数电课程设计红绿交通灯的设计.docx

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数电课程设计红绿交通灯的设计

西安邮电学院

数字电路课程设计报告书

——交通灯控制器

学院名称

：

电子工程学院

学生姓名

：

XXX（XX号）

专业名称

：

电子信息工程

班级

：

电子XXXX

实习时间

：

2010年12月6日——2010年12月17日

红绿灯交通信号系统

一、红绿灯交通信号系统功能概述

红绿灯交通信号系统为模拟实际的十字路口交通信号灯。

外部硬件电路包括：

两组红黄绿灯（配合十字路口的双向指挥控制）、一组手动与自动控制开关（针对交通警察指挥交通控制使用）、倒计时显示器（显示允许通行或禁止通行时间）。

二、红绿灯交通信号系统

红绿灯交通信号系统外观示意图如图1所示。

图1十字路口交通灯模拟图

三、任务和要求

1．在十字路口的两个方向上各设一组红黄绿灯，显示顺序为其中一方向是绿灯、黄灯、红灯；另一方向是红灯、绿灯、黄灯。

2．设置一组数码管，以倒计时的方式显示允许通行或禁止通行时间，其中一个方向上绿灯亮的时间是20s，另一个方向上绿灯亮的时间是30s，黄灯亮的的时间都是5s。

3．选做：

当任何一个方向出现特殊情况，按下手动开关，其中一个方向常通行，倒计时停止。

当特殊情况结束后，按下自动控制开关，恢复正常状态。

4．选做：

用两组数码管，实现双向倒计时显示。

4、设计思路

在实际情况下，一个十字路有一个主干道和一个支干道。

主干道的车流量较大，即要求主干道绿灯亮的时间长，支干道正好相反。

设A代表主干道，B代表支干道；R代表红灯亮，Y代表黄灯亮，G代表绿灯亮。

且设主、支干道红、黄、绿灯亮的四种状态分别由Q1、Q0的四种数值组合表示，时间设置如下（1代表灯亮，0代表灯灭）:

组合状态

主干道（A）

支干道（B）

亮灯

时间

Q1

Q2

AR

AY

AG

BR

BY

BG

0

0

0

0

1

1

0

0

30s

0

1

0

1

0

1

0

0

5s

1

0

1

0

0

0

0

1

20s

1

1

1

0

0

0

1

0

5s

四个状态以00-01-10-11的顺序循环出现。

其工作流程图如图2：

5、总体方案

简单原理如下：

由555时钟信号发生电路产生稳定的“秒”脉冲信号，确保整个电路装置计时工作稳定进行。

用两片74LS161作为计数器，将其输出端通过非门与74LS48相连后，把74LS48输出端连到数码管上，实现倒计时；用另外一片74LS161作为状态控制器，控制状态变量Q2Q1的变化，即实现变化：

00-01-10-11；用计数器的RCO进位端作为状态控制器的脉冲；利用状态控制器对计数器实现至数操作，从而实现模30，模20，模5的转换；六个灯与由状态控制器控制的74LS74的输出端通过门电路直接相连。

总体方案原理图如下图：

计数器

时钟信号

数字显示器

主控制器

在此电路中，555时钟信号发生器产生一个以秒为单位的CP脉冲，计数器74LS161接受CP脉冲，实现同步计时。

通过非门连接计数器输出端与译码驱动电路，在数码管上显示倒计时。

将计数器的进位输出RCO取反用以控制其自身循环置数，对计数器的两片74LS161的输出RCO通过与门来作为红绿灯状态控制器74LS161的脉冲信号，由此，状态从00变至01，历时30s；从01至10，历时5s；从10至11，历时20s；再从11变至00，历时5s，依次循环。

状态不同，计数器置数和红绿灯如何显示不同；计数器置数不同，则模值不同，状态改变时间也不同。

计数器的置数状态如下：

当用于计数的高位片74LS161芯片输入为1101，低位片74LS161芯片输入为0110时实现模30的计数器；当用于计数的高位片74LS161芯片输入为1111，低位片74LS161芯片输入为1011时实现模5的计数器；当用于计数的高位片74LS161芯片输入为1110，低位片74LS161芯片输入为0110时实现模20的计数器。

通过这种模式，实现计数器与状态控制器相互控制。

然后状态控制电路74LS74控制计时电路74LS161的输入端。

当状态控制电路的输出Q1、Q0为00时实现模30的计数器，此时主干道的绿灯和支干道的红灯亮；为01时实现模5计数器，此时主干道的黄灯和支干道的红灯亮；为10时实现模20的计数器，此时主干道的红灯和支干道的绿灯亮；为11时实现模5的计数器，此时主干道的红灯和次干道的黄灯亮；然后Q1、Q0再回到00状态，这样就实现了交通灯的循环且实现了主支干道通车时间不同的功能。

6、单元电路的设计

6.1秒脉冲产生电路

将555芯片按一定的线路接上不同的电阻和电容就可产生周期不同的脉冲信号，即不同的频率的脉冲。

本次课程设计需要以秒为单位的脉冲信号，因此利用参数为4.7u和0.1u的2个电容，与参数为4.7k和150k的2个电阻按图4构成电路。

脉冲周期T=0.7×（4.7k+2×150k）×4.7u，约等于1s。

使用主要器件：

555芯片一片、参数为4.7u和0.1u的电容、参数为4.7k和150k的电阻。

电路如下图：

6.2计时电路

利用系统的状态量Q1,Q0控制计数74LS161的置数端D0，D1，D2，D3。

计数器的置数状态如下：

控制器状态

高位片

低位片

模值

Q1

Q0

D3

D2

D1

D0

D3

D2

D1

D0

0

0

1

1

0

1

0

1

1

0

30

0

1

1

1

1

1

1

0

1

1

5

1

0

1

1

1

0

0

1

1

0

20

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

5

所以：

高位片：

D3=D2=1；D1=Q1+Q0；D0=Q1（非）+Q0

低位片：

D3=D0=Q0；D2=D3（非）；D1=0

对于每片74LS161芯片，将计数器高位进位RCO通过非门连至其同步置数端LOAD上，即：

当此次计数至1111时，再接受一个脉冲信号，RCO由0变为1，同时，LOAD由1变为0，在脉冲到来时开始下一次置数。

另外，由于刚接通电路时，RCO没有进位信号，导致LOAD的值不确定，如若不加处理，将会存在数个乱码信号，此时，可以在LOAD上加一根接地的导线作为计数开关。

这样，当CLK端接受脉冲信号时，计数器清0置数，拔掉导线后，计数开始，电路正常工作。

当每一状态发生变化时，置入的数据将同时改变，通过非门连接，将计数器输出信号加至七段数码管译码驱动器74LS48上，然后把74LS48的输出接到数码管上，在数码管上显示倒计的秒数，具体显示如下：

Q1Q0

主干道

支干道

00

绿灯29-0

红灯（30秒）

01

黄灯5-0

红灯（5秒）

10

红灯19-0

绿灯（20秒）

11

红灯5-0

黄灯（5秒）

使用主要器件：

74LS161、74LS48、74LS04、数码管、限流保护电阻。

电路如下图：

6.3状态控制电路

用一片74LS74离得两个D触发器来控制状态改变。

其中，脉冲信号CP1和CP2均来自计时状态两片74LS161的高位进位（RCO）通过与门后的结果。

Q1与Q0经过异或运算后与D1相连，Q0（非）与D0相连。

之后，将输出Q1和Q2分别各通过一个D触发器以便实现延时一秒的功能。

最后，再依据各状态的函数表达式，将延时后的Q1和Q0通过一系列门电路与两片计数器（74LS161）的置数端连接起来，实现置数功能。

使用主要器件：

74LS74、74LS00、74LS04、74LS08。

电路图如下：

6.4红绿灯控制电路

红绿灯显示所代表的状态，同样与状态控制电路的状态一一对应，即主控电路的输出Q1和Q0决定了主干道和支干道的红绿灯的亮灭情况。

将通过D触发器得到的延迟一秒的Q1和Q0作为74LS139的输入，对74LS139的输出进行门电路操作，从而控制LED的红绿变化。

LED显示状态如下:

74LS139

主干道

支干道

输入

输出

Q1

Q0

D3

D2

D1

D0

AR

AY

AG

BR

BY

BG

0

0

1

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

1

1

1

0

1

0

1

0

1

0

0

1

0

1

0

1

1

1

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

所以：

主干道：

AG=D0（非）；AY=D1（非）；AR=D1或D0

支干道：

BG=D2（非）；BY=D3（非）；BR=D3或D2

电路图如下：

7、总体电路图

.参考文献

1．高书莉《数字系统设计—数字电路课程设计指南》北京邮电学院出版社

2．毕满清《电子技术实验与课程设计》机械工业出版社

3．陈汝全《电子技术常用器件应用手册》机械工业出版社

4．高海生《最新电子元气件应用手册》科学技术出版社

5．王毓银《数字电路逻辑设计》高等教育出版社

八.调试过程中遇到的问题及解决方法

1.开始的两天老师叫我们自己设计电路，我无从下手，不知道怎么设计。

过了两天老师发实验器材，第一天时钟信号产生电路刚一连接好就正常工作了，但毕竟这只是开始，且电路简单，到后面连的器件多了，线路也复杂了，如果出了问题到底是芯片、线路还是板子自身的问题就说不清楚了，所以第二天我就将整块面包板的电源线和地线分别接通，接上电源，然后用万用表检查板子之间是否全部导通，结果显示面包板正常。

2.主控电路工作不正常，首先检查芯片供电是否正常，其次检查是否有脉冲信号输入，然后检查级联是否正确，用低位片的进位端“CO”接高位片的“ENT”“ENP”端，每个芯片的进位端“CO”取反后接各自置入端“LOAD”，检查置入的数字是否正确，最后用万用表检查输出端电压是否有明显变化。

3.数码管不能正常显示，首先检查译码芯片74LS48是否接线正常，然后检查各管脚对应输出是否正确，最后检查数码管接线是否正确。

用电源的负极接74LS48的8管脚，电源的正极接74LS48的9—15管脚，看数码管能否对应显示数字。

4.交通灯显示不能实现相应的功能，首先检查二极管是否能正常然后检查二极管接线处是否良好，最后检查接线是否按照状态方程连接正确。

5.连接数码管时一定要接限流电阻再接地，否则容易烧毁数码管。

6.计数器给状态控制器提供脉冲，当数码管显示00时产生一个上升沿，由于上升沿产生在01与00之间，造成LED显示变化提前一秒，所以我将状态控制器控制LED的信号通过D触发器74LS74延迟一秒，这样就得到了想要的结果。

尽管之前已确定电路图的正确性，但是在调试时，仍然出现了很多问题。

例如：

由于面包板的问题芯片老是插不紧，用手按着芯片结果就正确，松开就没有结果或结果不正确；数码管显示有时候是奇数有时候是偶数;不同芯片间有时串线，导致结果有的对，有的错。

经耐心检查排错最终圆满完成任务。

九.分析与总结

通过这两周的课程设计实习，使我感悟最深的是数字电路设计需要的是深厚的知识功底和严谨认真的科学态度。

好的电路设计不仅要求正确，而且是最简单的，这里说的最简单不是说要每个器件都要最简单的，如果那样我们也不必去选择器件，只需用门电路就可以设计了，我们要的是对整体电路来讲是最简的，尽量在功能齐全的前提下减少所用器件的数量

另外对于电路本身存在一个安全稳定性问题,所以在面包板上接线时，尽量用一根导线将输出和输入接通，因为导线中间每断一次都是电路的一个安全隐患。

当觉得电路设计方案没有问题时就可以在面包板上接线了。

另外，我们还最好是接好一个模块后通电检测，有问题就检查修改电路，直到这一模块正常再对下一个模块接线。

布线完成后，接下来就该调试电路，这是一个很重要的环节。

结果错误的可能原因有很多，可能是设计本身或是接线问题或接触问题，也可能是所用器件问题。

故在连电路时导线要横平竖直，保证和面包板接触好，这样出问题时起码容易检查电路且有助于设计的功能很好地实现。

两周的电路实习，给我留下了深刻的印象，因为这不光是让我对数电课程的学习在实际中得到了更深刻的认识，而且还对我的动手能力，分析解决问题的能力有了一定的锻炼。

开始的时候把设计好的电路图在Maxpuls2上进行模拟的时候，功能可以实现，但连接好以后就出现了好多的问题，其中一个就是连接线接触不好，还有就是显示问题，数字不是奇数就是偶数，根本就不正常显示，后来将悬空的拐角都直接接高电平才将电路顺利完成。

不过总的来说此次数字电路设计试验还是完成的很顺利，我很顺利的完成了老师所布置的任务，当看着自己的电路一切正常时非常的高兴。

但我知道这是远远不够的，我们还必须深入的了解很多我们不知道的东西，就在我验收完试验的时候，郑老师给我讲了怎么样使电路最简，听后我恍然大悟，发现自己有这么多的欠缺，但是我会更加努力的。

这次课程设计使我对数字电路这一学科产生更浓厚的兴趣，也教会我认真严谨的科学治学态度。

同时也要感谢给予我莫大帮助的老师和同学。