数字电路交通灯设计.doc

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1、 WuYi University数电课程设计 题 目： 两路交通灯设计 院 系： 电子工程系 专 业： 电子信息工程 班 级： 电信（2）班 学 号： 20094082041 学生姓名： 周磊 指导教师： 范有机 2011年6月两路交通灯设计摘要 本文主要对此次数电开放实验进行总结性报告，罗列了电路的电路原理与流程图、硬件结构设计、焊接与调试。对于出现的问题进行解释说明其一系列后续工作的介绍。Abstract In this paper, the number of power open to this experiment summary report, a list of the circ

2、uit schematic and flow diagram, hardware design, welding and debugging. For the problems to explain a series of follow-up work on its introduction.1绪论交通信号灯与我们的生活紧密相连，设计交通灯不仅具有实用性,还加深了本人对数字电路理论知识的理解。通过这次动手实验，死板的课本知识就融入到动手能力中去了。 数字电路是一门发展迅速，实践性很强的电子技术专业基础课程。由于数字电子技术具有很强的灵活性，我们的日常生活已经越来越离不开它了。用数字信号完成对数

3、字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。但其发展比模拟电路发展的更快。从60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件。随后发展到中规模逻辑器件；70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。由于数字电路技术的逻辑性很强，用它来设

4、计交通灯的控制系统很容易实现。只要数字集成块在一定范围内输入，都能得到确定的输出，调试起来也比较容，电路的工作状态会比较稳定。这次的设计就是通过一些基本的数字芯片组合来实现对十字路口交通等的六个不同信号灯的控制，另外还加以倒计时数码管显示。以做到十字路口信号灯的仿真模型，这个电路的设计看似较为复杂，其实就是一些基本的数字电路组成。只要将整个电路的基本方向确定下来，画出电路流程图，在对各项功能进行设计，一步步突破，最后进行整理总结。2硬件电路结构设计2.1设计要求及电路流程图2.1.1设计要求1. 设计时要综合考虑实用、经济并满足性能指标要求；2. 必须独立完成设计课题； 3. 合理选用元器件；

5、 4. 按时完成设计任务并提交设计报告。 2.1.2电路流程图根据实际的交通信号灯，设计一个交通灯信号控制器。甲、乙车道交替通行，甲车道每次放行25秒，乙车道放行25秒，绿灯亮表示通行，红灯表示停止。每次绿灯变红时黄灯先亮5秒。该交通灯控制系统的组成框图如下图2-1所示。状态控制器主要记录交通灯的工作状态，通状过状态译码器点亮相应状态的信号灯，秒信号发生器产生整个定时系统的时间脉冲，通过减法计数器对秒脉冲减计数，达到每一种工作状态持续时间。减法计数器的减进位脉冲使状态控制器完成状态转换，同时减进位根据系统下一个工作状态决定下一次减计数的初始值。减法计数器的状态由bcd译码器译码，数码管显示。图

6、2-1电路流程图2.2单元电路设计22.1状态控制器设计根据电路流程图，各信号灯工作顺序流程如2-2图，信号灯四种不同状态分别用S0（甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮），S1(甲车道黄灯亮，乙车道还是红灯)，S2（甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮），S3（甲车道还红灯亮，乙车道黄灯亮）表示，其状态编码及状态转换图如图2-3所示。 图2-2信号灯流程 图2-3信号灯状态转换图根据上述流程图和状态转换图，我们可以用一个两位十进制计数器实现，如74160，再用一个3线8线译码器74138译码器与显示电路相连。电路图如下。图2-4状态译码器电路图其中74160的CLK接受来自减法计数器的借位输出，74138的Y0

7、、Y1、Y2、Y3去置数和控制信号灯的状态。当减法计数器高位同时出现借位时就会给clk一个脉冲，由于减计数器借位输出为低电平，而160需要高电平触发，所以加一个非门。经过74138译码后控制交通灯的状态变化以及置数的变化，从而控制整个系统，其中74160的QC端经过一个非门接其置数端，当QC为1时，计数器置数回到0，从而控制电路的状态循环，同时QA，QB的变化经过译码器74138后控制整个电路及交通灯的循环。74LS160芯片介绍:74LS160 是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器 ,管脚图如2-5。只有当 EP、ET 均为高电平时160才能正常工作。CLR为清

8、零端。表2-1为160功能表图2-5芯片160管脚图表2-1芯片160功能表2.2.2交通等状态显示设计整个交通灯状态分为四部分，真值表与状态如表2-2。横纵向干道的红、黄、绿信号灯主要由状态控制器输出决定。用1表示灯亮。用0表示灯不亮。表2-2交通信号灯真值表由真值表可知各信号灯的逻辑函数表达式为：G=/Y0 Y=/Y1R=/Y2+/Y3=/(Y2Y3) g=/Y2 y=/Y3r=/Y0+/Y1=/(Y0Y1) 可画出交通灯信号控制图，如图2-6所示。图2-6显示部分原理图由于译码器输出是低有效，所以在另一端接+5V高电平。这样就可以很好的控制交通灯的显示。74LS138芯片介绍：图2-7为

9、74138管脚图。74LS138 为3 线8 线译码器，当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器 图2-7芯片138管脚图表2-3 138功能表无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平1芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出引脚全为高电平1。如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。22.3秒信号设计其中秒信号发生器由555定时器及电容、电

10、阻、电感组成，是一个典型的施密特触单稳态触发发器。无需输入，自激震荡产生方波。只需控制两个电阻和电容的大小来控制占空比来控制方波的频率。R6、C2组成一个串联RC充放电路，在NE555的7管脚上输出一个方波信号，C2上得到一个三角波，此三角波送到NE555的2脚输入端。由NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波图2-8秒信号发生器 NE555芯片介绍：NE555虽然从发现到现在有四十多年，功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前可直接的代用。NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号

11、不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。图2-9芯片555管脚图2.2.4置数控制系统设计表2-4显示部分真值表交通灯定时显示真值表74138状态输出74192输入端口DCBADCBADCBADCBAY0=1OO100101OO110000Y1=1OOOOO1O1OOOOOOOOY2=1OO110000OO100101Y3=1OOOOOOOOOOOOO1O1根据以上的设计，交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，以完成甲车道25秒，5秒，30秒，乙

12、车道30秒，25秒，5秒的定时任务。该定时器由2片74192构成的二位十进制可预置数减法计数器完成；时间状态由带译码器的led数码管对减法计数器进行译码显示；预置到减法计数器的时间常数，通过状态控制电路的译码器74138的输出端Y0、Y1、Y2、Y3。当状态控制器74160的输出QAQB=00时经过译码器74138后此时的输出为Y0Y1Y2Y3=0111，经过非门以后变成Y0Y1Y2Y3=1000此时只有Y0对置数有效，同理，状态控制器状态变化时，置数也跟着变化，而状态控制器的脉冲恰好来自减法计数器的借位端，这样就形成了置数的循环控制。实现了交通的定时循环系统。 其实交通的定时系统分为4部，甲

13、车道为25秒、5秒、30秒、0秒，对应乙车道为30秒、0秒、25秒、5秒。正好用译码器的四个输出端Y0Y1Y2Y3来控制，因为Y0Y1Y2Y3为低有效所以经过非门后 只有其中一个端口有效置数，真值表可以简单的画成表2-4的模式。 根据真值表可以得出置数控制系统的连接方式，原理图如下。图2-10置数控制部分原理图74LS192芯片介绍：其中p0 p1 p2 p3置数并行数据输入；Q0、Q1、Q2、Q3计数数据输出；MR清零端；LD置数端；TUu-加法计数CP输入;TCd减法计数CP输入；CO进位输出端；BO借位输出端。加减控制方式：控制信号为1时加计数，为 0时减计数。双时钟方式：外部时钟从CP

14、+端输入时加计数，从CP-端输入时减计数。预置功能：所谓预置，就是控制端 =0时，使计数器的状态变成设定的外部输入常数，即QDQCQBQA=DCBA（输入数据）。 图2-11芯片192管脚图 同步预置方式： =0且下一个时钟有效边沿到来时完成预置。异步预置方式： =0后立即预置数据送入各触发器，与CP无关。复位功能：所谓复位，就是从复位端输入有效信号后，计数器恢复成初始状态（全0或某个常数）。同步复位方式：用复位信号与时钟信号CP配合完成。异步复位方式：用复位信号直接完成，与CP无关。时钟边沿选择：同步计数器一般用上升沿触发，异步计数器一般用下降沿触发。有的同步计数器有两个时钟输入端，既可用上

15、升沿触发，也可用下降沿触发。其它功能：计数器满模值时，产生一个进位输出CO信号或借位输出BO信号，作为标志信号或进位功能扩展。计数控制输入端（P、T），用来控制计数器是否计数。多片计数器级联时，可控制各级计数器的工作。下表为其功能表表2-5芯片192功能表74LS47芯片介绍：74LS47的输入端是四位二进制信号(8421BCD码)，a、b、c、d、e、f、g是七段译码器的输出驱动信号，高电平有效。可直接驱动共阴极七段数码管， 是使能端，起辅助控制作用。下图是47芯片的功能表。图2-12芯片47管脚图表2-6芯片47功能表使能端的作用如下：(1) LT是试灯输入端，当 LT=0， BI=1时，

16、不管其它输入是什么状态，ag七段全亮；(2)BI静态灭灯输入 ，当 BI=0，不论其它输入状态如何，ag均为0，显示管熄灭；(3)RBI动态灭零输入 ，当 LT=1， RBI=0时，如果 A3A2A1A0（ABCD）=0000时，ag均为各段熄灭；(4) RBO动态灭零输出 ，它与灭灯输入BI 共用一个引出端。当 在动态灭零时输出才为0。片间与 RBI配合，可用于熄灭多位数字前后所不需要显示的零。3制板焊接与调试31制板311PCB图的制作 一般PCB基本设计流程如下：前期准备-PCB结构设计-PCB布局-布线-布线优化和丝印-网络和DRC检查和结构检查-制版。 第一：前期准备。这包括准备元件

17、库和原理图。“工欲善其事，必先利其器”，要做出一块好的板子，除了要设计好原理之外，还要画得好。在进行PCB设计之前，首先要准备好原理图SCH的元件库和PCB的元件库。元件库可以用peotel自带的库，但一般情况下很难找到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做PCB的元件库，再做SCH的元件库。PCB的元件库要求较高，它直接影响板子的安装；SCH的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与PCB元件的对应关系就行。PS：注意标准库中的隐藏管脚。之后就是原理图的设计，做好后就准备开始做PCB设计了。 第二：PCB结构设计。这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械

18、定位，在PCB设计环境下绘制PCB板面，并按定位要求放置所需的接插件、按键/开关、螺丝孔、装配孔等等。并充分考虑和确定布线区域和非布线区域（如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域）。需要特别注意，在放置元器件时，一定要考虑元器件的实际尺寸大小（所占面积和高度）、元器件之间的相对位置，以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性同时，应该在保证上面原则能够体现的 前提下，适当修改器件的摆放，使之整齐美观，如同样的器件要摆放整齐、方向一致，不能摆得“错落有致”。这个步骤关系到板子整体形象和下一步布线的难易程度，所以一点要花大力气去考虑。布局时，对不太肯定的地方可以先作初步布线，充分考虑。 图2-1

19、1： PCB制版图3.1.2电路板的制作1、打印电路板。将绘制好的电路板用转印纸打印出来，注意滑的一面面向自己，一般打印两张电路板，即一张纸上打印两张电路板。在其中选择打印效果最好的制作线路板。2、热转印电路板。将打印好的电路板裁剪成合适大小，把印有电路板的一面贴在覆铜板上，对齐好后把覆铜板放入热转印机，放入时一定要保证转印纸没有错位。一般来说经过2-3次转印，电路板就能很牢固的转印在覆铜板上。热转印机事先就已经预热，温度设定在160-200摄氏度，由于温度很高，操作时注意安全！3、腐蚀线路板,回流焊机。先检查一下电路板是否转印完整，若有少数没有转印好的地方可以用黑色油性笔修补。然后就可以腐蚀

20、了，等线路板上暴露的铜膜完全被腐蚀掉时，将线路板从腐蚀液中取出清洗干净，这样一块线路板就腐蚀好了。腐蚀液的成分为浓盐酸、浓双氧水、水，比例为1：2：3，在配制腐蚀液时，先放水，再加浓盐酸、浓双氧水，若操作时浓盐酸、浓双氧水或腐蚀液不小心溅到皮肤或衣物上要及时用清水清洗，由于要使用强腐蚀性溶液，操作时一定注意安全！4、线路板钻孔。线路板上是要插入电子元件的，所以就要对线路板钻孔了。依据电子元件管脚的粗细选择不同的钻针，在使用钻机钻孔时，线路板一定要按稳，钻机速度不能开的过慢，操作钻机还是比较简单的，只要细心就能完成得很好。但是一定要注意安全。5、线路板预处理。钻孔完后，用细砂纸把覆在线路板上的墨

21、粉打磨掉，用清水把线路板清洗干净。水干后，用松香水涂在有线路的一面，只需薄薄的一层，不光防止线路被氧化，同时松香也是很好的助焊剂，一般来说，线路板表面松香水会在24小时内凝固，为加快松香凝固，我们用热风机加热线路板，只需2-3分钟松香就能凝固。热风机温度高达300度，使用时不能把出风口朝向易燃物、人和小动物，要求安全第一！3.2焊接3.2.1准备工作1、按照原理图，到老师领取所需的元器件，不要缺少小的元器件如电阻、电容等体积小的元器件。2、测验芯片，按照各芯片的功能测试芯片是否能正常工作，不能工作的要及时向老师调换。3、排版、接线，首先，根据仿真图上各器件的位置，排好所要用的芯片，注意尽可能的

22、排得合理，稀松，因为我们所用的芯片插板先对比较小的，且电路比较复杂。第二，接线时应该一个一个模块接，接好后依次检查，切忌接完所有电路时在检查，那样一旦接错检查就非常困难。3.2.2实际焊接1分立元件一般不用焊，管脚有引线可以固定。然后用焊锡丝焊接，焊接时间应该小于3秒，如果没焊好，等一会再焊。要不然，容易造成电路板的损坏。2、电烙铁温度以1秒左右能融化焊锡为最佳。然后用尖的镊子夹元件并摆好位置，烙铁头上有焊锡，不用特意保留。3、用烙铁头同时接触元件的焊点和电路板的焊盘，看到PCB的焊盘焊锡融化即可。再焊接另一头。如果觉得焊锡不足可以补。3.3电路调试31.1准备工作1、连线是否正确 检查电路连

23、线是否正确，包括错线、少线和多线。查线的方法通常有两种。 a. 按照电路图检查安装的线路 这种方法的特点是，根据电路图连线，按一定顺序逐一检查安装好的线路。由此，可比较容易查出错线和少线。 b. 按照实际线路来对照原理电路进行查线 这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件（包括器件）引脚的连线一次查清，检查每个引脚的去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“1”挡，或数字式万用表“挡”的蜂鸣器来测量，而且直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。2、 元、器件安装情况 检查

24、元、器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良，二极管、三极管、集成电路和电解电容极性等是否连接有误。3 、电源供电（包括极性）、信号源连线是否正确 检查直流极性是否正确，信号线是否连接正确。4、 电源端对地是否存在短路 在通电前，断开一根电源线，用万用表检查电源端对地是否存在短路。检查直流稳压电源对地是否短路。若电路经过上述检查，并确认无误后，就可转入调试。31.2具体调试1、通电观察：通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。2、如无上述现象，观察电路的输出现象，

25、与预期现象作比较，如不同则断电检查原理图和PCB图有无错误。然后检查电路的焊接是否出现问题如短路等。33.1故障分析故障一：在做仿真时，完全按照真值表画置数显示电路图，画好后发现，理论上该显示25秒，30秒，5秒的，却显示15秒，20秒，5秒。高位普遍小1。而低位正常。 分析：可能是同步二进制计数器74192置数进位时，在仿真软件中与实际存在差距。这时只要把真值表高位加1 ，如把25置成35，把30置数成40，再连电路图则可得到想要的结果。注意在连接实物图时又要改过来。 故障二：在连接好电路图后发现，所置的数并不是所要的数，计数器倒计时到0后，便不动了 ， 分析：可能是减法计数器的置数连接错误

26、，且与借位端相连的控制状态电路端接触不好。仿真软件与实际存在差异，如实际中当某个芯片的管脚悬空时，系统默认为高电平1。在我们所用的仿真软件EWB512中却默认为0。这就直接影响置数的结果。以及高有效的控制端。4改进与创新根据我的设计，实验现象是红黄绿灯依次按设计的时间闪亮，但是实际应用中的交通灯却是黄灯闪烁的。为了达到真正的交通灯仿真，我觉得黄灯的点亮方式还可以改进。如果将黄灯的接电源的一端通过一定的与非门的逻辑组合接到NE555的3管脚上，由于555输出的是秒脉冲，电压变化是0V与5V以一秒为周期交替出现。正好符合我们对电压的要求。经过我的改进后，我设计的交通灯就达到很高程度的仿真了。虽然现

27、阶段这个设计没有投入实际的可能，但是为我以后的设计打下了坚实的基础。5原器件清单表5-1元件名称元件用途数量bcd-七段译码器显示管驱动2电阻330连接发光二极管20电阻80K、60K确定秒脉冲时间110K组成复位电路1电容确定秒脉冲时间3同步可逆计数器192组成置数系统2可预置bcd计数器160交通灯状态显示13-8线译码器138控制发光二极管1六倒相器74ls04组合逻辑电路12输入四与门74ls08组合逻辑电路12输入四或门74ls32组合逻辑电路1黄色发光二极管模拟黄灯2绿色发光二极管模拟绿灯2红色发光二极管模拟红灯2共阳极显示管显示倒计时2NE555构成秒脉冲16参考文献数字电子技术

28、基础（阎石 编 第五版）电子电路设计与实践（姚福安 编）电子设计线路与应用（臧春华 编）电子技术基础实验（陈大钦 编 第二版）电工、电子技术实习与课程设计（徐磊 杨铮 主编 第二版）电子技术课程设计（历雅萍、易映萍编）电子技术课程设计指导 （彭介华、主编高等教育出版社）电子线路设计、实验、测试（ 谢自美主编 华中理工出版社）数字电子技术实验指导书（湖南人文科技学院通信与控制工程系钟明生主编）电子技术应用技能技巧丛书（柳淳主编）电子制作技能与技巧中国电力出版社电子技术基础：模拟部分（第五版）（华中科技大学电子技术课程组编 康华光主编 高等教育出版社 2005）电子技术基础：数字部分（第五版）（华

29、中科技大学电子技术课程组编 康华光主编 高等教育出版社 2005）电子元器件与电子实习(马全喜主编 李晓慧 何怀明副主编 机械工业出版社 2007)电子技术课程设计指导（湖南大学 彭介华主编 高等教育出版社 1997）电子测试与故障诊断（ 美洛弗特G 齐德奇RS著 江庚和等译 华中工学院出版社，1986）总结一个星期过去了，意味着开放实验室项目结束，在这次实习中我学到，得到很多东西，课程设计的主要目的是培养学生综合运用所学知识,通过自己的亲身体验去发现，分析和解决操作过程中所遇到的种种问题,锻炼自己的动手能力和实际分析问题的能力，在这次的设计中我对此深有体会。 在拿到这个课题的时候大脑中一片空

30、白，毫无头绪，虽然我们在上学期学习了模拟电子技术，在这学期学了数字电子技术，然而在拿到这个课题的时候才发现理论知识与实践的区别，后来在老师的提示下，有了大概的设计思路，在书本上翻阅了每个设计所需要的芯片，明白及懂得每片芯片的作用及各个引脚的功能！接着和同学交流学习设计出电路图并通过EWB软件进行仿真，经过几天的努力，不断的修改与完善后终于得到了一个方案，虽然这个方案不是最佳的但是也是通过自己调试出来的，完成了PCB紧接着就是接线了，在这次课程设计中，这项工作是最难的。最开始是测试器件的好坏，验证器件没问题后就按图纸接线，在接的时候才发现困难重重，在一块小小的接线板上要接上七个芯片，每个器件有十

31、多个引脚，线多得让人眼花缭乱，更难的莫过于分辨其中得每个引脚，而实验用的导线引脚比插孔小很多，一不留神就会掉下来，接到后面是叫人心惊胆颤，生怕引线再掉下来，这就是在考验一个人的细心和耐心了。每次接完线后，满怀希望的去通电，得到的结果却不是理想的，不是十进制有问题就是脉冲不连续。这次设计使我更加懂得了自己所学知识是多么的有限，自己的各个方面都需要再加强。而我们要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践；才能使自己不被社会淘汰。在这次设计中，也要感谢同组的同学的帮助，相互讨论中也使我学习了他们不同的思考方式，训练了我的团队合作能力，使我明白了团体合作是很重要的。 在经历了多次失败后，渐

32、渐地总结出一些好的捷径，就是在接线时按整个电路划分的各个功能块逐一接线，接完一个功能块就给予测试通过了再接下一个功能块电路，这样做在接错线时能更好地排除故障。 课题的要求是根据优先级别依次输入四路信号并能逐个清除掉，而我们只实现的两路信号的输入和清除，虽说到最后我们这一组没能完全达到课题的要求，但我觉得最重要的不是结果，而是努力去做的这一过程，正因为这样就不会有太多得遗憾，毕竟自己经努力了，也解决了很多操作过程中出现的问题。这次试验就这样结束了，最后总结这次电子技术课程设计中，我受益匪浅，在接近两周的日子里，可以说得是困难重重，举步维艰，但是在操作过程中通过老师的指点，同学的交流，将遇到的问题逐一解决了，真的感觉到学会了很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的相关知识，更重要的是学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，要把所学的理论知识与实践相结合起来，总结出经验和规律，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，同时也感触到了团队协作精神的可贵。最后感谢邱红老师不辞辛苦对为我们的指导！附录总原理图