数字电路课程设计报告-交通控制器的设计(原理展示-阉割版)

课程设计报告交通控制器的设计 西北工业大学课 程 设 计 报 告题 目: 交通控制器的设计学 院: 班 级: 学生（学号）: 学生（姓名）: 日期: 2012 年 7 月 摘 要本文通过对实际交通控制的分析，结合所学数字电路的理论知识，综合采用了逻辑电路、时钟电路、控制电路、计时电路、模拟电路等五大模块，在实验条件的允许下，初步实现了对交通控制器的设计和模拟。设计中，在时钟电路产生的1Hz脉冲信号的控制下，逻辑电路产生红灯和绿灯信号用以控制红绿灯，以表示是否有火车的到来；同时在控制电路产生的15秒高电平脉冲的控制下，倒计时电路当红灯或者绿灯亮时进行15秒倒计时，同步鸣响警铃，以通知行人是否可以穿过交叉路口；最后在CP脉冲的控制下，模拟电路采用8个灯来模拟栅栏的放下或收起，当红灯亮时，触发74LS194，逐个点亮8个灯，模拟栅栏的放下，以限行；当绿灯亮时，同样触发74LS194，以相反方向逐个熄灭，模拟栅栏的收起，以放行。此设计思想，全部实现了所要求的设计指标，在现有实验条件和知识水平下，不失为一种好的设计理念。关键词： 交通控制、 逻辑电路、 控制计时、 模拟电路目 录一、课程设计目的3二、设计任务与要求3三、方案设计与论证4四、单元电路设计与参数计算6五、电路的安装与调试8六、遇到问题的解决方法9七、结论与心得10八、参考文献10交通控制器的设计一、 课程设计目的l 巩固和加深所学电子技术课程的基本知识，提高综合运用所学知识的能力以及独立思考和创新能力l 培养学生根据课题需要选择所需参考书、查阅手册、图表和文献资料的能力，提高学生独立解决工程实际问题的能力l 通过设计方案的分析比较、设计计算、元件选择及电路安装调试等环节，初步掌握简单实用电路的工程设计方法l 提高学生的动手能力，掌握常用仪器设备的正确使用方法，学会对简单实用电路的实验调试和对整机指标的调试方法l 了解与课题有关的电路以及元器件的工程技术规范，能按课程设计任务书的要求编写设计说明书，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图等二、 设计任务与要求u 设计任务设计一个铁路和公路交叉路口的交通控制器。1 A、B是两个栏杆，P1、P2处设置两个压敏传感器，用于检测是否有火车通过路口。（P1、P2相距较远，一列火车不会同时压在两个压敏元件上）；2当有火车通过交叉路口时，栏杆放下，禁止车辆和行人通行；3当火车通过交叉路口后，栏杆抬起，路口放行；u 设计要求1当火车由东向西或由西向东通过P1P2段，且当火车的任何部分位于P1P2之间时，栏杆A、B应同时放下，否则A、B同时抬起。2路口设置红、绿两种颜色交通指示灯。在栏杆A、B放下时，路口的红色交通灯亮，绿色交通灯灭,模拟栏杆放下；当栏杆A、B抬起时，路口的绿色交通灯亮，红色交通灯灭，模拟栏杆抬起。3在栏杆A、B刚抬起或刚放下时，鸣响警铃，要求铃声持续15秒;同时用数码显示器显示倒计时时间。三、 方案设计与论证设计要求用两个压敏元件信号控制两种颜色的交通灯和15秒倒计时，同时还用鸣响警铃以通知行人是否可行以及何时可行，最后要用若干灯泡来模拟栏杆的收放以限行或者放行。所以，基于设计要求的系统电路至少应包含以下电路模块，逻辑电路部分、控制电路部分、倒计时显示部分、模拟栏杆部分。具体设计方案很论证如下所示：(一) 电路工作原理 1. 输入信号X1、X2由压敏元件发出：当火车压到压敏元件时，X1（或X2）=1，否则X1（或X2）= 0。2. 输出信号Z控制栏杆A、B及交通等的动作： Z =1时，A、B抬起，红灯亮，绿灯灭； Z =0时，A、B放下，红灯灭，绿灯亮。CP：控制电路的时钟信号，由555定时器产生，5V，1Hz。(二) 各部分功能分配图： 逻辑电路通过逻辑门电路控制信号灯变红或者绿，通知行人是否有火车通过。 时钟电路产生1HZ时钟信号，控制其他各部分电路的工作 控制电路产生15秒的高电平脉冲信号，控制计时电路倒计时15秒 模拟电路用于用八个灯的亮或者灭模拟栅栏的放下或者收起，受时钟电路和逻辑电路的控制(三) 时序控制电路波形图：四、单元电路设计与参数计算l 1HZ信号发生器由555构成多谐振荡器产生1HZ的脉冲 由555构成的多谐振荡器，其输出方波脉冲的周期为T=0.7（R1+2R2）C 取C=10uF，在T=1S时，计算可得：R1+2R2=143K,考虑到占空比的影响，取R1=43K,R2=51K，此时输出近似为1HZ的方波l 时序控制电路画状态表和状态图，画卡诺图并化简，列写现态次态表达式，得出触发器的D1，D2及输出Z的表达式。具体步骤如下： l 15秒倒计时显示电路由两个74192及两个译码器及七段显示器构成，具体方法和电路图如下：由于七段显示器要求为BCD码，故74192应按BCD计数。74192高位片置1，低位片置5，两片级联，低位片的down端接555单稳态触发器产生的15秒高电平输出端，从而实现15秒倒计时。l 15秒蜂鸣器报警电路由一个74LS123(实际电路)和一个555构成，实现方法和电路图如下：74LS123为不可重复触发的单稳态触发器，在红灯或者绿灯信号的控制下，调整电阻和电容，使其输出信号低电平为15秒，即会触发产生15秒的低电平信号，输出至555单稳态触发器，调整555的相关电阻和电容值即可触发产生15秒的高电平信号，该信号接至蜂鸣器即可使蜂鸣器产生15秒的鸣响。五、电路的安装与调试 静态调试：在本次课程设计中，由于电路过于复杂，故将电路分成了若干个不同的模块，通过模块化设计和模块化安装调试，能够减少出错的概率，节省了设计和调试周期，在工程实践中具有重要的意义。首先连接逻辑电路，通过卡诺图化简得出D1、D2和红灯信号Z的逻辑表达式，按照逻辑表达式通过各逻辑门实现，开关J1、J2电平的高低代表X1、X2的高低，总共为4种状态。同时连接时钟电路，调节555定时器的两个电阻使其输出为1HZ的方波然后为倒计时电路，通过两片74LS192加/减计数器实现倒计时，此时并不是倒计时15秒，因为控制电路并没有产生15秒的高电平脉冲接着是控制电路，精心调整74LS123和第二片555定时器使其输出15秒高电平脉冲，同时接至倒计时电路。最后用八个灯来模拟栅栏，当开关有一个为高时八个灯自左向右逐个点亮，同时已亮的灯保持；当开关为低时，八个灯自右向左逐个熄灭。 动态调试：将各模块连成一个系统，统一进行动态调试，同时用示波器分别观测74LS123的3引脚和第二片555的3引脚的输出波形是否分别是15秒低电平脉冲和15秒高电平脉冲，还需观察倒计时是否为15秒若出现了倒至00以后由99继续倒计时的情况应当调整555单稳态触发器的电阻，一般在1.3M左右，精调74LS123和555的电阻使倒计时为15秒，满足各设计指标为止。六、遇到问题的解决方法u 数码管在倒计时15完成后由100开始接着倒计时而不是返回15保持分析及解决：此问题为第二片555定时器无法产生标准的15秒高电平脉冲引起的，可以调整555定时器的电阻解决。由于实际电路和仿真模拟电路存在差别，按理论算得电阻应为1.5M，但实际电阻为1.3M左右即满足要求，故可以用电位器微调电阻，同时观测输出端信号，使其为15秒高电平脉冲信号。u 第一片555定时器无法产生1HZ的方波分析及解决：此问题是由电阻R1和R2配置不当引起的。由方波周期公式T=0.7(R1+2R2)C可得，在取C=10uF的情况下，R1+2R2约为143K，考虑到占空比要接近50%，故取R1=43K,R2=51K，输出为近似1HZ方波，近似满足要求。u 74LS123产生非标准的15秒低电平脉冲 分析及解决：74LS123为单稳态触发器，无法利用仪器去测量芯片是否烧坏，故产生非标准的15秒低电平脉冲的原因可能有两个，一、芯片烧坏，需要及时检查并更换芯片，在试验中可用手触摸芯片，若过热一般均已烧坏；二、一边观察74LS123的输出波形，一边调节2.2M的电阻，因为理论计算和实际电路有误差，故需要在实际的基础上调整其至适当值，一般偏离2.2M不会太大。u 第二片555定时器无法产生15秒的高电平脉冲 分析及解决：若74LS123产生了15秒的低电平脉冲信号，而555定时器无法产生15秒的高电平脉冲，可能的原因为电阻阻值调整不当，将1.5M电阻微调至1.3M左右即可产生15秒的高电平脉冲。u 用八个灯模拟栅栏放下和抬起时无法做到逐个点亮，并且逆序逐个熄灭 分析及解决：因为一片74LS194只能控制四个灯逐个点亮或者逐个熄灭，用四个灯模拟较为简单，容易实现。为了增加可观赏性，用八个灯进行模拟时需要用两片74LS194，第一片控制前四个灯，第二片控制后四个灯，但为了做到熄灭时，逐个熄灭，逻辑电路比较复杂，需要增加前四个灯和后四个灯之间的通讯信号（即前四个灯是否已经全亮信号和后四个灯是否已经全灭信号），使前后制约，做到逐个熄灭。七、结论与心得总的来说，此次课程设计是对以往所学知识的全面的检验和提高。通过课程设计，培养了自己独立思考的能力和创新能力。由于学校实验室设备的局限性，在一定程度上又培养了纠错能力，使知识融会贯通，对数字电路的理解又上升到一个更高的层次，增强了学习兴趣。此次课程设计使我熟练掌握了仿真软件的使用，同时在实际搭建电路中遇到的诸多问题也使我认识到实际电路和仿真模拟电路存在的差异，培养了工程的思维，初步学会了以一个工程人的角度去考虑问题，而不再是拘泥于理论计算结果。管中窥豹，可见一斑，从此次课程设计中还可以看出工程设计的一般步骤，对一个实际性的问题要提出若干个不同的方案，同时要对不同的方案进行可行性分析，找出最优方案，而不再是像考试那样只要提出一种方法即可，培养了我们举一反三的能力。另一方面，此次课程设计是对以往知识的一次提升性总结同时又是后续毕业设计的一次小规模预演，希望以后能够有更多的机会接触到类似的课程设计，因为它确实能够增强对知识的理解，增强学生的学习兴趣。八、参考文献1 张文荣.模拟电子技术课程教学新探J. 河北能源职业技术学院学报.2004,4(3).（小五号，宋体）2 余道衡，徐承和. 电子电路手册M. 北京：北京大学出版社，19963 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2001.414-417.4 彭介华。电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，1997.3-45.5 阎石，数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，1998.348-352.6 卢结成，陈力生，田红民等.电子电路实验及应用课题设计M.合肥：中国科学技术大学出版社，2002.20-23.附件：总原理图及元器件清单1 总原理图Multisim11.0仿真图(翻转90度)2元件清单 元件序号型 号主要参数数量备注R1RE