交通燈控制器課程設計

1、<p>　　數(shù)字電子技術基礎課程設計</p><p>　　題目： 交通燈控制器</p><p>　　學生姓名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　院 （系）： </p><p>　　專 業(yè)： 信息與計算科學 <

2、;/p><p>　　指導教師： </p><p>　　2010 年 6 月 30日</p><p><b>　　交通燈控制器</b></p><p><b>　　1．設計目的</b></p><p>　?。?）熟悉集成電路的引腳安排。（2）掌握各芯片的邏

3、輯功能及使用方法。（3）了解面包板結構及其接線方法。（4）了解數(shù)字搶答器的組成及工作原理。（5）熟悉數(shù)字搶答器的設計與制作。</p><p><b>　　一.任務和要求：</b></p><p>　　設計一個十字路口交通信號燈控制器，其要求如下：</p><p>　　1.在十字路口的兩個方向上各設一組紅黃綠燈，顯示順序為其中一個方向是綠燈

4、、黃燈、紅燈；另一個方向是紅燈、綠燈、黃燈。</p><p>　　2.設置一組數(shù)碼管，以計時的方式顯示允許通行或禁止通行的時間。其中，綠燈亮的時間是10s，黃燈亮的時間是2s。</p><p><b>　　二.設計思路：</b></p><p>　　在實際情況下，一個十字路有一個主干道和一個支干道。主干道的車流量較大，即要求主干道綠燈亮的時間長

5、，支干道正好相反。</p><p>　　因此，把主干道綠燈亮的時間設置為40s，黃燈亮的時間設為4s，紅燈亮的時間設為10s；支干道綠燈亮的時間設置為20s，黃燈亮的時間設為4s，紅燈亮的時間設為10s。</p><p>　　設A代表主干道，B代表支干道；R代表紅燈亮，Y代表黃燈亮，G代表綠燈亮。且設主、支干道紅、黃、綠燈亮的四種狀態(tài)分別由Q1、Q0的四種數(shù)值組合表示，如下：</p&

6、gt;<p>　　1.Q1Q0為00時，主干道綠燈與支干道紅燈亮，即：AG、BR，時間持續(xù)40s；</p><p>　　2.Q1Q0為01時，主干道黃燈與支干道紅燈亮，即：AY、BR，時間持續(xù)4s；</p><p>　　3.Q1Q0為10時，主干道紅燈與支干道綠燈亮，即：AR、BG，時間持續(xù)20s；</p><p>　　4.Q1Q0為11時，主干道紅燈

7、與支干道黃燈亮，即：AR、BY，時間持續(xù)4s；</p><p>　　四個狀態(tài)以00-01-10-11的順序循環(huán)出現(xiàn)。其工作流程圖如圖2：</p><p><b>　　三.總體方案：</b></p><p>　　在一個有主、支干道的十字路口，主、支干道各設置一組紅、黃、綠三色的交通燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行。在綠燈變?yōu)榧t燈之前，黃

8、燈先亮4秒，以提示未通行的車輛準備停車。由于主干道車輛較多，所以要求主干道處于通行狀態(tài)的時間長一些，設為40秒；而支干道通行時間為20秒。</p><p><b>　　主要功能為：</b></p><p>　　1.實現(xiàn)紅綠燈的交通管制功能；</p><p>　　2.在紅綠燈交換的前4秒，由黃燈提示司機注意，準備停車，且此時綠燈熄滅；</p

9、><p>　　3.可適應主次干道不同的車流量的需要，擬設計主干道的車輛通行時間為40秒，次干道的車輛通行時間為20秒；</p><p>　　4.采用倒計時的方式，提示司機剩余時間。</p><p><b>　　簡單原理如下：</b></p><p>　　由555時鐘信號發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的“秒”脈沖信號，確保整個電路裝置計時工

10、作穩(wěn)定進行。用一片74LS161作為計數(shù)器，將其輸出端通過非門與74LS48相連后，把74LS48輸出端連到數(shù)碼管上，實現(xiàn)倒計時。用另外一片74LS161作為狀態(tài)控制器，控制狀態(tài)變量Q2Q1的變化，即實現(xiàn)變化：00-01-10-11，從而使計數(shù)器實現(xiàn)模10、模2、模5的轉化。六個燈與由狀態(tài)控制器控制的74LS74的輸出端通過門電路直接相連。</p><p>　　總體方案原理圖如圖3：</p><

11、;p>　　在此電路中，555時鐘信號發(fā)生器產(chǎn)生一個以秒為單位的CP脈沖，計數(shù)器74LS161接受CP脈沖，實現(xiàn)同步計時。通過非門連接計數(shù)器輸出端與譯碼驅動電路，在數(shù)碼管上顯示倒計時。將計數(shù)器的進位輸出RCO取反用以控制其自身循環(huán)置數(shù)，且此進位輸出RCO同時是紅綠燈控制器74LS74與狀態(tài)控制器74LS161的脈沖信號，由此，狀態(tài)從00變至01，歷時40s；從01至10，歷時4s；從10至11，歷時20s；再從11變至00，歷時4s

12、，依次循環(huán)。狀態(tài)不同，計數(shù)器置數(shù)和紅綠燈如何顯示不同；計數(shù)器置數(shù)不同，則模值不同，狀態(tài)改變時間也不同。</p><p>　　當用于計數(shù)的74LS161芯片輸入為0110時實現(xiàn)模10的計數(shù)器；當輸入為1110時實現(xiàn)模2的計數(shù)器；當輸入為1011時實現(xiàn)模5的計數(shù)器。通過這種模式，實現(xiàn)計數(shù)器與狀態(tài)控制器相互控制。</p><p>　　然后狀態(tài)控制電路74LS161控制計時電路74LS161的輸入

13、端。當狀態(tài)控制電路的輸出Q1、Q0為00時實現(xiàn)模10的計數(shù)器，此時主干道的綠燈和支干道的紅燈亮；為01時實現(xiàn)模2計數(shù)器，此時主干道的黃燈和支干道的紅燈亮；為10時實現(xiàn)模5的計數(shù)器，此時主干道的紅燈和支干道的綠燈亮；為11時實現(xiàn)模2的計數(shù)器，此時主干道的紅燈和次干道的黃燈亮；然后Q1、Q0再回到00狀態(tài)，這樣就實現(xiàn)了交通燈的循環(huán)且實現(xiàn)了主支干道通車時間不同的功能。</p><p><b>　　四.單元電路

14、設計</b></p><p>　　4.1 秒脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　將555芯片按一定的線路接上不同的電阻和電容就可產(chǎn)生周期不同的脈沖信號，即不同的頻率的脈沖。</p><p>　　本次課程設計需要以秒為單位的脈沖信號，因此利用參數(shù)為4.7u和0.1u的2個電容，與參數(shù)為4.7k和150k的2個電阻按圖4構成電路。</p><

15、;p>　　脈沖周期T=0.7×(4.7k+2×150k) ×4.7u，約等于1s。</p><p>　　使用主要器件：555芯片一片、參數(shù)為4.7u和0.1u的電容、參數(shù)為4.7k和150k的電阻。</p><p><b>　　4.2 計時電路</b></p><p>　　4.2.1 計數(shù)器電路</p&

16、gt;<p>　　利用系統(tǒng)的狀態(tài)量Q1,Q0控制計數(shù)74LS161的置數(shù)端D0，D1，D2，D3。當系統(tǒng)狀態(tài)處在AGBR時，進制是十（模10），有效狀態(tài)為0110，0111，1000，……1111，因此，置D3，D2，D1，D0為0110；當系統(tǒng)處在ARBG時，進制是五（模5），有效狀態(tài)為1011，1100，1101，1110，1111，置D3，D2，D1，D0為1011；當系統(tǒng)處在AYBR或ARBY時，進制是二（模2），

17、有效狀態(tài)為1110，1111，置D3，D2，D1，D0為1110，由此有：</p><p><b>　　表1</b></p><p>　　所以：D3=Q1+Q0</p><p><b>　　D2=Q0+Q1’</b></p><p><b>　　D1=1</b></p&g

18、t;<p><b>　　D0=Q1*Q0’</b></p><p>　　注：符號“’”代表邏輯非。</p><p>　　按照上述函數(shù)表達式將代表狀態(tài)的信號連接至計數(shù)器置數(shù)端D3、D2、D1、D0上，通過狀態(tài)變量控制置數(shù)。并將計數(shù)器高位進位RCO通過非門連至其同步置數(shù)端LOAD上，即：當此次計數(shù)至1111時，再接受一個脈沖信號，RCO由0變?yōu)?，同時，LO

19、AD由1變?yōu)?，在脈沖到來時開始下一次置數(shù)。</p><p>　　另外，由于剛接通電路時，RCO沒有進位信號，導致LOAD的值不確定，如若不加處理，將會存在數(shù)個亂碼信號，此時，可以在LOAD上加一根接地的導線作為計數(shù)開關。這樣，當CLK端接受脈沖信號時，計數(shù)器置0110，數(shù)碼管上顯示9，拔掉導線后，計數(shù)開始，電路正常工作。</p><p>　　使用主要器件：74LS161、74LS04。&

20、lt;/p><p>　　4.2.2 倒計時電路</p><p>　　當每一狀態(tài)發(fā)生變化時，置入的數(shù)據(jù)將同時改變，通過非門連接，將計數(shù)器輸出信號加至七段數(shù)碼管譯碼驅動器74LS48上，然后把74LS48的輸出接到數(shù)碼管上，在數(shù)碼管上顯示倒計的秒數(shù)，具體顯示如表2：</p><p><b>　　表2</b></p><p>　　

21、使用主要器件：74LS48、74LS04、數(shù)碼管、限流保護電阻。</p><p><b>　　電路圖如圖5：</b></p><p><b>　　4.3狀態(tài)控制電路</b></p><p>　　將控制狀態(tài)的74LS161的所有置數(shù)端接地，即置零，把計數(shù)器的高位進位作為狀態(tài)控制器的脈沖信號，當每次計數(shù)器計到1111后，計數(shù)器

22、的RCO將由0變?yōu)?，產(chǎn)生一個上升沿。由于要通過此片74LS161實現(xiàn)狀態(tài)變化：00-01-10-11，因此再將其輸出Q1與Q0通過與非門連至本芯片同步置數(shù)端LOAD上。</p><p>　　之后，再用門電路，依據(jù)D3、D2、D1、D0的函數(shù)表達式，把狀態(tài)控制器的輸出Q1、Q0與計數(shù)器的置數(shù)端相連接，實現(xiàn)狀態(tài)控制器與計數(shù)器相互控制。</p><p>　　使用主要器件：74LS161、74L

23、S00、74LS04、74LS08。</p><p><b>　　電路圖如圖6：</b></p><p>　　4.4 紅綠燈控制電路</p><p>　　紅綠燈顯示所代表的狀態(tài)，同樣與狀態(tài)控制電路的狀態(tài)一一對應，即主控電路的輸出Q1和Q0決定了主干道和支干道的紅綠燈的亮滅情況。如燈亮用“1”表示，燈滅用“0”表示，則有表3：</p>

24、<p><b>　　表3</b></p><p>　　所以：AR=Q0’*Q1’ AY=Q0*Q1’ AG=Q1</p><p>　　BR=Q1*Q0’ BY=Q1*Q0 BG=Q1’</p><p>　　在此單元電路中，可以用某些門電路來實現(xiàn)，但由于門電路不穩(wěn)定，容易出錯，且相比于使用門電路，采用中規(guī)模集成

25、器件的接線較簡便，因此，我使用了雙上升沿D觸發(fā)器74LS74作為燈控電路的核心。</p><p>　　同時用計數(shù)器的高位進位RCO做74LS74的脈沖信號，其狀態(tài)改變原理同狀態(tài)控制器。</p><p>　　使用主要器件：74LS74、74LS08、LED、限流保護電阻。</p><p><b>　　具體接線如圖7：</b></p>

26、<p><b>　　五.總體電路圖</b></p><p>　　六.單元電路輸出波形圖</p><p><b>　　七.實驗儀器設備</b></p><p>　　1.集成器件：555芯片一片；74LS161兩片；74LS48一片；74LS74一片；74LS00一片；74LS04兩片；74LS08兩片；</

27、p><p>　　2.電容：4.7u一個；0.1u一個；</p><p>　　3.電阻：4.7k一個；150k一個；100四個；</p><p>　　4.其他：數(shù)碼管一個；發(fā)光二極管六個；導線若干；面包板一塊；萬用表等。</p><p>　　八.調(diào)試中遇到的問題</p><p>　　1.在連接555脈沖產(chǎn)生電路時，沒注意到面

28、包板的線路是否連通，結果接完測試時，將二極管接到脈沖輸出端，發(fā)現(xiàn)其一直處于亮的狀態(tài)。檢查電路連線和面包板后，發(fā)現(xiàn)是面包板有一處不連通，重新布線后問題解決。經(jīng)此，在連接后面的電路時，我每完成一個單元電路后，都要用萬用表測試一下該單元電路的連通性和正確性，以避免同樣的錯誤再次發(fā)生。</p><p>　　2．由于布線不合理，在完成555電路和計數(shù)電路連接后，電路板上的導線已經(jīng)有些零亂，導致后面的電路不好連接，線路也不好

29、檢查，于是我不得不將已有電路拆除、重連。鑒于此，我先將所需芯片全部安在面包板上，給電路總體布好局后，再一個一個模塊的連接。雖然重新連電路費了不少時間，但是經(jīng)過這次總體規(guī)劃，電路布局得到簡化，使使用的芯片更少，結構簡單，檢查電路也更加方便。</p><p>　　3.由于是在一小塊面包板上完成一個集成電路，所以電路的連線比較繁瑣，雖然查線時，沒有發(fā)現(xiàn)什么問題，但當接通電源后，數(shù)碼管并未按照理論顯示倒計的時間，而是幾個

30、數(shù)字無序出現(xiàn)。多次檢查后，發(fā)現(xiàn)是電路板上個別芯片管腳與電路板接觸不良，因此，在往后接線前，要特別注意芯片的管腳，檢查芯片是否插緊，導線是否松弛等。</p><p><b>　　九.分析與總結</b></p><p>　　兩周實習，鍛煉了我的電路設計能力和動手的能力，也使我通過親身實踐掌握了一些中規(guī)模集成器件的使用技巧與方法，而不僅限于書本上的理論知識，讓我受益非淺。&

31、lt;/p><p>　　實習就是將理論付之于實踐的過程，如何能更好地用自己的知識來實現(xiàn)實驗的要求的功能，這不僅要看我們所學的知識是否扎實，更重要的是要有能把書本知識運用在實際電路中的能力。即便一個人理論知識非常充分，然而卻缺乏動手能力，那也不過是紙上談兵，沒有多大的意義。本次數(shù)字電路課程設計就是很好的例子。</p><p>　　同時，做實驗時一定要細心、耐心，要有堅持的毅力。對于現(xiàn)在缺乏實踐經(jīng)

32、驗的我們來說，這是一個艱苦的過程。因為剛開始接觸，可能對某些芯片及其用法不甚了解，于是，要在電路設計的環(huán)節(jié)，花費時間很多時間。但是如果自己通過翻閱資料，或者請教老師同學，努力了也堅持了下來，那么所掌握的，就不僅僅是課本上的簡單理論，而是豐富的實踐經(jīng)驗，這些經(jīng)驗對于以后的工作或學習將有很大的幫助。</p><p>　　對于本次實驗，接線時，事先布局好就會達到事半功倍的效果。實驗中最好能做一個模塊然后檢查一個模塊，這

33、樣以后出錯的機會就很小了，而且也很容易排查錯誤。遇到問題要思考解決，不能只是一味的拆和插電路，這樣不但解決不了問題，還會耽誤時間和進度。當然在實驗中遇到的問題也很多，這些大部分是因為自己掌握的知識還不夠牢固，動手實踐的次數(shù)不夠。好在通過請教老師和同學后一一地解決了。在這兩周的學習過程中，我收獲了很多。以后我們要面臨的挑戰(zhàn)會更多，要解決的問題也會更多，我相信只要我們腳踏實地，認真對待，總會有辦法解決。</p><p&g

34、t;　　這次實驗讓我們又一次鞏固并復習我們所學的數(shù)字電路邏輯設計這一門課程的知識，也為以后更深入的學習做了一個好的開端，是一次提升自我的實驗。因為它不僅是一次鍛煉動手能力的實踐，也是鍛煉我們思維能力和意志力的實踐，我們從書上學到的是死知識，但通過實習，活躍了我們的思維，也給了我們一個發(fā)揮自己創(chuàng)新能力的機會，書本和實踐相結合，就是最終的作品。既是動手實踐就會遇到各種問題，也會面對重重困難，不畏艱難，知難而進就是我們解決問題的方法。因此，今