交通信号灯课设

1、 塔里木大学信息工程学院课程设计目 录1工程概述11.1课程设计目的11.2设计内容及要求11.3材料清单22电路设计32.1交通信号灯流程原理02.2交通信号灯的仿真图42.3脉冲信号的设计42.474LS00芯片的介绍和运用72.574LS08芯片的介绍和运用82.674LS20的介绍和运用92.774LS90芯片的介绍和运用112.874LS48芯片和数码管的使用122.9发光二极管的介绍132.10运用Multisim软件模拟电路143运用数字电路集成箱模拟电路154电路连接184.1使用说明194.2系统常见故障分析204.3电路测试结果21总 结.24致谢.25参考文献.26交通信

2、号灯控制器的设计摘 要:本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用与实际生活中。学习了一个学期的数字电子技术课程，这次的课程设计主要综合了解与运用所学的知识，通过这次课程设计来检查这一学期的学习状况。通过制作来了解交通灯控制系统，了解译码器、计数器、寄存器芯片的作用。交通灯控制系统主要是实现城市交叉路口红绿灯的控制。在现代化的大城市中，十字交叉路口越来越多，在每一个交叉路口都需要有一个准确的时间间隔和转换顺序，这就需要一个安全、自动的系统对红、黄、绿的转化进行管理。本次的设计就是基于此目的进行的。关键词：控制器

3、；计数器；译码器1 工程概述1.1 课程设计目的 1) 综合运用现代电子技术课程中所学到的知识去完成一个课程设计。2) 通过查阅手册和文献资料，培养学生分析和解决实际问题的能力。3) 进一步熟悉常用电子器件，并掌握合理选用芯片。4) 学习用模拟电路软件Multisim和Ewb。5) 学会电路的安装与调试技能。6) 进一步熟悉电子仪器的使用方法、7) 学会撰写课程设计总结报告。8) 培养严肃的工作作风和严谨科学态度。1.2 设计内容及要求1) 首先，用Multisim和Ewb做出仿真电路图并运行成功。其次，用数字电路集成箱测试芯片并进一步熟悉模拟数字电路。最后，运用74系列芯片、555定时器、数

4、字显示器、发光二极管、电阻、电容、导线等器材合理组合，并实现模拟效果。2) 所使用芯片必须符合课设要求，以达到模拟交通信号灯的效果主干道绿灯亮20秒，支干道绿灯亮20秒。主干道红灯亮20秒，支干道红灯亮20秒。黄灯都为亮5秒。按照此规则次序亮灭，从而模拟交通信号灯的效果。1.3 材料清单表1材料清单型号数量（个）中文名称及功能HD74LS00P5二输入与非门HD74LS20P2四输入与非门HD74LS08P2与门HD74LS90P3十进制计数器DCD HEX2数字显示器555-VIRTUAL time1555定时器电阻22保护电路电容2隔断直流发光二极管6仿真红黄绿灯电路板2焊接电路载体导线若

5、干连接电路芯片底座15安装芯片2 电路设计电路设计思路流程运用Multisim软件进行模拟仿真实验查阅资料熟悉交通信号灯原理电路焊接运用数字电路集成箱进一步模拟并进行芯片测试检测电路并进行故障分析总结2.1 交通信号灯流程原理图1交通信号灯原理图2.2 交通信号灯的仿真图图2 交通信号灯的仿真图2.3 脉冲信号的设计555 VIRTUAL time【用途】调节电流输入大小，实现输出频率的调节【性能及参数】计时精确度高、温度稳定度佳；电源电压5V【真值表】如表1所示表2 555芯片的真值表【引脚图】如图所示图3 555芯片的引脚图555定时器芯片工作原理,功能及应用555定时器是一种数字电路与模

6、拟电路相结合的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。555定时器 555定时器产品有TTL型和CMOS型两类。TTL型产品型号的最后三位都是555，CMOS型产品的最后四位都是7555，它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。 555定时器的电路。它由三个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。图4 555定时器原理图 分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。如5端悬空，则比较器C1的参考电压为，加在同相端；C2的参考电压为

7、，加在反相端。 是复位输入端。当=0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。正常工作时，=1。 u11和u12分别为6端和2端的输入电压。当u11>，u12> 时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，即=0，=1，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。 当u11<，u12< 时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，=1，=0，基本RS触发器被置1，晶体管T截止，输出端u0为高电平。 当u11<，u12> 时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。 综上所述，可得555定时器功能。555 芯片的充放电实现的秒信号脉

8、冲555芯片的充电是从VCC进入，进过2个电阻R1，R2。进入了电容，对电容进行充电，在通过脚7 V0接地对电容进行放电，这样通过电容的充放电，来实现秒信号的实现。图5 555芯片的仿真图（1）555定时器引脚排列及功能表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。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16VCMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路2脚：低触发端6脚：TH高触发端输出为“0”，该端不用时应接高电平

9、。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。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。2.4 74LS00芯片的介绍和运用HD74LS00P的介绍：【用途】与非门电路【性能参数】双列14脚封装，四2输入与非门、电源电压4.75-5.25V【真值表】表3 74LS00芯片的真值表【引脚图】图6 74LS00的引脚图HD74LS00P的运用：图7 74LS00的仿真图HD74LS00P的运用：74LS00芯片是与非门逻辑电路的芯片，我们运用了74LS00对交通信号灯的亮灭进行了控制，

10、通过4个2输入的与非门，对于下方接受进收来的信号进行与非，从而对交通信号灯进行控制。把Y信号同时接进脚A和B，由Y输出，可以得到Y非，可以用74LS00达到非门的效果。2.5 74LS08芯片的介绍和运用HD74LS08P是介绍：【用途】与门电路【性能参数】双列14脚封装、四重2输入与门【引脚图】图8 74LS08的引脚图【真值表】 表4 74LS08的真值表HD74LS08P的运用图9 74LS48的仿真图74LS08芯片是与非门逻辑电路的芯片，我们运用了74LS08对交通信号灯同时的亮灭进行了控制，通过4个2输入的与门，对于下方接受进收来的信号进行与，使用一个数码管对主干道和支干道同时进行

11、控制，利用与门的原理，使信号灯进行转换，从而对交通信号灯进行控制。2.6 74LS20的介绍和运用HD74LS20P的介绍【用途】与非门电路【性能参数】双4输入与非门、电源电压5V【引脚图】图10 74LS20的引脚图【真值表】 表5 74LS20的真值表HD74LS20P的运用： 图11 74LS20的仿真图74LS20是2个四输入与非门的芯片，对74LS90芯片提供的信号，实行四输入的与非，从而达到控制，输入输出的切换和保持，是信号输出的中转站。2.7 74LS90芯片的介绍和运用HD74LS90P的介绍：【用途】十进制计数器【性能参数】低功耗2-5-10进制计数器、电源电压5V【引脚图】

12、图12 74LS90的引脚图【真值表】表6 74LS90的真值表HD74LS90P的运用： 图13 74LS90的仿真图 74LS90是这个交通信号灯电路最核心的芯片之一，74LS90是10进制的计数器，由2个JK出发器所构成，74LS90芯片在交通信号灯中，进行信号的转变和输出，通过剩余的芯片对信号灯进行控制。交通信号灯一共使用了3个74LS90芯片，第一个芯片，是对上面74LS00进行信号的提供和进行3进制计数器，实现信号的转换。后面2个74LS90芯片是对数码管进行控制，对秒信号进行接受和输出，对秒信号进行输出。2.8 74LS48芯片和数码管的使用图14 74LS48和数码管的引脚图图

13、15 74LS48和数码管的仿真图74LS48和数码管的使用： 74LS48是对74LS90芯片提供的信号进行转换，把4个信号改变成8信号的芯片。数码管就是接受了74LS48所输出的信号，进行输出，实现数字的显示。2.9 发光二极管的介绍【发光二极管】50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，发光二极管它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然图16 发光二极管的实物图后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。3 发光二极管的

14、核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。4 小结：通过此环节进一步熟悉电路和芯片，并且可以测试电路和检测芯片、数码管、发光二极管灯相关器件的性能。2.10 运用Mul

15、tisim软件模拟电路1) 软件介绍Multisim本是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，被美国NI公司收购后，更名为NI Multisim ，而V10.0是其（即NI，National Instruments）最新推出的Multisim最新版本。目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim 4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。Multisim、Ul

16、tiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分相互独立，可以分别使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分有增强专业版（Power Professional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。 NI Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。NI Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟

17、仿真软件。 NI Multisim 10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。 NI Multisim 10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。 NI Multisim 10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的

18、噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。 NI Multisim 10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。 NI Multisim 10有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更要的是包含有元器件

19、的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。另外，NI Multisim10还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。 利用NI Multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地。3 运用数

20、字电路集成箱模拟电路用数字电路集成箱按Mulisim仿真图把主控制器、计数器、信号灯译码器、数子显示译码器和秒脉冲信号发生器连接好然后按以下步骤进行调试：1) 秒脉冲信号发生器的调试，按照数字电子钟的方法逐级调试振荡电路和分频电路，使输出设计符合设计要求。2) 将秒脉冲信号送入主控制器的CP端，观察主控制器的状态是否是按00、01、10、11、00的规律变化。3) 将秒脉冲信号送入计数器的CP端，接入主控制器的状态信号X0、X1，并把主控制器的状态信号送入主控制器的CP端，观察计说器是否按30秒、5秒、20秒、5秒、30秒循环计数。4) 把主控制器的状态转换信号X1、X0接至信号灯的译码电路，

21、观察6个发光二极管是否按设计要求发光。5) 整机联调，使交通信号灯控制电路正常工作6) 实验箱使用说明图17 电子集成箱1.直流电源接线区：3组独立直流电压接线柱： +5V、GND、+15V、GND、15V、GND。用于将外部直流电压引入到实验箱，外部直流电压通过电源保护二极管到达各个单元电路及面板中多个红色+5V电压输出插孔，因此红色+5V电压输出插孔中的电压通常比外部直流电压低0.3V左右。 此外，实验箱带有短路报警和过压报警功能。当电源开关处于“关”状态时，红色+5V电压输出插孔仍有低电压输出（短路报警电路的需要），如果接线过程中导致+5V和GND出现短路，则开始声、光报警，当电源开关处

22、于“开”状态时，短路报警失效；当电源开关处于“开”状态时，如果外部直流电压超过6.5V，则开始声、光报警。 2.数码管数字显示：2个七段数码管，引脚全部引出，可采用共阴极或共阳极数码管；另有2个BCD码输入七段数码管（安装了显示译码器CD4511）。为了更换方便，均采用了IC插座。 3.TTL逻辑电平显示：对输出电平的高、低进行显示。输出电平为高时，红色发光二极管亮；输出电平为低时，绿色发光二极管亮。4.TTL逻辑电平输出：提供12组TTL逻辑电平输出，采用拨码开关控制，拨上输出为高电平，拨下输出为低电平。 5.单次脉冲、简单连续脉冲输出：脉冲输出均为TTL逻辑电平。单次脉冲分为正、负两种单脉

23、冲输出，采用白色按钮控制，发光二极管指示；简单连续脉冲分别为2Hz、8Hz、128Hz和1024Hz ，发光二极管指示。 6.集成电路插座：采用标准紧锁插座，28脚1个、20脚1个、16脚6个、14脚2个，可插8到28脚的各种IC。各IC插座的所有引脚（包括电源和地引脚）全部引出，各IC插座旁均有+5V、GND插座为集成电路供电。 7.精密多圈可调电位器4个：分别为1K、10K、47K、100K，采取三个插孔输出。 8.直流供电的四相步进电机、蜂鸣器、扬声器及驱动电路、直流继电器及驱动路。 9.元件库：提供了很多不同值的电阻和电容、1个32768 Hz晶振、2个二极管和1个555 定时器。 1

24、0.逻辑笔功能：红色：高电平、绿色：低电平、橙色：高阻。 11.扩展区：采用165×55 进口面包板1块，可拆卸和更换，主要用于安装其它电路。 12.接插件：普通弹性插孔，配有高性能的插孔连接线；此外，在面包板旁配有与面包板接线兼容的黑色插座，同时黑色插座和部分弹性插孔已直接连接好，解决了电路面板上弹性插孔至面包板的连接问题。7) 实验箱使用注意事项n 调节好直流稳压电源的输出电压为5.3V（通过电源保护二极管后约为5V）后接入到实验箱电源接线柱。 n 连接电路时，电源开关置于“关”状态，切忌在实验中带电连接电路和插拔集成电路。n 连线插入时要垂直，切忌太用力，拔出时用手捏住连线靠近

25、插孔的一端插头，左右旋转几下后拔出，切忌直接用力向上拉线，这样很容易造成连线和插孔的损坏。n 实验中不要随意乱动开关、芯片及其它元器件，以免造成实验箱的损坏。元件库中的二极管和数码管一定要注意极性。n 如果在实验过程中由于操作不当或其它原因而出现异常现象如：电路报警、数码管显示不稳、芯片发烫、直流稳压电源输出电压降低或为零等，应立即断电并报告老师，切忌无视此类现象，继续实验，以免造成严重后果。4 电路连接在电路板上按数字集成箱把主控制器、计数器、信号灯译码器、数子显示译码器和秒脉冲信号发生器焊接好然后按以下步骤进行调试1) 装配电路板电子产品的电气连接，是通过对元器件、零部件的装配与焊接来实现

26、的。 安装与连接是按照设计要求制造电子产品的主要操作环节。应该说，和电子工程技术的其它内容比较起来，安装与连接的技术并不复杂，因此往往不受重视。 但是，产品的装配过程是否合理，焊接质量是否可靠。对整机性能的影响是很大的，也许你听说过，一些精密复杂的仪器因为一个焊点的虚焊，一个螺钉的松动而不能正常工作，甚至由于搬运，振动使某个部件脱落造成整机报废，所以，掌握正确的安装工艺与连接技术，对于电子产品的设计与研制、使用和维修都具有重要的意义。 2) 双列直插式集成电路的安装根据集成电路不同的封装方式。安装也有不同的方法和要求。在集成电路中。以塑料双列直插式（DIP）和塑料功率电路（

27、TO-220）两种应用较为常见。DIP器件一般采用专用插座进行安装，装配和焊接的规范程度，主要取决于印制板设计，制造的精度，因此比较容易掌握。当然，这种集成电路也能直接插焊在印刷电路板上，直接插焊法虽然牺牲了可更换性，但却增加了可靠性并降低了成本，采用插座虽然方便。但要花费购买插座的钱，并且接触的可靠性较差。3) 元器件的装插元件在印刷电路板的固定，可分为卧式和立式两种。为使元件在印刷电路板上装配排列整齐并便于焊接。在安装前通常采用手工和专用机械把元器件引线弯曲成一定的形状，按照板上元件孔位的尺寸要求，使弯曲成型的引线能方便的插入焊孔内。为了避免损坏元件，必须注意：1.引线弯曲的最小半径不得小

28、于引线直径的2倍，不能打死弯。 2.引线弯曲处距元器件本体至少在2MM以上，绝对不能从引线的根部开始弯折，装配时，应该先安装那些需要机械固定的元件。如功率器件的散热器、支架、夹子等，然后再安装靠焊接固定的元件。 各种元件的安装，应该使它们的标记（用色码或字符标住的数值、精度等）朝上或朝着易于辨认的方向，并且注意标记的读数方向一致（从左到右或从上到下）；卧式安装的元件，尽量使两端引线的长度相对对称，把元件放在两孔中央，排列要整齐。有极性的元件，装插时要注意方向正确。4) 焊接焊接是制造电子产品的重要环节。如果没有相应的工艺质量保证，任何一个设计精良的电子装置都难以达到设计指标。在科研开发、设计研

29、制、技术革新的过程中，不可能也没有必要采用自动设备，所以经常需要进行手工装焊。本设计选用功率为30W的电烙铁。功率过低焊接所需时间较长且容易发生虚焊，功率过高焊接不好控制。焊接开始先将主要的元件焊接好，如芯片底座、放大管等，再将电阻电容等元件固定好再进行焊接。 5) 焊锡必须具备的条件 1.焊件必须有良好的可焊性 ； 2.焊件表面必须保持清洁； 3.要使用合适的助焊剂；4.焊件加热到适当的温度。4.1 使用说明1）注意事项 1本产品使用直流电源为5V电压，切记不要使用其它量程来驱动。2不要在高温、高湿、易燃、易爆和强电磁场环境中存放或使用本器件。 3请勿随意改变器件内部以及外部接线，以免损坏器

30、件。 2）基本功能 1红灯表示禁止通行，绿灯表示允许通行，黄灯亮表示未通过的车辆禁止通行；2主干道、支干道交替通行，每次通行时间为40秒；3每次绿灯变红灯时，黄灯先亮 5 秒（此时另一干道上的红灯不变）； 4十字路口有数字显示，以方便人们直观把握时间。时间显示以秒为单位作减记数； 5黄灯亮时，另一干道红灯按 1Hz 的频率闪烁。4.2 系统常见故障分析了解一些常见的故障对于正确快速地调试系统是很有必要的。对这些故障的处理是对一个系统设计者的综合考验，它不但要求对硬件电路容易出现的故障有很好的了解，而且对整个系统的设计更要有一个深刻的认识。下面按错误类型来简单分析一下系统常见的一些故障，这节其实

31、也是对前面的一些分析的总结。1） 工艺错误焊接中出现的错误有虚焊、漏焊、错焊等等，同时焊接技术对系统是否能够调试成功有较大的影响，如在高速系统中，焊点有毛刺从而带来系统分布电容过大，将会对系统的性能有较大的影响。2） 不加电在设计系统时设计了一个电源信号指示灯，若电源信号指示灯不亮，那么说明系统的电源工作有问题。 3） 元器件错误这类错中主要包括器件错焊、错插以及元器件已损坏等现象。在调试一个模块的时候，我们要时刻注意元器件的情况，以避免元器件损坏。当我们发现模块中的某一个模块的某个元器件过热的时候，我们就应对这个元器件进行测试，是否损坏。4） 设计的错误这类错误主要在设计的阶段发现，在系统设

32、计时，应该对设计方案精益求精，对设计原理进行反复推敲，以发现系统的设计错误。当然这类错误也可能在调试过程中才发现，若发现实际值跟理论值出现较大出入而又找不到其他的原因，这个时候就应该对系统原理再进行分析。5） 输出的电平不稳定这种错误也是常见的，有些对读取的数据电平有一定的要求，当不符合时就不能读取，而且不易给发现，用电表很难判断，这时往往需要加些门电路上去。4.3 电路测试结果最后结果显示主干道绿灯亮20秒，支干道绿灯亮20秒。主干道红灯亮20秒，支干道红灯亮20秒。黄灯都为亮5秒，结果正确，试验成功。图18实物图正面图19 实物图反面总 结通过这次对交通信号灯控制电路设计与制作，让我们了解

33、了设计电路的程序，也让我了解了关于交通信号灯控制电路的原理与设计理念。在此次的交通信号灯控制电路设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。在连接交通信号灯控制电路接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。通过这次对数字电子钟的设计作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于交通信号灯控制电路原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。通过设计这次交通信号灯控制电路，让我们对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手操作才会有深刻理会，才会有收获。对我们计算机科学与技术专业的本科生来说，实际能力的培养至关