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沈陽航空航天大學 課 程 設 計 （說明書） 課?程?設?計?任?務?書 ? 課?程?名?稱????電子線路課程設計???? 課程設計題目????簡易交通燈控制電路的設計???? 課程設計的內容及要求： 一、設計說明與技術指標 1．東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時間25s。 2．東西方向與南北方向黃燈亮，時間5s。 3．南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時間15s。 4．如果發(fā)生緊急事件，可以手動控制四個方向紅燈全亮，禁止該道路的車輛通行，特殊情況過后能恢復正常。 二、設計要求 1．在選擇器件時，應考慮成本。 2．根據技術指標，通過分析計算確定電路和元器件參數。 3．畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）。 三、實驗要求 1．根據技術指標制定實驗方案；驗證所設計的電路，用multisim軟件仿真。 2．進行實驗數據處理和分析。 四、推薦參考資料 1.童詩白，華成英主編．模擬電子技術基礎．[M]北京：高等教育出版社，2006年 2.閻石，數字電子技術（第五版）．[M]北京：高等教育出版社，2005.?????????? 3.陳孝彬,《555集成電路實用電路集》.高等教育出版社2002-8.???????? 4.王剛 《TTL集成電路應用》.機械工業(yè)出版社 2000-10. 五、按照要求撰寫課程設計報告 成績評定表： 序號 評定項目 評分成績 1 設計方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性（15分） 2 設計結果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結果）（15分） 3 態(tài)度認真，遵守紀律（15分） 4 設計報告的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于5篇）（25分） 5 答辯（30分） 總分 最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定） 指導教師簽字： 年 月 日 一、 概述 簡易交通燈電路是脈沖數字電路的簡單應用，設計了交通信號燈不同方向在不同的時間倒計時內，亮不同的的信號燈的功能，同時應用了七段數碼管來顯示時間。此交通燈可以在實現東西、南北方向紅黃綠燈的顏色轉換,接下來就是按照4個階段循環(huán)發(fā)光，并且如果發(fā)生緊急事件看，可以手動控制四個方向紅燈全亮，禁止該道路的車輛通行，特殊情況過后才能恢復正常。這在當今社會交通中具有廣泛的應用價值，有效的減少交通擁堵和交通事故。 本電路主要有四個模塊構成：555脈沖發(fā)生器、5倍分頻器、倒計數器、主控制電路和手動控制電路。整個電路是有秒脈沖提供脈沖，有計數器進行計數功能向譯碼顯示電路顯示倒計時，而且也控制三種燈泡的發(fā)光。 二、方案論證 2.1設計思路 根據設計要求，十字路口車輛運行情況只有4種可能：1）設開始時東西方向綠燈通行，南北紅燈不通行，持續(xù)時間為25s。2）25s后，東西方向綠燈變黃燈，南北方向紅燈保持不變，持續(xù)時間為5s。3）5s后，東西方向黃燈變紅燈禁止通行，南北方向紅燈變綠燈通行，持續(xù)時間為15s。4）15s后，東西方向紅燈不變禁止通行，南北方向綠燈變黃燈，5s后又回到第一種情況，如此循環(huán)反復。因此，要求主控制電路也有4種狀態(tài)。其控制原理框圖如圖1所示。 `5倍分頻器 555觸發(fā)器 主控制電路 倒計數器 數碼顯示管 手動控制 圖1 簡易交通燈電路的原理框圖 方案一: 用555構成的多諧振蕩器產生秒脈沖，分別給兩個不同的電路循環(huán)提供刺激脈沖信號，然后用分別對東西干道和南北干道建立電路循環(huán)圈。 原理是當前一計數器倒計時結束時，產生進位脈沖來控制后一計數器開始工作，而此計數器自身停止工作。以此進行循環(huán)，就可以實現不同時刻電路的顯示 。 方案二: 用555構成的多諧振蕩器產生秒脈沖，根據簡單移位寄存器只有四個狀態(tài)，與此時的正好完全相同，因此用移位寄存器構成系統(tǒng)的主控模塊，驅動信號燈的顯示和計數器的預置數，同時在東西干道和南北干道上各只需要一個計數器。根據不同時刻移位寄存器給計數器進行預置數，可以顯示不同的倒計時。 方案三用555構成的多諧振蕩器產生秒脈沖，分別設計25位計數器，兩個5位計數器，15位計數器。作用是實現對四個不同進制計數器的芯片選擇，而其余四個計數器作為數碼管的顯示控制計數器，分別顯示不同時刻的計數。 方案三雖然電路復雜，但邏輯關系清晰，單路一但啟動可自動循環(huán)，不需要任何開關控制但是在后一計數器開始計數的時候并不能保證前一計數器停止工作。因此我們選擇方案三來完成設計。 三、電路設計 3.1 555脈沖發(fā)生器電路 由集成邏輯門與RC組成的時鐘源振蕩器或由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器作為時間標準信號源，其單脈沖電路如圖2所示。 圖2 555脈沖發(fā)生器 本實驗選取多諧振蕩器來產生秒脈沖。多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時毋須外加發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩）。用555實現多諧振需要外接電阻R1，R2和電容C，并外接+5V的直流電源。只需在+VCC端接上+5V的電源，就能在4腳產生周期性的方波。用555組成的脈沖產生電路:R1= R2=470*100Ω C=10 nF 3.2 倒計時電路數字顯示電路 十字路口車輛運行情況只有4種可能，實現這4個狀態(tài)的電路，可用兩個觸發(fā)器構成，也可用一個二-十進制計數器構成。所以我用二-十進制計數器74LS192實現。如圖3所示. 兩個數碼管是有兩個74LS192共同控制的，然后有74LS48實現對數碼管的顯示編碼。剛開始的時候是對數碼管的高電位一個初始值，對低電位為0.當高電位初始值減數到0且開始借位時，對低電位一個初始值，此時高電位初始值為0. 74LS192是同步十進制可逆計數器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數等功能，利用74LS192進行25s、5s、15s的計數倒計時。數碼管顯示電路：主要是有數碼管和兩個74LS48轉碼芯片實現顯示數字的.如圖4所示。 圖3 倒計數器電路及引腳圖 設計要求將各個倒計時時間用數碼管顯示出來。數碼管有兩種，七段數碼管和集成七段數碼管。七段數碼管顯示的有七個輸入端，分別對應數碼管發(fā)光的七段而集成七段顯示數碼管是將7447集成到數碼管內部。輸入端只有四個，分別于計數器的四個輸出端相對應，所以實驗中采用集成七段顯示數碼管。 圖4 數碼顯示電路 3.3 分頻器電路設計 分頻的方法可以用74LS194、74LS160、74LS161等很多集成原件組成實現，為了減少元件類型我選用74LS161做分頻器。74LS161是同步四位二進制計數器，它有異步清零、同步預置數等功能。74LS161是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器.這里的4位2進制計數器的4位Qd，Qc，Qb，Qa是按二進制方式計數的。計數的數值為0到9，a到f。74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器，可設計電路，因為能預置數，所以能組成16進制內的任意分頻。 當74LS161清零端CR=“0”，計數器輸 出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當 CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數據輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數功能。而只有當CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET,因此一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器,所以我選用74LS161作為實驗需要的分頻器. 因為燈亮的最小時間為黃燈5秒，而時鐘信號為1秒，所以選擇74LS161作為5分頻器, 燈亮的轉換由主控制器控制，由于一個周期為50秒，且經分頻后的脈沖為5秒一個脈沖，所以主控制器控要有十進制,這樣就能實現電路的分頻作用。 3.4主控制電路 主控制器控制著電路中的燈亮與對應的時間，在不同的時間段內，東西、南北方向分別指示不同的顏色的燈光，通過增加手動控制電路實現緊急情況的發(fā)生及恢復.根據設計要求可以得知，每一次轉換的周期為50s，最小的周期為5s，因此采用74LS161的四位二進制加法功能實現控制器，分別控制4個狀態(tài)的轉換。同時如果發(fā)生緊急情況可以手動控制，讓四個方向全部變?yōu)榧t燈，禁止通行，如圖5所示。 圖5 主控制及譯碼顯示電路圖 秒脈沖信號通過74LS161同步四位二進制計數器，傳遞到下一芯片，在74LS139處延遲輸出，控制東西，南北方向燈光的變化，74LS139芯片可以延遲信號的傳遞，在某個信號輸出后，延遲下一信號的輸出，同時根據實驗要求，在如果發(fā)生緊急事件，可以手動控制四個方向紅燈全亮，禁止該道路的車輛通行，特殊情況過后才能恢復正常。所以在74LS139的輸入端接入2個74LS04非門和2個74LS08與門實現手動狀態(tài)下，四個方向的紅燈全亮的結果，然后斷開開關，可以正常通行。 四、性能測試 4.1東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時間25s. 4.2東西方向綠燈變黃燈，南北方向紅燈不變，時間5s. 4.3南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時間15s. 4.4南北方向綠燈變黃燈，東西方向紅燈不變，時間5s。 五、結論 通過此次簡易交通控制信號燈的分析和設計，我深深感到學好數字電子電路的重要性。通過兩周不斷的查資料讓我積累了許多實際操作經驗，已初步掌握了數電的應用技術，以及數字電路的知識和有關器件的應用，我深刻體會到了數子電路技術對當今現代社會的重要作用。 這一次設計對我來說，感觸最深的就是要想做好一個設計課題首先要對每一部分所涉及的知識點掌握好，在課程設計的過程中，我想了很多種方案，對同一個問題(像計數器的接法)都想了很多種不同的接法，運用不同的芯片進行了比較。而且通過這次設計，我覺得自己處理問題上也有了一些經驗，自己設計和仿真思維有了很大的提升。這樣才能對設計做的得心應手。 在實際連接電路的過程中，發(fā)現不是自己簡單的認為的那樣，需要一個板塊一個板塊的去連接，如果跨度比較大的話，會發(fā)現中間部分的電路無法連接如電路當中，所以就會出現線路排版會非常繁瑣，以至于導致連接后無法顯示現象的問題。并且在連接電路的過程中，會用到每個芯片的管腳圖，所以我每個芯片都查出來了，并且把管教編號也寫上了，但是因為缺少主要芯片，所以導致我的硬件部分沒能完成，多少感到很遺憾。 在整個設計的過程中我學到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學問要一絲不茍，對于出現的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅持下去就可以找到思路去解決問題的。我認識到自己所學的知識和技能還遠遠不足，有些實際性的問題還不能夠解決，缺少很多有實際運用價值的知識儲備，缺乏應有的動手解決實際問題的能力，缺乏些高效利用及篩選大量資料的能力，缺乏資源共享及應有的團隊合作精神，有待進一步提高，我應當學好自己的專業(yè)知識以適應不斷的完善自我，在學習中一步一個腳印的踏實進步。 參考文獻 [1]閻石.數字電子技術(第五版). [M]北京高等教育出版社,2005年. [2]童詩白,華成英主編.模擬電子技術基礎.[M]北京.高等教育出版社，2006年. [3]康光華.電子技術基礎數字部分(第五版).[M].北京.高等教育出版社，2005年. [4]陳孝彬.《555集成電路實用電路集》.高等教育出版社.2002-8. [5]王剛.《TTL集成電路應用》.機械工業(yè)出版社,2000-10. [6]余孟嘗.數字電子技術基礎簡明教程(第三版).高等教育出版社, 2006. [7] Dr. David Jackson. The selection of electronic components and testing. Beijing mechanical industry publishing house.2003. [8]丁志杰.數字電路,分析與設計.北京理工大學出版社,2007. [9]黃繼昌.數字集成電路應用300例.北京人民郵電出版社,2007. [10]趙柯.脈沖與數字電路實驗指導書.南昌航空大學出版社,2012. 附錄I 總電路圖 附錄II 元器件清單 序號 編號 名稱 型號 數量 1 C1、C2 電容 10nf 2 2 R1、R2 電阻 110Ω 2 3 R3、R7 電阻 10kΩ 2 4 R4、R5 電阻 47kΩ 2 5 U1、U2 74LS 74LS192N 2 6 U3、U4 74LS 74LS48N 2 7 U5、U6 數碼管 共陰數碼顯示管 2 8 U8、U10 74LS 74LS08N 6 9 U9 74LS 74LS04N 5 10 U11 74LS 74LS32N 1 11 U12 74LS 74LS00N 2 12 U13 74LS 74LS139N 1 13 LED LED發(fā)光二極管 綠、黃、紅 12(各4) 14 A1 脈沖發(fā)生器 555觸發(fā)器 1 10