中南大学电子课程设计样本.doc

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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。目 录1设计任务及指标 12交通灯控制电路分析 22.1交通灯运行状态分析22.2电路工作总体框图32.3方案比较33交通灯控制电路设计 43.1 电源电路43.2 脉冲电路 43.3 分频电路 63.4 倒计时电路63.5 状态控制电路 83.6 灯显示电路 93.7 总体电路图 114实验数据和误差分析 125课程设计的收获、 体会和建议136致谢 167参考文献 178附录 181 设计任务及指标设计一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路。要求如下: ( 1) 南北方向( 主干道) 车道和东西方向( 支 干道) 车道两

2、条交叉道路上的车辆交替运行, 主干道每次通行时间都设为30s、 支干道每次通行间为20s; ( 2) 东西方向、 南北方向车道除了有红、 黄、 绿灯指示外, 每一种灯亮的时间都用显示器进行显示( 采用倒计时的方法) ; ( 3) 在绿灯转为红灯时, 要求黄灯先亮5s钟, 才能变换运行车道; ( 4) 黄灯亮时, 要求每秒闪亮一次; ( 5) 同步设置人行横道红、 绿灯指示。 ( 6) 设计相关提示: 所设计的交通路口为一十字路口, 不涉及左右转弯问题。2 交通灯控制电路分析2.1 交通灯运行状态分析 交通灯控制电路, 要求每个方向有三盏灯, 分别为红、 黄、 绿, 配以红、 黄、 绿三组时间到

3、计时显示。一个方向绿灯、 黄灯亮时, 另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮, 循环往复, 每个方向顺序为绿灯、 黄灯、 红灯。交通灯的运行状态共有四种, 分别为: 状态0: 东西方向车道的绿灯亮, 车道, 人行道通行; 南北方向车道的红灯亮, 车道, 人行道禁止通行。 状态1: 东西方向车道的黄灯亮, 车道, 人行道缓行; 南北方向车道的红灯亮, 车道, 人行道禁止通行; 状态2: 东西方向车道的红灯亮, 车道, 人行道禁止通行; 南北方向车道的绿灯亮, 车道, 人行道通行; 状态3: 东西方向车道的红灯亮, 车道, 人行道禁止通行; 南北方向车道的黄灯亮, 车道, 人行道缓行; 4种状态循环往复

4、, 而且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。交通灯电路的具体运行状态框图如图2.1(人行道交通灯未标明)所示: 北图2.1交通灯运行状态分析图2.2 电路工作总体框图交通灯控制电路主要由以下几部分构成, 如图2.2所示, 有电源电路, 脉冲电路, 分频电路, 倒计时电路, (交通灯)状态控制电路, 灯显示电路。脉冲电路分频电路倒计时电路显示器状态控制电路灯显示电路电路电源电路供电图2.2 交通灯控制电路功能模块框图2.3 方案比较从交通灯控制电路功能模块框图可知在倒计时电路, 状态控制电路, 灯显示电路这三块电路产生设计分歧。因此实现交通灯控制电路能够有2种方案: (1)

5、先设计出让交通灯按4种状态循环变换的灯显示电路, 再经过灯的状态控制倒计时显示器的显示的功能; (2)先设计让倒计时显示器按规律运行的电路, 再经过倒计时电路的信号来控制交通灯按4种状态循环变换; 方案1, 2均符合设计的要求, 但经过具体实践和分析方案1显示电路需要比较多的芯片, 其电路不是太复杂, 可是过程比较繁琐。而方案2让显示电路来控制灯的发亮, 这样显示电路就不受其它信号的影响, 而且经过显示电路来控制交通灯的状态变换比较容易。综上所述, 选择方案2来设计具体的电路。3 交通灯控制电路设计3.1 电源电路电源电路主要由整流、 滤波、 稳压三部分组成, 用于供给数字电路的工作电源。整流

6、部分由变压器与整流桥KBP210G组成。220V、 50Hz的交流输入经过变压器之后, 输出9V、 50Hz的交流电压。该电压输入整流桥, 整流桥由四只整流二极管接成电桥的形式组成。整流桥输出8.1V的直流电压。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波, 由1mF的电容组成电容滤波电路。电容滤波电路简单, 负载直流电压较高, 纹波也较小, 适合负载电压较高, 负载变动不大的场合。稳压电路用于稳定电压的输出, 由三端集成稳压器L7805和电容组成。C2、 C3用来实现频率补偿, 防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰, C4用于减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。图3.1 稳压电

7、源3.2 脉冲电路利用555定时器为主组成多谐振荡器, 输出4Hz的矩型方波, 实现脉冲电路功能。555定时器的原理图如图3.2所示, 功能表如表1所示: 图3.2 555定时器原理图表1 555定时器功能表输入输出阀值输入()触发输入()复位()输出()放电管T00导通11截止10导通1不变不变组成的脉冲电路如图3.3所示: R2R1图3.3 脉冲电路根据功能表和电路图计算如下: 取R1=10kW, R2=10 kW, C=1.6uF。即可实现输出4Hz的矩型方波。值得注意的是, 在输出端接上了一个开关, 能够控制系统工作的开始和暂停。3.3 分频电路分频电路利用计数器74LS193来实现,

8、 根据上面计算取4分频, 即输出为端, 电路如图3.4所示: 时间脉冲图3.4 分频电路3.4 倒计时电路十字路口要有数字显示, 作为倒计时提示, 以便人们更直观地把握时间。具体为: 当某方向绿灯亮时, 置显示器为某值, 然后以每s减1的计数方式工作, 直至减到数为5和0, 十字路口绿、 黄、 红灯变换, 一次工作循环结束, 而进入下一步某方向的工作循环。根据题目的要求南北方向( 主干道) 车道和东西方向( 支 干道) 车道两条交叉道路上的车辆交替运行, 主干道每次通行时间都设为30s、 支干道每次通行时间为20s。也就是一个循环是50s, 如此先显示30s后显示20s倒计时, 然后再显示30

9、s倒计时, 以此类推。设计时采用两块74LS193, 一块是显示十位, 一块是显示个位。个位接成十进制, 从9开始倒计时, 当到达0时, 向高位发出一个借位信号, 再继续从9倒计时。一开始使十位数置数为3, 二进制为0011, 个位数为0, 二进制为0000, 此时个位产生一个借位信号给十位的脉冲输入端, 十位的74LS193芯片倒计时一次, 结合个位的设置, 电路从30开始倒计时。当主车道绿灯亮了25s, 倒计时也已经数到了5了, 此时, 个位显示5, 十位显示0, 主车道的绿灯熄灭, 主车道的黄灯开始倒计时闪亮5s, 当倒计时到0后, 个位芯片74LS193发出一个借位信号, 向高位借数,

10、 可是高位已经是0了, 按照要求此时十位应该是从0翻转2, 即二进制0010, 为了实现这功能, 经过研究十位的二进制数发现, 十位的二进制是从0011、 0010、 0001到0000计数完, 翻转为二进制0010, 然后从0010、 0001到0000倒计时, 当到0000后就结束一个循环, 又从0011开始新的一个循环。从二进制0011和0010两个不同的预置数, 发现能够用1个D触发器74LS74接成T触发器并把Q端接至十位倒计时的最低位来完成这个功能。高位产生借位信号时将Q端的信号置入, 当这个借位信号( 低电平) 消失后, 产生一个上升沿的脉冲信号, 使T触发器翻转然后保持, 下一

11、个借位信号来时就把此时的Q值置入( 此时Q值为原来的非, 即由0变1或由1变0) , 然后翻转。经过以上置数方式可实现0011和0010的交替置入。另外, 经过在特定时刻( 倒计时高位由0000变为0010后) 对T触发器进行清零, 可实现主次干道通行时间的调整。最后将电路的倒计时接到译码器74HC4511, 再接到共阴极数码显示管上显示十进制数字。据此画出倒计时电路如图3.5所示: 图3.5 倒计时电路3.5 状态控制电路如图2.1, 用倒计时控制灯的变化, 先将图示状态0、 1、 2、 3编码为00、 01、 10、 11, 当倒计时为30、 20、 5的时候产生一个信号给状态转换的电路,

12、 而这个信号是电平信号的话就很难实现, 因此又用了边沿触发, 此时用计数器表示状态, 取其低两位的计数态00、 01、 10、 11为灯的状态, 这样的话, 来一个边沿信号就能使计数器加一, 实现上述四状态转换。画出状态控制电路信号转换表如表2所示: 表2 状态控制电路信号转换表高位低位状态转换信号CP( ) 001100000010000000000101由表得出CP( ) 的表示式: 电路图如图: 控制脉冲图3.6 状态控制电路3.6 灯显示电路首先要把控制的脉冲接入计数器74LS193的非减数的脉冲端, 因为脉冲主要有四个, 四个为一个循环, 只取计数器的低位两位即可, 除了让计数器工作

13、的接入端需要接电平外, 其它端都不用接, 再将计数器的低两位接入译码器74LS138的低位两端, 从译码器输出四位、 、 、 信号, 低电平有效, 每一种低电平表示一种状态, 用、 、 表示主干道的绿灯、 黄灯、 红灯, 用、 、 表示支干道的绿灯、 黄灯、 红灯, 用、 表示主干道方向上的人行道, 用、 表示支干道上的人行道, 得出状态表如表3所示。表3 灯显示电路状态表状态译码信号主车道支车道主人行道支人行道 0011101 0 00 0 11 00 10111010 1 00 0 11 00 11010110 0 11 0 00 11 01101110 0 10 1 00 11 0由表得

14、个各个灯的表示式: =+=+=+=+=为了让黄灯能每s闪亮一次, 能够在黄灯那里加入一个与门, 把黄灯发亮的信号当成是与门的开通信号, 与门的另一端接入时间脉冲, 那么黄灯就能够实现每s闪亮一次的功能了。画出灯显示电路如图3.7所示: 红灯主车道绿灯红灯人行道行人道绿灯红灯黄灯红灯绿灯绿灯黄灯支车道时间脉冲控制脉冲图3.7 灯显示电路3.7 总体电路图根据上面各功能电路的设计整合, 用proteus仿真软件画出总体电路图如3.8所示: 图3.8 交通灯控制电路 4 实验数据和误差分析1电源电路: 表4 电源电路误差分析表理想值实验值误差电压输出5v5.04v0.8%结论: 与理想值相差微小,

15、原因为元器件本身问题, 符合设计要求。2 十字路口交通灯转换数据统计:表5 交通灯转换数据统计表次数主干道支干道20次绿黄黄红红绿绿黄黄红红绿正确正确正确正确正确正确结论: 干道交通灯转换无问题。3 人行道交通灯转换数据统计: 表6 人行道转换数据统计表次数主干道20次绿闪闪红红绿正确正确正确结论: 人行道交通灯转换无问题。4 调试中发现倒计时的过程中, 从20倒计时至00, 再变为30或是从30倒计时至00, 再变为20, 都有一瞬间有短暂的加快计数状态, 原来是一秒倒计一次, 但实际上可能是0.7s左右。结论: 这样的误差很小, 不影响整个系统的功能。5 课程设计的收获、 体会和建议致 谢

16、感谢学校给我们锻炼的机会, 感谢老师们的指导, 在组员们的努力下, 和同学们的互相帮助, 互相启示, 最终设计出电路来, 非常感谢在过程中帮助过我们的每一个人! 在电路设计和论文写作的过程中, 得到了许多同学的宝贵建议, 同时还得到她们的支持和帮助, 在此一并致以诚挚的谢意。 最后, 向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢! 参 考 文 献1康华光.电子技术基础模拟部分.第5版.北京: 高等教育出版社, .485-5002康华光.电子技术基础数字部分.第5版.北京: 高等教育出版社, .1-4303刘明丹. 基于数字电路对交通灯控制的研究与设计. 实验技术与管理. , 22(6): 03-064任中民. 交通灯数字控制系统的电路设计.辽宁省交通高等专科学校学报. , 7(2): 45-465陈宗梅. 交通灯控制系统电路设计. 重庆职业技术学院学报. , 14(2): 124-125附录一 交通灯控制电路附录二 各芯片引脚图 74LS193 74LS138附录三 电子元器件清单元器件数量开关3发光二极管102 位共阴极数码管214 脚管脚916 脚管脚724 脚管脚28 脚管脚1可调电阻( 10k) 1555 计数器174LS193474LS0444511274LS00274LS74174LS138174LS32174LS201导线 电阻 电容若干