电子课程设计报告

电子技术课电子技术课 程程 设设 计计 题目题目 交通灯信号设计 姓 名 蒋斯琪 学 号 150154034 院 系 信息与机电工程学院 班 级 电气及其自动化 2 班 2 2 数字电路课程设计报告 设计课题题目 交通灯设计课题题目 交通灯 专业 电气及其自动化 班级 15 级 2 班 成员学号 150154034 小组成员 蒋斯琪 指导教师 设计时间 2017 6 19 2017 6 26 3 3 一 设计目的一 设计目的 随着生活水平的提高 家庭汽车拥有量越来越多 城市交通堵塞问题越来越严重 解决城市的交通拥挤问题越来越紧迫 交通灯在这个交通环境中起着一个重要的角色 是交通管理部门管理交通的重要工具 十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全 运行 智能的交通灯能有效地缓解城市的交通压力 减少交通事故 为人民节省大量出 行时间 创造出更多的社会价值 本文运用数字电路理论知识自行设计一个较为完整 的小型数字系统 通过系统设计 Multisim 软件仿真 电路安排与调试 在此次设计中 学会初步掌握工程设计的具体步骤和方法 提高分析问题和解决问题的能力 以及提高 实际应用水平 二 设计要求二 设计要求 1 掌握交通灯控制电路的设计 组装与调试方法 2 熟悉数字集成电路的设计和使用方法 能够运用所学知识设计一定规模的电路 设计任务 1 用红 绿 黄三色发光二极管作信号灯 2 当主干道允许通行亮绿灯时 支干道亮红灯 而支干道允许亮绿灯时 主干道亮红灯 3 主支干道交替允许通行 主干道每次放行 30s 支干道 20s 设计 30s 和 20s 计时显示电 路 4 在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间 要亮 5s 的黄灯作为过渡 以使行驶中的车辆 有时间停到禁止线以外 设置 5s 计时显示电路 三 方案设计与论证三 方案设计与论证 根据设计要求 允许通行时亮绿灯 主支干道交替允许通行 主干道每次放行 30s 支 干道 20s 在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间 要亮 5s 的黄灯作为过渡 即 主干道绿灯亮 30 秒后 黄灯亮 5 秒 在这 35 秒内 支干道的红灯一直亮着 之后 支干道绿灯亮 20 秒后 黄灯亮 5 秒 在这 25 秒内 主干道的红灯一直亮着 并依次循环 如图 3 1 主主干干道道通通行行30秒秒 主主干干道道绿绿灯灯亮亮 支支干干道道通通行行 20s 支支干干道道绿绿灯灯亮亮 支支干干道道停停止止通通行行35 秒秒 支支干干道道红红灯灯亮亮 5s 的的黄黄灯灯作作为为过过渡渡 文文本本 停停止止通通行行 红红灯灯 亮亮25秒秒 5s 的的黄黄灯灯作作为为过过渡渡 文文本本 图 3 1 4 4 交通灯控制电路设计主要由控制器 定时器 译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成 秒脉冲发生器是此系统中定时器和控制器的标准时钟信号源 译码器输出两组信号灯的 控制信号 经驱动电路后驱动信号灯工作 控制器是系统的主要部分 由它控制定时器和译 码器的工作 秒脉冲发生器 定时器 控制器译码器 主干道信号灯 支干道信号灯 TL TV ST 图 3 2 TL 表示主干道或支干道绿灯亮的时间间隔 即车辆正常通行的时间间隔 定时时间到 TL 1 否则 TL 0 TY 表示黄灯亮的时间间隔为 5 秒 定时时间到 TY 1 否则 TY 0 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 个工作状态的定时 四 设计原理和电路图四 设计原理和电路图 4 14 1 基本元器件的选择基本元器件的选择 1 信号源 1 个 时钟脉冲源 每隔 1 秒进行倒计时 T 1 f 选择频率为 1Hz 的脉冲源 如图 5 5 图 4 1 2 芯片 74LS190 2 片 74LS163 1 片 74LS138 1 片 如图 图 4 2 74LS190 芯片引脚图 图 4 3 74LS163 芯片引脚图 图 4 4 74LS138 芯片引脚图 3 逻辑门 74LS02D 或非门 2 个 74LS08D 与门 7 个 74LS32D 或门 2 个 74LS04D 非门 5 个 74LS20D 四输入与非门 1 个 6 6 4 倒计时显示器 四引脚共阴极数码管 2 个 如图 图 4 5 四引脚共阴极数码 5 交通灯 TRAFFIC LIGHT SINGLE 2 个 如图 图 4 6 交通灯 TRAFFIC LIGHT SINGLE 4 24 2 电路组成电路组成 1 控制器 由 74LS163 芯片以及其他的逻辑门构成 74LS163 芯片与 74LS190 芯片连接采集脉冲信 号 进行加计数 并输出逻辑电平信号 控制 3 8 译码器 从而控制红绿灯的亮灭 74lLS163 工作原理 74lLS163 是单时钟同步十六进制计数器 有置零和置数功能 时钟作用在上升沿 因为 是同步计数器 当译出置数信号时必须等到时钟信号上升沿到来时才能置数 但上升沿到来 时计数器又向高一位计数了 假设用 74LS163 芯片构成一个八进制计数器 在 0111 7 时译出置数信号与进位信号 C 将置数信号输出端接至置数端 当上升沿到来时计数器本身被置 8 但只有极短的存在时 间 计数器马上被置数 进位信号变为 0 只要将置数输入端 D1 到 D4 全部接地 就能将计 数器置为 0000 7 7 图 4 7 74LS163 芯片真值表 图 4 8 74LS163 芯片功能表 2 定时器 由 2 片 74LS190 芯片级联及一个四输入与非门构成 74LS190 工作原理 可逆计数器 74LS190 可以实现加法或减法的计数 通过设定加 减控制信号 U D 1 可进行减法计数 由于芯片本身就带有异步的置数端 LOAD 且为低电平有效 当置入控制端 为低电平时 不管时钟 CP 的状态如何 输出端 Q0 Q3 即可预置成与数据输入端 D0 D3 相一致的状态 74LS190 的计数是同步的 靠 CP 加在 4 个触发器上而实现 当计数控制端 CT 为低电平时 在 CP 上升沿作用下 Q0 Q3 同时变化 从而消除了异步计数器中出现的计数 尖峰 当计数方式控制 U D 为低电平时进行加计数 当计数方式控制 U D 为高电平 时进行减计数 只有在 CP 为高电平时 CT 和 U D 才可以跳变 由于 25 秒的倒计时需要用两片的 74LS190 芯片才能实现 利用 RC 端 可级联成三 十进制同步计数器 当采用并行 CP 控制时 则将 RC 接到后一级 CT 当采用并行 CT 控制 时 则将 RC 接到后一级 CP 个位芯片的串行时钟输出端 CO 是低电平有效的 当状态为 0 时 输出为 CO 0 下一个状态变为 9 时 输出为 CO 1 所以有一个上升沿的产生 这正可 以作为十位芯片的时钟信号 从而采用串行借位方式来实现倒计时 8 8 图 4 9 74LS190 功能表 3 译码器 74LS138 译码器的主要任务是将控制器的输出的 4 种工作状态 翻译成 2 个干道上的 6 个信号灯的工作状态 3 8 译码器工作原理 译码器可以将输入代码的状态 翻译成相应的输出信号 以高低电平的形式在各自的输 出端口送出 译码器有多个输入端和多个输出端 假如输入端的个数为 n 输出端的个数最 多有 2n 从图 5 可以看出 3 8 译码器有三个输入端 A0 A1 A2 和八个输出端 Y0 Y7 当输入端 的编码为 000 时 译码器输出为 Y0 0 Y1 Y7 1 即 Y0 对应于 A0 A1 A2 的 000 状态低电 平有效 图中 S1 S2 S3 为使能控制端 起到控制译码器是否能进行编码的作用 只有 S1 为高电平 S1 S3 为低电平时 才能进行译码 否则不论输入何值 每个输出均为 1 图 4 10 74LS138 芯片功能表 4 显示器 由两个共阴极四引脚的数码管组成 9 9 图 4 11 五 软件仿真与调试 5 15 1 仿真电路设计仿真电路设计 5 25 2 干道通行状态表干道通行状态表 下面用主 支干道车辆通行情况进行描述 1 主干道绿灯亮 支干道红灯亮 表示主干道上的车辆允许通行 支干道禁止通行 绿灯亮足规定的时间隔 30 时 控制器发出状态信号 转到下一工作状态 2 主干道黄灯亮 支干道红灯亮 表示主干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 支干道禁止通行 黄灯亮足规定时间间隔 5 时 控制器发出状态转 换信号 转到下一工作状态 3 主干道红灯亮 支干道绿灯亮 表示主干道禁止通行 支干道上的车辆允许通行 绿灯亮足规定的时间间隔 20 时 控制器发出状态转换信号 转到下一工作状态 4 主干道红灯亮 支干道黄灯亮 表示主干道禁止通行 支干道上位过县停车线的 10 10 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 5 时 控制器发出状态转换信号 5 系统又转换到第 1 种工作状态 依次循环 5 35 3 运行结果分析运行结果分析 如图所示 74LS163 芯片通过四输入与非门与 74LS190 芯片连接采集脉冲信号 进行加 计数 并输出逻辑电平信号 由 3 8 译码器 Y0 Y1 Y2 Y3 端输出 经过非门 并和 CP 脉 冲一起连接到其他逻辑门从而控制绿 黄 红灯 因为 74LS163 芯片置数端 LD 与 3 8 译码 器的 Y3 输出端相连 所以 74LS163 计数输出 000 001 010 011 四个状态后便重新置零 循环输出 以控制红绿灯的循环亮灭 结果分析 a 74LS163 芯片输出逻辑电平信号 000 3 8 译码器输出端 Y0 0 其他输出端为 1 Y0 输出信号经过非门后变为 1 之后和上升沿脉冲 1 连接到一个与门 输出信号为 1 交通灯 U13 红灯亮 与此同时 Y1 输出信号 1 交通灯 U12 绿灯亮 B 30 秒之后 74LS163 芯片输出逻辑电平信号 001 3 8 译码器输出端 Y1 0 其他输出 端为 1 Y0 输出信号经过非门变为 1 再通过与门与 1HZ 脉冲信号相连接输出至 U12 此时交通灯 U12 黄灯亮 U13 依旧红灯亮 c 黄灯亮后 5 秒 74LS163 芯片输出逻辑电平信号 010 3 8 译码器输出端 Y1 0 其他 输出端为 1 Y1 输出信号经过非门变为 1 交通灯 U13 绿灯亮 之后 红绿黄灯循环亮 灭 输入输出 CP 脉冲74LS1633 8 译码器信号灯状态车辆通行状态 000Y0 0主绿 支红主干道通行 支干道禁止通行 001Y1 0主黄 支红主干道缓行 支干道禁止通行 010Y2 0主红 支绿主干道禁止通行 支干道通行 011Y3 0主红 支黄主干道禁止通行 支干道缓行 11 11 六 设计总结 通过本次课程设计 加强了我动手 思考 解决问题的能力 完成一次课程设计 也是 加深一次对课本知识的理解和巩固 平时课间学习时间不能很好的理解各个元件的各个功能 只是纸上谈兵 但在这次课程设计中 我重新了解了很多元件 并且对其的使用有了更多的 认识 让我对电子技术认知能力有了一个新的提升 七 参考文献 1 张建华 数字电子技术 M 北京 机械工业出版社 2000 2 郭锁利 基于 Multisim9 的电子系统设计仿真与综合应用 M 北京 人民邮电出版社 2008 3 姚福安 电子电路设计与实践 M 济南 山东科技大学出