數(shù)字電子技術基礎課程設計--信號燈設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　2 信號燈的設計內容2</p><p>　　2.1 信號燈工作方式2</p><p>　　2.2 控制電路的特點3</p><p><b>　　

2、3 單元模塊4</b></p><p><b>　　3.1電源模塊4</b></p><p>　　3.2秒脈沖發(fā)生模塊5</p><p><b>　　3.3計數(shù)模塊6</b></p><p><b>　　3.4分頻模塊8</b></p>&l

3、t;p>　　3.5控制電路模塊10</p><p>　　4交通信號燈的仿真與調試12</p><p>　　4.1仿真軟件簡介12</p><p>　　4.2電路的仿真12</p><p>　　4.3交通燈完整功能的實現(xiàn)14</p><p>　　4.4調試方法14</p><p>

4、;　　4.5 調試中出現(xiàn)的問題、原因分析及解決方法14</p><p><b>　　5總結15</b></p><p><b>　　參考文獻16</b></p><p><b>　　附錄17</b></p><p><b>　　1 引言</b>&l

5、t;/p><p>　　數(shù)字電子技術基礎是高等學校弱電類各專業(yè)的一門重要的技術基礎課程。這門課程發(fā)展迅速、實用性和應用性強，側重于邏輯行為的認知和驗證。</p><p>　　隨著社會經濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關注。人、車、路三者關系的協(xié)調，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那么靠什么來實現(xiàn)這井然秩序呢？靠的就是交通信

6、號燈的自動指揮系統(tǒng)。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。</p><p>　　同時也隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道

7、路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市高速道路在構造上的特點，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。為此，本次設計完成的就是交通燈設計。以下就城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)的電路原理、設計計算和實驗調試等問題來進行具

8、體分析討論。</p><p>　　本系統(tǒng)由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時器和控制器的標準時鐘信號源，555定時器輸出脈沖信號，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，控制電路控制定時器和譯碼器的工作，驅動電路驅動六只三色LED工作。最后用電路仿真軟件繪制出數(shù)字鐘的完整電路圖。對數(shù)字電路的學習起到了良好的輔助作用。</p><p>　　2 信號燈的設計

9、內容</p><p>　　2.1 信號燈工作方式</p><p>　　1信號燈白天工作要求</p><p>　　某方向綠燈點亮20秒，然后黃燈點亮4秒，最后紅燈點亮24秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。</p><p>　　如果以4秒作為時間計量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點亮的時間比例為5：1：6。</p&g

10、t;<p>　　從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向黃燈亮。信號燈采用LED紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬（白天點亮時的工作換燈流程圖如圖2-1所示）。</p><p><b>　　2夜間工作方式</b></p><p>　　南北

11、東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其它燈不亮。要求設置一個手動開關，用它控制白天和夜間工作方式。</p><p>　　2.2 控制電路的特點</p><p>　　從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向黃燈亮。因此采用組合邏輯設計。組合邏輯電路：將十二進制計數(shù)器

12、作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出去驅動東西和南北兩個方向的信號燈的點亮。</p><p>　　圖2-2 信號燈的整體電路框圖</p><p><b>　　3 單元模塊</b></p><p><b>　　3.1電源模塊</b></p><p>　　信號燈采用三極管9031驅動，其額定電

13、流與額定電壓應滿足三級管的驅動能力，電源電壓采用直流5V，通過變壓器將市電降壓到交流9V，在通過整流橋整流濾波和穩(wěn)壓塊7805得到直流5V電壓。直流穩(wěn)壓電源的任務是為整體電路提供直流電源。故穩(wěn)壓電源電路的輸出電壓值和輸出電流值應滿足整體電路的需要</p><p>　　作為一個實際的應用系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源是必不可少的。本次課設設計的交通信號燈控制電路需要使用穩(wěn)定的5V直流穩(wěn)壓電源來驅動各芯片使電路其正常工作。因此需要

14、設計輸出為5V的直流穩(wěn)壓電源。</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源包括變壓器降壓、二極管（或整流橋）整流、電容濾波、集成穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓四部分。</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源原理圖如圖3-1所示</p><p>　　圖3-1 直流穩(wěn)壓電源原理圖</p><p>　　3.2秒脈沖發(fā)生模塊</p><p>　　由于黃燈點亮

15、時按秒閃動以及時間顯示按秒倒計時，所以需要設計秒脈沖產生電路。秒脈沖產生電路實際就是一個多諧振蕩電路，它可以是用門電路和電阻、電容組成的多諧振蕩電路，也可以是用定時器555(圖3-2是555定時器的原理圖，圖3-3是555定時器的引腳圖)和電阻、電容組成的多諧振蕩器。為了電路簡單和調節(jié)振蕩周期方便，選擇用555定時器組成多諧振蕩器（如圖3-4所示）</p><p>　　圖3—2 555定時器的原理圖<

16、/p><p>　　圖3-3 555定時器的引腳圖</p><p>　　圖3—4 用555定時器組成多諧振蕩器</p><p>　　根據(jù)周期與頻率的計算公式：電源電壓，其中電路圖中的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響，一般選用0.01uF的瓷片電容。本次課設中要求輸出T=1s，選取電容，歐姆，根據(jù)震蕩周期計算，選擇電阻歐姆。當元件選取完成后，根據(jù)電路原理圖連接電路即可

17、。</p><p><b>　　3.3計數(shù)模塊</b></p><p>　　由信號燈白天點亮流程圖可以得知，任何方向的信號燈的一個工作循環(huán)為十二進制（綠、黃、紅時間比例為5：1：6），因此需要設計十二進制計數(shù)器，循環(huán)工作控制白天信號燈的點亮。因此，用移位寄存器組成十二進制計數(shù)器，擬選用8位串入并出移位寄存器74LS164（其引腳圖如圖3-5所示，功能表如表3-1所示）

18、。</p><p>　　圖3-5 74LS164引腳圖</p><p>　　表3-1 74LS164功能表器原理表</p><p>　　應用電路：用74LS164組成的12進制扭環(huán)型計數(shù)器電路 ，其電路圖如下圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 12進制扭環(huán)型計數(shù)器</p><p><b>　

19、　3.4分頻模塊</b></p><p>　　十二進制計數(shù)器的時間單位為4秒，即它的CP脈沖為4秒。為了使整體電路工作步調一致，4秒脈沖應該利用秒脈沖經分頻獲得，這就需要設計一個4分頻器電路。秒脈沖經4分頻后得到4秒脈沖，將其作為十二進制計數(shù)器的CP脈沖。本次課程設計使用兩個D觸發(fā)器組成4分頻器電路，如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 四分頻的電路原理圖<

20、/p><p>　　74LS74是一個邊沿觸發(fā)器數(shù)字電路器件，每個器件中包含兩個相同的、相互獨立的邊沿觸發(fā)d觸發(fā)器電路模塊。圖3-8為其引腳排列和邏輯符號</p><p>　　圖3-8 74LS74的引腳圖</p><p><b>　　功能說明：</b></p><p>　　74LS74內含兩個獨立的D上升沿雙d觸發(fā)器，每個

21、觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（D）、置位輸入（）復位輸入（）、時鐘輸入（CP）和數(shù)據(jù)輸出。、的低電平使輸出預置或清除，而與其它輸入端的電平無關。當、均無效（高電平式）時，符合建立時間要求的D數(shù)據(jù)在CP上升沿作用下傳送到輸出端。</p><p>　　表3—2 74LS74功能表</p><p>　　表3-3 4分頻器電路邏輯功能表</p><p><b>　　3

22、.5控制電路模塊</b></p><p>　　邏輯控制電路是本設計的核心電路，由它控制交通信號燈按要求方式點亮(一般經驅動電路去控制信號燈)。根據(jù)白天信號燈的點亮要求，將時序邏輯電路的輸出作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出給信號燈的驅動電路。夜晚工作方式也需要組合邏輯電路的功能以及秒脈沖通過與門實現(xiàn)。組合邏輯電路的真值表如表3-4所示，邏輯控制原理圖如圖3-9所示</p>&l

23、t;p>　　表3-4 組合邏輯電路的真值表</p><p>　　圖3-9 邏輯控制原理圖</p><p>　　4交通信號燈的仿真與調試</p><p><b>　　4.1仿真軟件簡介</b></p><p>　　NI Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗

24、證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設計流程中提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術的設計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。有如下特點：</p><p>　　1.通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設計電路 ；<

25、;/p><p>　　2.通過交互式SPICE仿真, 迅速了解電路行為； </p><p>　　3.借助高級電路分析, 理解基本設計特征 ；</p><p>　　4.通過一個工具鏈, 無縫地集成電路設計和虛擬測試 ；</p><p>　　5.通過改進、整合設計流程, 減少建模錯誤并縮短研發(fā)時間。</p><p><b&

26、gt;　　4.2電路的仿真</b></p><p>　　按照原理圖逐部分仿真</p><p>　　4.3交通燈完整功能的實現(xiàn)</p><p>　　1. 交通信號燈的完整電路圖見附錄仿真圖</p><p>　　2. 交通信號燈的工作原理：首先閉合開關，電路工作在白天工作狀態(tài)。555定時器發(fā)出秒脈沖，通過四分頻器電路產生4秒脈沖

27、，再此脈沖作用下，十二進制計數(shù)器發(fā)出0或1，通過邏輯電路使輸入各個二極管的電位發(fā)生變化，使某方向綠燈點亮20秒，然后黃燈點亮4秒，最后紅燈點亮24秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。如果以4秒作為時間計量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點亮的時間比例為5：1：6。閉合開關后，十二進制計數(shù)器被異步置零，兩個或門工作，進而只有兩個黃燈受控制，在通過秒脈沖的作用，使黃燈每秒閃動一次，其它燈不亮。</p>&l

28、t;p><b>　　4.4調試方法</b></p><p>　　1. 首先調試555定時器。用示波器觀察555定時器輸出波形，確定555定時器是否正常工作，振蕩頻率是否是2Hz。調節(jié)電位器R1，使555定時器產生頻 率為1Hz的方波信號。</p><p>　　2. 調試分頻器。用示波器觀察分頻器輸出波形，確定信號頻率是否是0.25Hz。</p>

29、<p>　　3. 調試十二進制計數(shù)示電路，將秒信號輸送各計數(shù)器觀察是否工作正常。</p><p>　　4. 整體調試。各部分電路連接起來，觀察交通燈是否正常工作。</p><p>　　4.5 調試中出現(xiàn)的問題、原因分析及解決方法</p><p>　　1． 燈不正常發(fā)光，原因是線接觸不良造成的</p><p>　　2． 555定

30、時器形成的多諧振蕩器發(fā)出的1HZ脈沖信號，由于元件制作誤差及環(huán)境干擾，仿真與實際示波器測出的脈沖信號有誤差。可以使用晶振形成1HZ的脈沖信號，LED發(fā)光時間應該能夠更加準確。</p><p>　　3． 電源中用變壓器降壓得不到9V交流電壓的原因是該變壓器的變比不合適造成的，改變變壓器變比可以得到相應的電壓。</p><p><b>　　5總結</b></p>

31、;<p>　　通過這次課程設計，加強了我動手、思考和解決問題的能力。在開始時我不知道如何下手，課本知識學起來感覺挺簡單但應用到實際中還是有些難，通過溫習課本和查閱資料我設計出了電路圖。但在連接電路的過程中很多新片的管腳圖不知道只好上網(wǎng)查找，自己查找設計收獲很大。</p><p>　　經過這一周的努力，在老師和同學的幫助下，我完成了設計任務。通過這次課程設計，我充分認識到了自學的重要性，以及學以致用的

32、道理，也體會到了自己完成一件事的喜悅和成功解決困難的樂趣。我在圖書館和網(wǎng)上查閱了大量的資料，同時也認識到了圖書館和網(wǎng)上搜索的重要作用。在今后的學習過程中，應該多到圖書館和網(wǎng)上看一些專業(yè)方面的書籍，以豐富自己的知識。也使我加深了對數(shù)字電路技術的理解和應用。由于知識水平的局限，設計中可能會存在著一些不足，我真誠的接受老師和同學的批評和指正。</p><p>　　在設計過程，經常會遇到這樣的情況，就是心里想老著這樣的接

33、法可以行得通，但實際接上電路，總是實現(xiàn)不了。所以這幾天不管是吃飯還是睡覺，腦子里總是想著如何解決這些問題，如何想出更好的連接方法。不過說也奇怪，整天想著這些問題，腦子和身體卻一點都不會覺得累。</p><p>　　這一次的課程設計讓我學到了很多東西。首先對于數(shù)字電路的知識有了更深的掌握，包括各芯片的引腳及功能。其次對Multisim軟件更加熟悉，掌握了芯片的搜索、線路的連接、仿真圖的繪制和檢查等。最后自己的動手能

34、力有了很大的提高，我們電本專業(yè)是應用性的專業(yè)，我們以后出去也主要做一些應用的工作，只有理論沒有動手能力那只是一紙空談。通過這次課程設計，我得到的不僅是知識能力或成就感，還有對明天的信心。</p><p>　　在這次課設過程中得到了各位老師和同學們的精心指導，在此表示衷心的感謝。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　

35、[1] 付家才．電子工程實踐技術．北京：北京工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[2] 畢滿清．電子技術實驗與課程設計．北京：機械工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[3] 閻石主編．數(shù)字電子技術基礎（第五版）．北京：高等教育出版社，2009</p><p>　　[4] 丁潤濤主編．電子工程手冊．北京：機械工業(yè)出版社，1995</p>&l