通指示电路设计结构简单，基本能通过计时、显示实现对交通前进停止的控制。但该电路功能较，少，不能实现复杂的控制，比如，没有黄灯起缓冲作用，一些车辆来启动太快而有车辆来不及刹车很容易发生事故。要想实现更多的功能，使交通更安全、便捷，需更复杂的设计。6.2收获与体会在这次课设中我受益匪浅。首先是对课设有了基本的的认识，其一般方法与步骤：（1）总体方案的设计与选择（2）单元电路的设计与选择（3）单元电路之间的级联设计（4）画出总体电路草图（）总体电路实验（）绘制正式的电路草图。此外还有一些芯片、元件的功能，如何利用他们组成一些简单的电路以实现一些基本的功能。在大二下学期中，我们学习了数电、模电两门课程，学习了一些芯片元件的基本原理，虽然有了一些认识，但只是纸上谈兵，这次通过自己动手设计，查芯片、元件的功能以及连接，有了更深入的认识。比如对于一些芯片不同的厂家对各引脚会用不同的名字，但功能是相同的。总之，纸上学来终觉浅，绝知此事要躬行，实践出真知。 其次是软件运用方面，在这次课程设计中，一共用到了2个软件，一个是mutisium,主要用来画仿真图并进行仿真以确保你的设计切实可行，第二个是protel99,这个软件是用来画原理图以及进行封装的，为了熟悉这个软件付出了很大的努力。开始什么都看不懂，更不知道怎么应用，不过通过看视频、问同学及其自己艰辛的摸索，终于能够熟练运用它完成了任务。其实不只是软件的运用，还有它的安装，以前安装软件都是傻瓜式的，只要低头按next、最后再按一下fin