交通燈課程設(shè)計(jì)報(bào)告---交通燈控制器

1、<p>　　數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告書</p><p><b>　　——交通燈控制器</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)題目：交通燈控制器</p><p>　　交通燈控制器是可以自動控制交通燈，并以倒計(jì)時的方式顯示出時間，方便行人和車輛在通行時有條不紊的通行，達(dá)到交通井然有序，出行人員安全快捷的到達(dá)目的地的效果。本次實(shí)驗(yàn)的就是想通過這樣

2、的一個實(shí)例，來結(jié)合數(shù)字電路課程的學(xué)習(xí)共同實(shí)現(xiàn)這樣的一個應(yīng)用工具，達(dá)到理論和實(shí)踐相結(jié)合的目的。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個十字路口控制交通秩序的交通燈，滿足以下條件：</p><p>　　顯示順序?yàn)槠渲幸唤M方向是綠、黃、紅；另一方向是紅、綠、黃。</p><p>　　設(shè)

3、置一組數(shù)碼管以倒計(jì)時的方式顯示語序通行或禁止通行時間，其中支通道綠燈的時間是20s，另一個方向上主通道的綠燈亮的時間是30s，黃燈亮的時間都是5s.</p><p>　　選做：當(dāng)任何一個方向出現(xiàn)特殊情況，按下手動開關(guān)，其中一個方向通行，倒計(jì)時停止，當(dāng)特殊情況結(jié)束后，按下自動控制開關(guān)恢復(fù)正常狀態(tài)。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)思路概述：</b></p>

4、;<p><b>　　1．任務(wù)分析：</b></p><p>　　交通燈控制器主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能：</p><p>　?、贃|西、南北雙向通路的紅、綠、黃燈控制；</p><p>　?、跂|西向主通路的倒計(jì)時顯示。</p><p>　　另外，在此設(shè)計(jì)中還實(shí)現(xiàn)了緊急情況下的強(qiáng)制中斷功能。</p>&

5、lt;p><b>　　2．實(shí)現(xiàn)方案：</b></p><p>　　實(shí)現(xiàn)這個交通燈控制器可以采用PLD、FPGA、單片機(jī)等可編程器件或基本數(shù)字邏輯器件實(shí)現(xiàn)。在這次實(shí)驗(yàn)中采用74系列數(shù)字集成芯片和555時基芯片實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，在本報(bào)告的最后附有用Atmel公司89C52實(shí)現(xiàn)同樣功能的電路設(shè)計(jì)圖及C51程序。</p><p><b>　　3．具體功能分析：&l

6、t;/b></p><p>　　此電路為十字路口交通燈控制電路，要求東西向和南北向不能同時出現(xiàn)綠（黃）燈，發(fā)生“撞車”現(xiàn)象。即當(dāng)某一方向?yàn)榫G燈或黃燈時，另一方向必為紅燈。東西向主通路有倒計(jì)時顯示。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)時序如下：</b></p><p><b>　　東西向</b></p>&

7、lt;p><b>　　南北向</b></p><p><b>　　4．電路框圖設(shè)計(jì)：</b></p><p>　　說明：脈沖輸出部分為555時基芯片構(gòu)成的多次諧波振蕩器，由其產(chǎn)生周期為1s的時鐘脈沖信號。計(jì)時控制部分主要由兩片74LS161（十六進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器）、74LS74（邊沿D觸發(fā)器）及邏輯門電路構(gòu)成。產(chǎn)生30s、20s和5s的倒

8、計(jì)時信號。彩燈控制部分將計(jì)時控制部分輸出的信號通過邏輯門電路及74LS139（雙2—4線譯碼器）產(chǎn)生控制信號，控制彩燈按照響應(yīng)時序顯示，并將74LS139的輸出信號反饋回計(jì)時控制部分實(shí)現(xiàn)三種倒計(jì)時之間的切換。數(shù)字顯示部分主要由74LS48（7段顯示譯碼器）、74LS04（反相器）及8段共陰極數(shù)碼管構(gòu)成，通過接入計(jì)時控制部分的信號實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時顯示。</p><p><b>　　四、單元電路設(shè)計(jì)：</b

9、></p><p><b>　　1．脈沖輸出部分：</b></p><p>　　脈沖輸出部分為555時基芯片構(gòu)成的多次諧波震蕩器，電路原理圖如右：</p><p>　　其中器件參數(shù)分別為R1=4.7kΩ，R2=150kΩ，C1=4.7μF，C2=0.01μF。</p><p>　　產(chǎn)生的時鐘脈沖為周期T=1s的方波

10、。</p><p>　　電容C1充電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為</p><p>　　tw1=0.7(R1+R2)C=0.7×(150k+4.7k) ×4.7μ≈0.5s</p><p>　　電容C1放電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為</p><p>　　tw2=0.7R2C=0.7×150k×4.7μ≈0.5s<

11、/p><p>　　因此，電路輸出矩形脈沖的周期為</p><p>　　T= tw1＋tw2≈1s</p><p>　　輸出占空比為q= tw1/T≈50%</p><p><b>　　2．計(jì)時控制部分：</b></p><p>　　通過兩片74LS161級聯(lián)實(shí)現(xiàn)最大模值為256的加法計(jì)數(shù)功能，用低位片

12、U2的輸出口RCO控制高位片U3的使能端ENT，即低位片U2產(chǎn)生進(jìn)位信號后高位片開始工作。</p><p>　　由于主通路（東西向）交通燈時序?yàn)榧t燈30s、綠燈20s、黃燈5s，故此子系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)模30計(jì)數(shù)、模20計(jì)數(shù)和模5計(jì)數(shù)間的切換，亦即低位片模值為10—10—5的切換，高位片模值為3—2—0的切換。在具體電路實(shí)現(xiàn)過程中，采用74LS74芯片控制高位片的數(shù)據(jù)置入，并利用彩燈控制部分的輸出控制低位片數(shù)據(jù)的置入。&

13、lt;/p><p>　　由于數(shù)字顯示部分要求倒計(jì)時顯示，故置入數(shù)據(jù)時取數(shù)碼管相應(yīng)顯示碼值的反碼，具體數(shù)據(jù)表格見數(shù)字顯示部分。</p><p>　　在此電路中，開關(guān)SW2、SW1分別控制高、低位片的強(qiáng)制置數(shù)，當(dāng)SW2、SW1接低電平時，若SW3接高電平，高位片被強(qiáng)制置入數(shù)據(jù)1111，低位片通過彩燈控制部分的反饋信號被置入數(shù)據(jù)1011。此時，將SW2、SW1接高電平，計(jì)數(shù)開始，進(jìn)入有效循環(huán)前5s的

14、偏離態(tài)。當(dāng)?shù)臀黄M(jìn)位后，高、低位片進(jìn)位端均為1，U9A輸出端為1，U6C、U6D輸出端為0，即高、低位片LOAD端為0，實(shí)現(xiàn)置數(shù)功能。</p><p>　　高位片置入數(shù)據(jù)為 , ，當(dāng)高低位片同時產(chǎn)生進(jìn)位信號，74LS74產(chǎn)生上升沿，即每次倒計(jì)時完畢后進(jìn)行置數(shù)。低位片置入數(shù)據(jù)由黃燈亮\滅控制，當(dāng)黃燈亮?xí)r置入數(shù)據(jù)為1011，黃燈滅時置入數(shù)據(jù)為0110。</p><p>　　計(jì)時系統(tǒng)與東西向主

15、通路交通燈亮\滅情況真值表如下：</p><p>　　3．彩燈控制\顯示部分：</p><p>　　彩燈控制部分分兩路實(shí)現(xiàn)，東西向（主通路）彩燈由于時序與倒計(jì)時相同，故不需另加單獨(dú)的計(jì)數(shù)電路，只需用門電路和譯碼器等器件將計(jì)數(shù)部分中的信號引致彩燈。南北向時序與東西向不同，故另外用一片74LS161控制，具體設(shè)計(jì)如下：</p><p><b>　　Ⅰ.東西向：

16、</b></p><p>　　計(jì)數(shù)控制部分高位片的置數(shù)端D0、D1分別接到74LS139的A、B端子，其輸出端Y1、Y2、Y3分別接紅、綠、黃燈。</p><p>　　當(dāng)高位片置入數(shù)據(jù)為1110，低位片置入數(shù)據(jù)為0110，即倒計(jì)時20s時，74LS139的A、B端分別為0、1，此時輸出數(shù)據(jù)為1011，即綠燈亮。同理，當(dāng)高位片置入數(shù)據(jù)為1111，低位片置入數(shù)據(jù)為1011，即倒計(jì)時

17、5s時，74LS139的A、B端分別為1、1，此時輸出數(shù)據(jù)為0111，即黃燈亮；當(dāng)高位片置入數(shù)據(jù)為1101，低位片置入數(shù)據(jù)為0110，即倒計(jì)時30s時，74LS139的A、B端分別為1、0，此時輸出數(shù)據(jù)為1101，即紅燈亮。</p><p><b>　　Ⅱ.南北向</b></p><p>　　南北向彩燈由東西向彩燈和另一片74LS161（U12）單獨(dú)控制。U12的EN

18、P、ENT、LOAD全部接高電平，即禁止置數(shù)，MR端子接Q0（高）Q1（高）Y1（74LS39）相與的輸出。</p><p>　　設(shè)計(jì)思路如下：由時序圖可知，當(dāng)東西向紅燈亮且高位片為0，即南北向紅燈倒計(jì)時至10s時，U12開始計(jì)數(shù)，當(dāng)紅東西向燈熄滅時計(jì)數(shù)停止，共計(jì)數(shù)10s，通過邏輯門電路組合可以實(shí)現(xiàn)使其前5s輸出為1，后5s輸出為0，即后5s時南北向黃燈亮。當(dāng)10s計(jì)時結(jié)束后，南北向應(yīng)變?yōu)榧t燈，而此時東西向先持續(xù)

19、5s黃燈后持續(xù)25s綠燈，故南北向紅燈接?xùn)|西向黃、綠燈信號相與的結(jié)果。</p><p>　　U12（74LS161）計(jì)數(shù)輸出與南北向黃燈亮滅真值表如下：</p><p>　　注：OUTPUT=0時黃燈亮；OUTPUT=1時黃燈滅。</p><p>　　化簡得： 。實(shí)現(xiàn)電路如上圖所示。</p><p>　　南北向綠燈的控制信號為南北向紅燈和黃燈

20、的與非，即紅燈和黃燈均不亮?xí)r綠燈亮。</p><p><b>　　4．強(qiáng)制中斷系統(tǒng)：</b></p><p>　　當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，交通燈應(yīng)具有強(qiáng)制某路通行或中斷的功能。在此系統(tǒng)中，如出現(xiàn)緊急情況，斷開“緊急中斷”開關(guān)（見總電路圖），即切斷CP脈沖輸入，計(jì)時停止，此時將SW4接高電平，SW5接低電平，東西向強(qiáng)制通行；反之，若將SW5接高電平，SW4接低電平，南北向強(qiáng)制

21、通行。</p><p><b>　　5．?dāng)?shù)字顯示部分：</b></p><p>　　由74LS48（7段顯示譯碼器）真值表可知，要實(shí)現(xiàn)9~0倒計(jì)時可通過置入0110取反后得到，真值表如下：</p><p><b>　　6.元器件列表：</b></p><p><b>　　五、總體電路圖：&

22、lt;/b></p><p>　　六、電路組裝完成后，實(shí)際測量的各個單元電路的輸入、輸出信號波形：</p><p>　　電路組裝調(diào)試完成后，測得各單元電路輸入輸出如下：</p><p><b>　　1．脈沖輸出部分：</b></p><p>　　輸入：+5V直流電壓信號。</p><p>　

23、　輸出：周期T≈1s，占空比q=50%的矩形波。</p><p><b>　　2．計(jì)時控制部分：</b></p><p>　　輸入、輸出高電平時大于4V，低電平小于0.3V，符合要求，且無邏輯錯誤。</p><p>　　3．彩燈控制\顯示部分：</p><p>　　輸入、輸出高電平時大于4V，低電平小于0.3V，符合要求

24、，且無邏輯錯誤。</p><p><b>　　4．?dāng)?shù)字顯示部分：</b></p><p>　　輸入、輸出高電平時大于4V，低電平小于0.3V，符合要求，且無邏輯錯誤。</p><p>　　七、電路組裝、調(diào)試過程中發(fā)生的問題及解決的方法：</p><p><b>　　1．出現(xiàn)錯誤電平</b></

25、p><p>　　故障現(xiàn)象：計(jì)時控制部分獨(dú)立工作時正常，接入彩燈控制\顯示部分反饋后出現(xiàn)邏輯錯誤。</p><p>　　檢查步驟：（1）檢查電路各部分電氣連接是否正常，無短路和開路現(xiàn)象；（2）檢測距后級輸出最近的端口電壓，發(fā)現(xiàn)74LS161部分端口出現(xiàn)1~2V的錯誤電平；（3）沿信號流向逆向檢查電平值，發(fā)現(xiàn)錯誤電平為彩燈控制\顯示部分反饋引入；（4）分析故障原因，發(fā)光二極管正極接高電平（+5V）

26、，由于二極管導(dǎo)通壓降近似為0.7V，限流電阻僅為33Ω，分壓能力有限，導(dǎo)致所取的反饋信號出現(xiàn)錯誤電平。</p><p>　　解決方案：將33Ω電阻改換為100Ω，錯誤邏輯消失，重新檢測各點(diǎn)電平值，均符合要求。</p><p>　　2．?dāng)?shù)字顯示部分顯示結(jié)果混亂</p><p>　　故障現(xiàn)象：將計(jì)時部分和數(shù)字顯示部分連接完后，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示字符為亂碼，且無一定規(guī)律。&l

27、t;/p><p>　　檢查步驟：（1）檢查電路各部分電氣連接是否正常，部分管腳接觸不良，按壓芯片，使其完全解除故障仍未解除；（2）檢測各輸入、輸出端口電壓，部分管腳出現(xiàn)錯誤電平；（3）分析錯誤電平產(chǎn)生原因，無反饋回路，反相器輸入正常，輸出為錯誤電平，疑是74LS04反相器芯片自身故障。</p><p>　　解決方案：更換故障芯片，數(shù)碼管顯示正常，重新檢測各點(diǎn)電平值，無錯誤電平出現(xiàn)。</p

28、><p><b>　　九、注意事項(xiàng)</b></p><p>　　在本次課程設(shè)計(jì)中，我主要認(rèn)識到如下幾個問題：</p><p>　　1.理論知識與實(shí)際操作存在差異，如利用555構(gòu)成多諧振蕩器時，將器件參數(shù)套用公式進(jìn)行理論計(jì)算得到周期T=1s，但在實(shí)際操作時發(fā)現(xiàn)此處存在較大誤差，周期明顯小于1s；又如理論規(guī)定邏輯高電平和邏輯低電平分別為3V和0.35V

29、，但實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)一般大于2.5V的電平均可看作高電平，不會出現(xiàn)邏輯錯誤，而低電平上限也可達(dá)到0.5V左右。</p><p>　　2.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)的課程學(xué)習(xí)過程中，過多的偏重于電路邏輯功能的設(shè)計(jì)，考慮其實(shí)際實(shí)現(xiàn)則較少，比如芯片的穩(wěn)定性、帶載能力，工作環(huán)境等問題在設(shè)計(jì)中都沒有考慮，很多設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下雖然可以正常工作，但不適宜投入生產(chǎn)。</p><p>　　3.排除故障的能力和設(shè)計(jì)電

30、路的能力同樣重要。在此次課程設(shè)計(jì)中，很多同學(xué)在設(shè)計(jì)和連接電路上花費(fèi)的時間并不多，但卻把大量的時間耗費(fèi)在檢查故障上，經(jīng)常還會因?yàn)椴椴怀龉收匣驘o法解決故障重新連接電路。我覺得在日常生活和實(shí)際生產(chǎn)中，需要解除故障的地方遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)電路要多，從一次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)故障，逐步摸索排除故障的方法和技巧是極為重要的。我在排除電路的故障中逐步掌握了電平高低的檢測技巧和根據(jù)信號流向檢查故障的方法，并對萬用表的使用技巧有了更深入的實(shí)踐和學(xué)習(xí)。</p>