数电课程设计__交通灯seraph.pdf
数字电子技术基础数字电子技术基础课程设计报告课程设计报告专专业：业：电气工程及其自动化电气工程及其自动化班班级：级：0808 电气本科班电气本科班学学号：号：姓姓名：名：指导教师：指导教师：二零一零年十二月二十三日二零一零年十二月二十三日数字电子技术课程设计课程设计（论文）题目：交通灯控制器设计、制作交通灯控制器设计、制作一、课程设计（论文）要求及原始数据（资料）：1）每个方向有两对灯，分别为红、绿。2）每个方向的绿灯、红灯的定时时间可以预设，一个方向绿灯亮时另一个方向红灯亮。定时时间用数码管显示，红绿灯指示用发光二极管。3）绿灯、红灯顺序点亮，循环往复。4）控制器要自带时钟，为了时钟精度和得到占空比为50%的标准 1 Hz 时钟，最后的时钟通过分频得到。时钟脉冲源可以利用555 电路或晶体振荡器产生。计数器使用 CD4516，74161，74390。如使用晶体振荡器需用到CD4060 芯片。写设计报告二、课程设计进度：时间第一、二天第三、四天第五、六天第七、八天第九、十天设计内容表 1三、主要参考文献（资料）：1 董儒胥，电工电子实训，北京：高等教育出版社，2002 年2 谢克明，电子电路 EDA，北京：兵器工业出版社，2001 年3 阎石，数字电子技术基础北京：高等教育出版社，2006 年4 陈明义主编 电子技术课程设计指导中南大学出版社，2002 年1备注数字电子技术课程设计专业班级学生课程设计（论文）工作起止日期指 导 教 师 签 字日期教研室主 任审查 签字日期系 主 任 批 准 签 字日期课程设计评语：课程设计成绩：2数字电子技术课程设计总总目目录录第一部分：任务书第一部分：任务书第二部分：课程设计报告第二部分：课程设计报告第三部分：设计图纸第三部分：设计图纸3数字电子技术课程设计第第 一一 部部 分分任任务务书书4数字电子技术课程设计一、课程设计的目的一、课程设计的目的本课程是在学完数字电子技术基础、数字电子技术实验之后，集中一周时间，进行的复杂程度较高、综合性较强的设计课题的实践环节，通过该教学环节，要求达到以下目的：1.使学生进一步掌握数字电子技术的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力；2.使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力；3.熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。二、课程设计的要求课程设计的要求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；4.按时完成设计任务并提交设计报告。三、设计题目及内容三、设计题目及内容交通信号灯控制器交通信号灯控制器（1）、用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。（2）、南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别为20 秒、4 秒、24 秒，一次循环为 48 秒。黄灯是间歇闪耀。设计计时显示电路(减“1”计数)。（3）、可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。四、设计要求四、设计要求1、用中小型规模集成电路设计出所要求的电路；2、在实验箱上安装、调试出所设计的电路。3、部分课题要求用可编程逻辑器件（FPGA/CPLD）设计实现；4、在 EDA 编程实验系统上完成硬件系统的功能仿真。5、写出设计、调试、总结报告。五五、器件与器材、器件与器材1、二输入四与非门2、四输入双与非门3、六倒相器74LS0074LS2074LS0474LS304、八输入与非门5、正沿双 D 触发器74LS745数字电子技术课程设计6、3 线-8 线译码器74LS1387、可逆移位寄存器74LS1948、同步十进制可逆加、减计数器(8421 BCD 码)74LS1929、同步十进制加法计数器74LS16010、振荡分频器CD406074LS4811、BCD 七段显示译码器12、双四选一数据选择器74LS15313、八线驱动器74LS24414、555 定时器55515、LED 共阴七段数码管BS20716、石英晶体(4M、2 M、32768 HZ)17、微动开关、拨盘开关、继电器、LED(红、绿、蓝)、电阻、电容、二极管、三极管、光敏二、三极管、导线等。22、工具(镊子、剪刀、万用表、电烙铁)六、使用仪器设备六、使用仪器设备1、稳压电源(5V，15V)；2、实验电路箱；3、低频信号发生器；4、示波器5、PC 机（装有 MAX+PLUSII软件）；6、GW48 EDA 编程系统等。七、参考文献七、参考文献1、“模拟电子技术基础”和“数字电子技术基础”教材；2、有关“电子技术课程设计指导书”；3、“集成电路特性应用手册”；7、EDA 技术使用教程8、其他。八、设计总结报告主要内容八、设计总结报告主要内容1、任务及要求；6数字电子技术课程设计2、方案特点；3、各组成部分及工作原理(应结合框图写)；4、单元电路设计与调试；5、总逻辑图；6、总装配图；7、实验仿真结果；8、实验结果分析(画出必要的波形，进行测量精度和误差分析)；9、调试中出现问题的解决；10、改进意见及收获体会等。7数字电子技术课程设计第第 二二 部部 分分课课程程设设计计报报告告8数字电子技术课程设计目目录录1 1 设计任务及要求设计任务及要求.（11）2 2 系统总体设计方案系统总体设计方案.（12）2.1 总体设计方案.（12）2.2 方案特点.（12）3 3 控制电路设计控制电路设计.（13）3.1 控制电路工作原理.（13）3.2 参数计算.（13）3.3 器件选型.（15）4 4 振荡电路设计振荡电路设计.（16）4.1 振荡电路工作原理.（16）4.2 参数计算.（16）4.3 器件选型.（16）5 5 计数电路设计计数电路设计.（17）5.1 计数电路工作原理.（17）5.2 参数计算.（17）5.3 器件选型.（17）6 6 译码显示电路设计译码显示电路设计.（18）6.1 译码显示电路工作原理.（18）6.2 参数计算.（18）6.3 器件选型.（18）7 7 系统总体电路设计系统总体电路设计.（19）7.1 系统总体电路.（19）7.2电路说明.（20）8 8 电路调试电路调试.（21）8.1 振荡电路调试及实验结果分析.（21）8.2 计数电路调试及实验结果分析.（21）8.3 译码显示电路调试及实验结果分析（21）8.4 控制电路调试及实验结果分析.（21）8.5 系统联调及实验结果分析.（21）9数字电子技术课程设计9 9 改进意见及收获体会改进意见及收获体会.（22）1010 器件明细清单器件明细清单.（23）参考文献参考文献.（23）10数字电子技术课程设计1 1 设计任务及要求设计任务及要求1.设计并制作交通灯控制电路；2.电路功能为：（1）采用两位数码显示器显示南北方向时间；（2）交通灯控制器设计要求如下：1.用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。2.南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别为20 秒、4 秒、24 秒，一次循环为 48 秒（图 1）。黄灯是间歇闪耀。设计计时显示电路(减“1”计数)。3.可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。图图 1 1 设计草案设计草案11数字电子技术课程设计2 2 系统总体设计方案系统总体设计方案2.12.1 总体设计方案东 西 方 向 信 号 灯南 北 方 向 信 号 灯译码驱动电路传感器主 控 制 器时钟信号计时器图图 2 2 总体设计方案总体设计方案2.22.2 方案特点道路较窄而车辆通行较多，支线、干线的车辆通行时间不等，允许人工监控或修改各线通行时间，同时设有道路应急控制。十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间，并且能够在人监控状态下，干道、支道通行时间通过键盘修改或通过开关人为控制。本设计在很多方面，比如译码器的选择，定时器选型，程序调用方式等等尽量做到不与本组其他成员雷同，程序编制力求简便清晰，硬件连接图在保证每根具体用到的管脚线都能被表示出来的同时，力求线路连接清晰明确，尽量不使线与线之间过于缠绕。并且保证了电路工作的稳定性，同时加入了人工控制线路，可以更好的处理应急事件（如交通管制），晚上的黄灯闪烁对于夜间行驶的汽车起到提醒作用。12数字电子技术课程设计3 3 控制电路设计控制电路设计3.13.1 控制电路工作原理它由 74LS164 组成扭环形 12 进制计数器，然后经译码后，输出十字路口南北东西二个方向的控制型号。其中黄灯信号须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿红灯灭。3.23.2 参数计算由波形图 3 可知，计数器每次工作循环周期为 12，所以可以选用 12 进制计数器。计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。这里我们选用中规模74LS164 八位移位寄存器组成扭环形 12 进制计数器。扭环形计数器的状态如表 2 所示。图图3 3 控制电路波形图控制电路波形图13数字电子技术课程设计t01234567891011计数器输出南北方向东西方向EWGEWY000000111110000000000001EWR111111000000Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5NSGNSYNSR000000100000110000111000111100111110111111011111001111000111000011000001111110000000000001000000000000111111表表 2 2 扭环形计数器状态表扭环形计数器状态表根据状态表，我们不难列出东西方向和南北方向绿黄红灯的逻辑表达式：东西方向绿：EWG=Q4Q5黄：EWY=(Q4)Q5红：EWR=(Q5)南北方向绿：NSG=(Q4)Q5黄：NSY=Q4(Q5)红：NSR=Q5由于黄灯要求闪耀几次，所以用顶时标1s 和 EWY 或 NSY 黄灯信号相“与”即可。14数字电子技术课程设计3.33.3 器件选型74LS164、74LS11、74LS08、74LS32、74LS0474LS16474LS164引出端符号（图 4）CLOCK时钟输入端CLEAR同步清除输入端（低电平有效）A，B串行数据输入端Qa-Qh输出端逻辑图：图图 4 4 74LS16474LS164 接脚图接脚图15数字电子技术课程设计4 4 振荡电路设计振荡电路设计4.14.1 振荡电路工作原理石英晶体秒脉冲源由 CD4060 和晶体、电阻、电容网络构成，电路如图所示。CD4060 内部含有构成振荡器的门电路。通过外接元件构成了一个振荡频率为32.768kHz 的典型石英振荡器。该脉冲源的输出直接接到 14 级计数器，在输出端 Qa可以得到 0.5s 脉冲（32768/214=2Hz）。这种电路常用于电子表、电子钟及其它定时设备（图5）。图图 5 5 秒脉冲信号发生器秒脉冲信号发生器4.24.2 参数计算并联在两个反相器输入、输出间的电阻 R 1、R 2 的作用是使反相器工作在线性放大区，R 1、R 2 的阻值，对于 TTL 门来说通常取 0.7 2K ,而对 CMOS 门来说则常取 10 100M。电容 C 1 和 C 2 用作反相器间的耦合，它们的容抗在石英晶体的谐振频率 f0时，可以忽略不计。从上图可知，石英晶体在串联谐振频率附近的选频特性非常好，只有频率 f0的信号容易通过，而其它频率的信号均会被晶体所衰减。因此，一旦合上电源，振荡器只有 f0频率信号通过，不断放大，而有稳定输出。16数字电子技术课程设计4.34.3器件选型CD4060、电阻 10k、石英晶体(32768 HZ)5 5 计数电路设计计数电路设计5.15.1 计数电路工作原理当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的 74LS192 以减法计数器方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯信号（EWR=0），使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮，使另一方向东西方向减法计数器开始工作。在减法计数器开始之前，由黄灯亮信号使减法计数器先置入数据，图中接入LD 的信号就是由黄灯亮（为高电平）时，置入数据。黄灯灭（Y=0），而红灯亮（R=1）开始减计数。5.25.2 参数计算由实验要求可以设置计数器初始值，由两个 74LS168 共同设置成 24 并随着秒脉冲依次下降。5.35.3 器件选型74LS192、74LS08、74LS0474LS19274LS19274LS192 是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下图 6 所示：图图 6 74LS1926 74LS192 结构图结构图17数字电子技术课程设计图中：PL为置数端，CPU为加计数端，CPD为减计数端，(TCU)为非同步进位输出端，(TCD)为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3 为计数器输入端，MR 为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3 为数据输出端。6 6 译码显示电路设计译码显示电路设计6.16.1 译码显示电路工作原理显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用 74LS48 BCD 码七段译码器，显示器用 LC5011-11共阴极 LED 显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如 74LS168、74LS193 等。6.26.2 参数计算根据实验要求，译码显示电路注意的就是接线，拐脚一定要对应正确 否则会出现乱码等情况。6.36.3 器件选型：LC5011-11、74LS4874LS4874LS48 译码器（图译码器（图 7 7）图图 7 74LS487 74LS48 接脚图接脚图18数字电子技术课程设计7 7 系统总体电路设计系统总体电路设计注：74LS248 用 74LS48 代替，74LS168 用 74LS192 替代。图图 8 8统总体电路统总体电路19数字电子技术课程设计7.27.2 电路说明交通灯控制系统功能图它主要由减法计数器、步骤控制器、置数逻辑电路和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。其中控制部分由 74LS164 组成扭环形 12 进制计数器，然后经译码后，输出十字路口南北东西二个方向的控制型号。其中黄灯信号须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿红灯灭。当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS168以减法计数器方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯信号（EWR=0），使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮，使另一方向东西方向减法计数器开始工作。显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用74LS48 BCD 码七段译码器，显示器用LC5011-11共阴极 LED 显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。当开关 K3处于夜间模式时，南北与东西方向的黄灯会闪烁，这样对于夜间行驶的车辆起一个警示提醒作用。对于手动控制部分，对于临时调整红绿灯情况有了很好的解决。电路里面的秒脉冲可以使用振荡电路获得，此次实验直接使用了实验箱提供的1Hz 的方波信号。对于电路中替换的电路元器件使用方法和原器件基本上不变，完全可以参照电路图实现。20数字电子技术课程设计8 8 电路调试电路调试8.18.1 振荡电路调试及实验结果分析实验所用秒脉冲直接使用了实验箱上 1Hz 信号（产生方法如上面讲的产生方法），通过分频器实现信号周期的变化，用以提供电路信号。8.28.2 计数电路调试及实验结果分析观察数码管的显示情况，如果 24 循环过后回复的话，说明计数正常。如果出现问题：1.显示最大数不对，是由于 74LS192 置数端不对，初始值错误2.如果显示乱码原因可能是由于与译码器接口不对。3.如果计数器不工作（不倒计时）可能原因可能是电路连接错误，注意查线，保证线路的正确性。8.38.3 译码显示电路调试及实验结果分析观察数码管的显示情况：出现乱码或无数值，检查接口 74LS48 和 74LS192 以及数码管对应是否正确。如果数码管无任何显示，可能原因是共阴极没有接地。8.48.4 控制电路调试及实验结果分析用观察电路左半部分电路的红绿黄灯的时间，符合要求说明控制电路正常工作。并且要保证夜间模式时，黄灯处于规律闪烁状态。如果出现灯闪烁频率不对，检查秒脉冲是否正常。如果灯不闪或不亮，需检查电路，看是否电路连接正确。8.58.5 系统联调及实验结果分析统一左半部分红绿灯的闪烁时间与颜色和右半部分的数码管的倒计时显示，对应正确说明电路正常，如果不对应或某一部分过快，检查各集成块初始值设置和秒脉冲分频是否正确。如果红绿灯时间不正确，看分频器连接是否正确。21数字电子技术课程设计9 9 改进意见及收获体会改进意见及收获体会缺陷：红黄绿灯亮的时间不是很准确，主要是分频器的原因，此次设计使用的是两个二分频器，秒脉冲信号周期变为四倍。改进：使用三进制计数器，每三秒给 74LS164 一个上升沿信号体会：经过一周的努力，我终于完成了电子课程设计交通灯控制电路系统。通过这次电子技术课程设计,使我对数字电子技术在实践中的应用有了更深刻的理解。通过该课程设计，把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。通过一周不断的查找资料的过程让我积累了很多实际操作经验，已初步掌握了数电的应用技术，以及数字电路的知识和有关器件的应用。我深刻地体会到数字电子技术对当代社会发展的重要作用。在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐.这次数电课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高：1、提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。另外，我们还更加充分的认识到，数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性 2、查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。3、相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，比如电路设计中的分频器的设计，开始并不理解分频器的原理，但是和其他的专业同学讨论后，理解了分频器的基本原理后，很快的设计了电路原理图。经过这次课程设计，我学到很多东西。社会的不断发展电子产品使我认识到我现在所学的知识还远远不够，在实际操作应用中有些问题还不能解决，所以我要在今后的学习中更加努力，学好自己的专业知识以充实自己，来适应日新月异的现代社会。22数字电子技术课程设计1010 器件明细清单器件明细清单1.集成电路：74LS74、74LS164、74LS192、74LS248、BS207、CD40602.门电路 74LS11、74LS08、74LS32、74LS043.显示：LC5011-11，发光二极管（三色）4.电阻10k石英晶体(32768 HZ)5.双掷开关参考文献参考文献1 阎石主编数字电子技术基础（第四版）北京：高教出版社，20002董儒胥，电工电子实训，北京：高等教育出版社，2002 年3 阎石，数字电子技术基础北京：高等教育出版社，2006 年4 陈明义主编 电子技术课程设计指导中南大学出版社，2002 年23
