交通灯课程教学设计报告.doc

^` 摘 要 在今天的交通情况下，很多路口都出现拥堵和秩序混乱的情况，由此可见交通灯在生活中的重要性。我们本次课程设计的题目是交通灯控制器设计，要求设计并制作主/支交通信号灯控制器。我们小组成员通过共同交流和努力，完成了仿真图的设计、电路板的焊接、原理图的绘制。在由主干道和支干道汇成的十字路口，主、支道分别装有红、绿、黄三色信号灯，并完成数码管的置数。 通过本次课设，我们小组成员对数字电路的知识有了更深刻地了解。明白了在课设的各个阶段，我们都必须对元器件的原理非常了解。 目 录 1 设计内容及要求 1 2 方案论证 1 3 单元设计电路 2 3.1 总原理 2 3.2 控制电路 3 3.3 时钟产生电路 3 3.4 显示电路 4 3.5 器件 5 3.5.1可预置的十进制同步计数器74LS160 5 3.5.2 3 线－8 线译码器74LS138 5 3.5.3双时钟方式的十进制可逆计数器74LS192 (bcd,二进制) 6 3.5.4 七段码译码器CD4511 6 4 组装及调试 7 4.1 通电前检查 7 4.2 通电检查 7 4.2.1 555电路模块的检查 7 4.2.2 CD4511的检查 7 4.2.3 74LS192的检查 8 4.2.4 控制电路及相关门电路的检查 8 4.2.5 发光二极管的检查 9 4.3 结果分析 9 5 设计总结 10 5.1 体会 10 5.2 设计电路的特点和方案的优缺点 12 5.3 改进方法 12 参考文献、附录Ⅰ、附录Ⅱ 13 1 设计内容及要求 设计并制作主/支交通信号灯控制器。在由主干道和支干道汇成十字路口，主、支干道分别装有红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则停止行驶（给行驶中的车辆有时间停在禁行线以外）。具体要求如下： (1) 主、支干道交替允许通行。主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒。 (2) 由绿灯亮转换到红灯亮时，黄灯要先亮5秒。 发挥部分：用数码管显示计时时间。 注：用红、绿、黄发光二极管作为信号指示灯。 参考元器件：74HC160/161，74HC190/192，74HC02/08/10/11/21，74HC151/153，74HC138/139，CD4511，NE555。 提示：用Multisim软件验证电路设计是否正确，无误后再制作。 2 方案论证 通过计数器和译码器组成的控制电路来控制六个交通灯的各个状态；通过555电路来控制计数器的置数进而控制数码管的显示；通过计数器的反馈来触发脉冲实现控制电路对交通灯的重置。 方案一： 当接通电源后，通过74LS160和74LS138组成的控制电路的控制，数码管首先显示的示数为：主干道40，支干道45。此时主干道亮绿灯，支干道亮绿灯。555电路产生一个1Hz（相当于周期为1秒）的时钟信号，给74LS192双时钟计数器的减法计数端一个脉冲，让74LS192减法计数，当数码管显示为0时，反馈信号给74LS160，让它改变译码器的状态，进而控制交通灯，同时可以改变74LS192的置数。以此类推，可以实现主干道绿灯，黄灯，红灯，分别为40，5，25秒状态的改变；支干道红灯，绿灯，黄灯，分别为45，20，5秒状态的改变。 方案二： 原理与方案一相同，但是只有一个74LS192和CD4511。 综上所述，选用方案一，因为方案一主干道和支干道分开，显然在生活中更为常见。 总体方框图如下： 图2-1 总体方框图 3 单元设计电路 3.1 总原理 当接通电源后，通过74LS160和74LS138组成的控制电路的控制，数码管首先显示的示数为：主干道40，支干道45。74LS160计数器产生二进制00，01，10，11四个数字循环计数，让138译码器产生每个周期4个状态通过每个状态来决定主支路红绿灯的亮暗。此时主干道亮绿灯，支干道亮绿灯。555电路产生一个1Hz（相当于周期为1秒）的时钟信号，给74LS192双时钟计数器的减法计数端一个脉冲，让74LS192减法计数，当数码管显示为0时，反馈信号给74LS160，让它改变译码器的状态，通过74LS138译码器来显示出每个状态的时间给74LS192的输入端（相当于是192每次计数的初始值），进而控制交通灯，同时可以通过改变74LS192输出让主干道数码管的显示发生变化。 3.2 控制电路 图3-1控制电路 控制电路部分由数据选择器74LS160和译码器74LS138组成，74LS160计数器产生二进制00，01，10，11四个数字循环计数，让138译码器产生每个周期4个状态通过每个状态来决定主支路红绿灯的亮暗。 3.3 时钟产生电路 图3-2 时钟产生电路 555电路产生一个1Hz（相当于周期为1秒）的时钟信号，给74LS192双时钟计数器的减法计数端一个脉冲，让74LS192开始减法计数。 根据需要可知生成的波形为：频率1Hz 占空比为50% 通过公式 频率 f = 1/T =1/((R1+2R2)Cln2) = 1; 占空比 q = (R1+R2)/(R1+2R2); 通过两公式可计算出 ： R1 = R2 = 47K 欧； C = 10uF ； 3.4 显示电路 图3-3 显示电路 该部分电路由可预置的十进制同步计数器74LS160和数码管组成，通过数码管可以观察到电路的工作状态。 3.5 器件 3.5.1可预置的十进制同步计数器74LS160 图3-4 74LS160引脚图 D0- D3并行数据输入端 ，Q0-Q3 数据输出端 ENP、ENT为计数控制端，当它们同时为1时 ，160开始计数。 Load为同步置数控制端 ，当load为1是160置数。 MR为异步清零端 ，低电平有效。 CLK为时钟计数信号。RCO为进位输出端。 3.5.2 3 线－8 线译码器74LS138 图3-5 74LS138引脚图 A0~A2：地址输入端 STA（E1）：选通端 /STB（/E2）、/STC（/E3）：选通端（低电平有效） /Y0~/Y7：输出端（低电平有效） VCC：电源正 GND：地 A0~A2对应Y0——Y7；A0,A1,A2以二进制形式输入，然后转换成十进制，对应相应Y的序号输出低电平，其他均为高电平； 3.5.3双时钟方式的十进制可逆计数器74LS192 (bcd,二进制) 图3-6 74LS192引脚图 CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。 LD为预置输入控制端，异步预置。 CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。 CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出， BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。 3.5.4 七段码译码器CD4511 图3-7 CD4511引脚图 CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码-七段码译码器。 A0~A3：二进制数据输入端 /BI：输出消隐控制端 LE：数据锁定控制端 /LT：灯测试端 Ya~Yg：数据输出端 VDD：电源正 VSS：接地 4 组装及调试 4.1 通电前检查 （1）检查元器件是否正确放置； （2）检查每个元器件接地、接电源是否正确； （3）检查板子是否连通； （4）初步查线，看是否有漏焊和掉线的情况； 4.2 通电检查 4.2.1 555电路模块的检查 给电路板接上5V电源，一端接地，示波器的黑色线头接地，红色线头接555的3号引脚，如果示波器显示方波波形，且周期为1s，偏移量为2.5 v，峰值为5v，则表示555电路连接正确。 电路板刚接电源时，我发现按了一下555的开关后，数码管会跳动地特别快。经过查线后改动，开关可以起到对数码管暂停和启动的作用。 4.2.2 CD4511的检查 将数码管中间的引脚接地，然后加1.7V的电压，红色表笔碰其他引脚，即可调试。 我们的电路中共用到4个共阴极数码管，电路接通时，我发现其中有一个数码管有两个引脚不亮。经查线后发现，不亮是因为数码管坏了，由于我们在焊接数码管时没有在下面加底座。更换后，数码管显示的示数仍有问题，用万用表测量，发现数码管所接的限流电阻b、c、e三个引脚是连通的。后来才发现，由于我将电阻全部竖着焊接了，从电路板正面可以看出，电阻挨得太紧导致了短接。 由此可以看出，在焊接时一定要细心，最好不要因为焊接的问题影响电路的实现。 4.2.3 74LS192的检查 下图是每个状态时192置数的数字 表4-1 74LS192置数及状态对应表 状态 主路 支路 主路192 十位 主路192 个位 支路192 十位 支路192 个位 显示 显示 Q3 Q2 Q1 Q0 Q3 Q2 Q1 Q0 Q3 Q2 Q1 Q0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 绿灯 红灯 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 2 黄灯 红灯 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 3 红灯 绿灯 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 4 红灯 黄灯 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 在查线时发现有很多问题，进一步要把线往回查。我查线时，发现我的74LS192接线没有问题，然后我又接着查74LS138的线路问题。 4.2.4 控制电路及相关门电路的检查 我们的课程设计共用了1个74LS160，74LS138，2个74LS04,1个74LS00，1个74LS10,1个74LS32，但是电路中实际用到这些门电路的地方数量远远大于这些，所以我们在焊接时必须实现这些元器件的复用。 控制电路部分包括74LS160计数器和74LS138译码器，其中74LS160需要输出四个状态分别为00，01，10，00，接入到74LS138的输入端，此时74LS138需要显示对应的状态为011，101，110，111，如果不正确，则需要挨个查线。 查线时应该重点关注74LS138译码器的12，13，14，15这四根线，因为这四根线不仅通过门电路来控制交通灯的亮暗，还控制了74LS192的输入端。更重要的是，这四个引脚接线特别多，容易出现漏接的情况。 在检查74LS138译码器时，我发现其他的引脚接线正确并且正常，12，13，14，15这四个引脚出现了不少问题，焊接的线比较多也比较乱。最后在同组成员的帮助下把74LS138的查线改错完成。 74LS138是非常重要的控制电路，不但控制交通灯的状态，而且还掌握着74LS192的输入，可以说它是整个电路的关键。所以，对74LS138线路的查错纠错以及改错至关重要。 在检查过程中我还犯了一个特别低级的错误，首先发现74LS1602引脚输出的脉冲不正确，逐个排查后发现把74LS160在底座上放反了，导致接通电源后元器件特别烫，脉冲信号与理论值也有很大的误差。 图4-1 74LS32引脚图及真值表 上图所示是74LS32的引脚图及真值表，在查线时要特别注意各个输入输出的顺序，7接地，14接电源，每组输入输出要对应好。我在查线时发现74LS32接线容易出错，因为它既要与74LS192连接，又要与74LS160连接。在门电路中，它也是连接控制部分电路和显示部分电路的重要部件。 4.2.5 发光二极管的检查 测量的时候将万用表打到电阻档，表头放在二极管两侧，测量后改变方向，一侧为0，另一侧很大，则二极管完好，否则就正好相反。 在我的电路板焊接好后发光二极管都不亮，在置数部分电路检查修改完成后，我检查了发光二极管的连接情况，发现我在焊接发光二极管时，接地部分与电路板的接地圈没有连通。经修改后，发光二极管工作正常。 4.3 结果分析 本次课程设计应该达成的目标：通电后主干道依次为40秒绿灯，5秒黄灯，25秒红灯，支干道依次为45秒红灯，20秒黄灯，5秒红灯。 焊接后就是不停地查线，找错，修改，测试，检查完成后开始时置数仍有一些问题，但是74LS192的减法计数正常，交通灯显示正常。 我觉得测试的过程是比焊接和设计原理更考验人的一部分，需要我们非常熟悉原理，能够熟练运用万用表，示波器，信号发生器等仪器和仪表，这个过程提升了我的动手能力，让我的数电知识更加完善和系统。 焊接的电路板如下： 5 设计总结 5.1 体会 荀子说“不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之，学至于行而止矣，行之，明也。”由此可见，实践在学习过程中的重要性。 本次电子课程设计，正是将理论与实践相结合，给我们熟悉和巩固所学习知识的机会。我们小组所选的题目是交通灯控制器设计，这个题目也是与我们的日常生活息息相关。可以达到把我们平时所学的理论知识应用于实践，应用于生活的目的。 在设计电路图过程中，我们首先确定思路，又通过上网理清了基本电路的构成，通过我们全组的共同努力，完成了仿真图的设计。我们初始的图只有两个74LS192和两个CD4511数码管，经过老师的细心指导后，我们将2个改为4个，分清了主干道和支干道，使电路的结构和效果显示更加清楚。 在焊接电路板的过程中，我觉得这是最考验动手能力的一个环节。我觉得我的动手能力一直都有所欠缺，所以深知这点，我就比别人花了更多的时间在焊接上。由于我们交通灯的线也比较多，我只能更加努力地去提高自己的焊接水平。通过后期对电路的检查，我明白了，电阻如果竖着焊接的话，每相邻的两个电阻之间一定要有间隙，以防出现短接的情况。数码管的引脚一定要对应好，。像数码管，发光二极管这些元器件一定要记得加限流电阻，以防元器件被烧坏。 在调试过程中，防止板子短接和元器件被烧坏，首先要检查元器件是否正确放置；检查每个元器件接地、接电源是否正确；检查板子是否连通；初步查线，看是否有漏焊和掉线的情况。在我的电路板焊接好后发光二极管都不亮，在置数部分电路检查修改完成后，我检查了发光二极管的连接情况，发现我在焊接发光二极管时，接地部分与电路板的接地圈没有连通。经修改后，发光二极管工作正常。 通过这次课程设计，我们学会了很多新的知识，我们学会了用Multisim画仿真图。我们组用的74LS192，通过课设这段时间的学习，让我们对这个元器件有了进一步和更深层次地了解。 同时，课设也给了我们一个机会，让我们把实践和理论结合起来，让我们对所学的知识更加融会贯通。让我们明白了，我们所学的东西也可以和生活实际联系起来，明白了交通灯的基本原理。 我电路板刚通上电的时候，出现了很多问题，首先数码管显示的初始示数不对，减法计数出现问题。我们电路有四个数码管，有一个数码管有两个引脚不亮，有一个数码管不显示1和2，也不显示4和5。经过测试后发现，第一个数码管是因为自身元器件损坏。第二个数码管是因为接线错误导致，把接错的线更改好后发现数码管显示正常。刚开始的时候，发光二极管也是一个都不亮。经调试后发现，发光二极管开始状态时，主干道的绿灯，支干道的红灯不亮是因为发光二极管与接地端没有连通。 调试的过程，调试错误的时候很诅丧，调试正确时候很开心。在这个过程中，我的队友也给了我很多帮助，我们对原理和电路中用到的电路知识也更加熟悉，这次课程设计给了我很大的帮助。 本次课程设计不但让我学到了很多理论知识，还让我们同学之间更加团结，我们学会了团队合作要互相帮助。我们互相分享经验和教训，让我们的效率更高，成果更加明显。同时，这不仅是一种知识的学习，更是大大地提高了我们的学习能力，对我们主动学习的能力有了非常大的帮助。 我的电路板从一开始的诸多问题一步一步地减少，这个过程让我非常开心。当灯亮的一瞬间，我激动的心情无以言表，觉得自己的努力终于有了效果。 从这次课程设计中，我不仅了解了实践与理论之间的差异，同时也学到了更多的东西。它把平时抽象的理论知识具体化了。通过动手实践，我们的主动学习，我们对以前学到的和没学过但课程设计中遇到的电路知识非常熟悉。 这次课程设计能够顺利进行，非常感谢我的组员们，我们一起并肩战斗，为完成课程设计提高了效率。如果没有老师的指导，我不会知道调试时许多问题的解决办法。如果只是我一个人，这段期间我不会收获这么多的知识和提高能力。 5.2 设计电路的特点和方案的优缺点 电路控制部分选用74LS138和74LS192，显示部分选用74LS192和CD4511来实现，由555产生1Hz接入74LS192减法计数端的脉冲。 电路中门电路复用太多，74LS192重新置数经常出问题，555地方的开关经常不起作用。 5.3 改进方法 在可以做出结果的情况下，我们可以进一步完善电路，在555和74LS192连接的地方再多加改进，让这一部分的电路更加稳定。 参 考 文 献 [1]阎石.数学电子技术基础（第5版）.高等教育出版社.2013. [2]党宏社.电路电子技术实验与电子实训(第2版).电子工业出版社.2013. 附录I原理图 附录II元器件清单 器件名称 器件数量 备注 电阻 若干 330欧、360欧、47千欧 电容 1个 0.01uF 电容 1个 10uF 555 1个 74LS160 1个 74LS10 1个 CD4511 4个 74LS192 4个 74LS138 1个 74LS04 2个 共阴数码管 4个 74LS32 1个 74LS00 2个 LED 6个 分为红黄绿三种 电路板 1个 导线 若干 焊锡