电子课程设计实验报告.docx
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电子课程设计实验报告
摘要
设计工作是设计简易的交通灯，设计中利用NC555多谐振荡器产生一个周期为1秒的信号，经过六级分频（用74LS90实现）器产生6秒脉冲从而驱动计数器74LS161，再经过一些门电路74LS08、74LS04、74LS32、74LS11等将红、绿、黄灯亮按照要求显示出来。
另外经由减计数（74LS192）、译码（74LS47）、显示（共阳数码管）将剩余时间显示出来。
关键字：
交通灯、多谐振荡器、计数器、控制器、译码器、显示器
前言······························································1
第一章设计内容及要求············································2
第二章系统设计方案选择·········································3
2.1方案一和方案二·············································3
2.2方案比较··················································4
第三章系统组成及工作原理······································5
3.1系统组成···················································5
3.2工作原理···················································5
第四章单元电路设计·················································7
4.1多谐振荡器·········································7
4.2六分频器··············································8
4.3计数器················································8
4.4控制以及显示部分········································9
4.5倒计时显示········································10
4.5.1计数部分····································11
4.5.2译码及显示部分·····································11
第五章设计、调试及测试结果与分析································13
5.1实验安装················································13
5.2电路调试················································13
5.3电路调试时遇见的问题以及解决方法·························13
5.4设计改进·································14
5.4.1电路缺点·································14
5.4.2电路改进·································14
结论··························································15
参考文献·····················································16
附录·····················································17
前言
电子课程设计是电子技术课程的实践性环节之一，是对所学的电子技术基本理论知识的综合运用。
课程设计是根据某一课题技术指标或逻辑功能的要求，进行电路的独立设计，实验安装，调试，改进和写出实验总结报告。
根据这次课程设计的内容和要求，首先进行整体方案的构思，通过在图书馆和网上查找资料以及自己对一些知识的掌握，经过分析和比较，选取一种可行性高、电路相对简单的方案。
此设计中选用了比较常见的元器件来构成各单元电路，选取所需的原件后，对各单元电路的参数进行了计算，然后进实验室进行电路的安装和调试。
在实验室里进行几天的电路安装和调试期间还进行部分方案的修改和改进，最后实现了课程设计及的大部分内容任务。
但此方案还有些地方不够完善和不妥之处。
伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高,汽车的数量越来越多，单单依靠人力来指挥交通已经不可行了，所以，设计交通灯来完成这个需求就显的越来迫切了。
为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地通过，往往采用电子控制的交通灯信号来进行指挥。
第一章设计内容及要求
【基本要求】：
用数字电路实现下面的功能
（1）南北向绿灯亮，东西向红灯亮30秒；
（2）南北向黄灯亮，东西向红灯亮6秒；
（3）南北向红灯亮，东西向绿灯亮30秒；
（4）南北向红灯亮，东西向黄灯亮6秒。
【提高要求】：
（1）要求显示剩余时间；
（2）增加拐弯时序；
（3）增加自动夜间开关功能，黄灯亮（利用光敏三极管）；
（4）增加手动控制功能，方便盲人通过。
【主要参考元件】:
74LS90、74LS164、74LS00、74LS08、CC40192、CC4513
第二章系统设计方案选择
2.1设计方案
方案一：
此方案设计框图见图2.1.
图2.1方案一设计框图
方案二：
此方案设计框图见图2.2.
图2.2方案二设计框图
2.2方案选择
方案一：
其特点是采用了多级分频器，因此多谐振荡器的振荡周期比1S要小得多，容易测量且比较准确。
且在正常工作情况下，分频器的分频系数N为一确定的值，与温度等其他因素无关。
但其有缺点：
（1）电路构造比较复杂，即所需器件比较多，使最后输出电压降低；
（2）此方案中无清零部分，接通电源的瞬间，显示器的状态具有随机性。
方案二：
与方案一相比，其特点是采用了六级分频器使显示器的状态减少了。
电路和方案一相比也要简单的多，并加入了清零装置。
但此电路也有一定的缺点，主要是在多谐振荡器要是周期为1S的信号，而实际上比较难测量的那么准确。
通过以上对于两个方案的比较，很容易可以看出方案二明显优于方案一，故选择方案二作为设计方案。
第三章系统组成及工作原理
3.1系统的组成
本系统由多谐振荡器、六级分频器、计数器、控制器、倒计时显示、红绿灯显示器和手动清零预置部分组成。
系统总电路框图见图3.1：
图3.1设计电路框图
3.2工作原理
图3.2为交通灯工作时序图，由图2.1可知，假设每个单位时间t为6秒，则南北方向通车时，南北方向的绿灯、黄灯和东西方向的红灯亮的时间分别为30秒、6秒和36秒，一次循环为36秒。
同理可以得出东西方向通车时灯亮情况。
图3.2交通灯工作时序图
计数器每工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。
计数可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。
本文选用中规模74LS161加计数器构成12进制计数器。
画出状态表。
根据状态表，画出卡诺圈，列出东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式。
设计时，该控制电路利用555计时器组成一个多谐振荡器，产生CP秒脉冲。
再经过一个六分频器（74LS90），将秒脉冲分频成周期为6S的信号。
经过分频后的脉冲再通过计数器（74LS161）和控制电路（主要由门74LS00、74LS08、74LS04、74LS32、74LS11等构成）控制红绿灯亮和黄灯亮的时间。
而灯亮剩余时间的显示部分是通过计数器（74LS192）组成的减法器、译码器（74LS47）、电阻和数码管来实现的。
手动清零预置部分则是根据控制器工作的原理和红绿灯亮是管脚的高低电平来设置的，利用开关来实现。
第四章单元电路设计
4.1多谐振荡器
图4.1多谐振荡器
多谐振荡器是将555定时器的V1和V2连在一起，然后将V0经RC积分电路接回输出端。
充电回路是通过电源Vcc经R1、R2对C进行充电，放电过程是C经过R2进行放电。
所以振荡周期为：
T≈0.7C（R1+2R2）C
【元件参数】R1=R2=47Kohm，C2=0.01uFVcc=5V，C=10uF
根据T≈0.7（R1+2R2）C，要使T=1S，则R2应该串联一个电阻5Kohm的滑动变阻器微调。
电路图如图4.1所示。
4.2六分频器
图4.2六分频器
将纽环计数器74LS90的第12输出端反馈到移位输入端1构成分频器，由于反馈有第3位输出，故N=2*K=6。
构成六分频电路，电路如图4.2所示，其中14脚为输入端，2脚为输出端。
4.3计数器
设计要求中，红绿灯需要72秒才能进行一次循环，即：
需要12个六分频器的输出信号即可完成该循环因此74LS161应该接成12进制计数器，接法如图4.3所示。
其中74LS161的2脚接74LS90的8脚作为74LS161的CP。
图4.3计数器
4.4控制及显示部分
计数器输出与红绿灯译码部分的关系真值表，如下表4.1所示：
表4.1状态表
t
计数器输出
南北方向
东西方向
A
B
C
D
NSG
NSY
NSR
EWG
EWY
EWR
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
2
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
3
0
0
1
1
1
0
0
0
0
1
4
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
5
0
1
0
1
0
1
0
0
0
1
6
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
7
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
8
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
9
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
10
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
11
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
注：
其中计数器的输出ABCD为从高位到低位顺序
根据状态表1，画出卡诺圈，不难列出东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式，如表4.2所示：
表4.2各灯的逻辑表达式
南北方向
东西方向
红
NSR=EWY+EWG
EWR=NSY+NSG
黄
NSY=B
D
EWY=ACD
绿
NSG=
+
EWG=A
+BC+AC
由表达式很容易画出电路图如图4.4所示
图4.4控制电路
由于仿真空间有限，而东西方向的红灯就是南北方向的绿灯和黄灯相或，同理南北方向的红灯就是东西方向的绿灯和黄灯相或，所以仿真的时候并没有将这两个显示出来。
但是在实际安装的时候要做这两个灯。
显示部分是接一个阻值为1Kohm的限流电阻再和发光二极管的正极串上，发光二极管的负极接地。
电路图比较简单，电路图略。
4.5倒计时显示部分
此部分由计时器、译码部分、数码显示部分组成。
时间显示控制部分实际上是一个定时控制电路。
电路的初值设置为36，每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”再回到36循环。
采用计数器74LS192和BCD－七段锁存/译码/驱动器74LS47驱动八段共阳LED数码管。
例如：
当东西方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为36，南北方向此时为红灯，并使数显计数器开始减“1”计数。
当减法计数到东西方向绿灯灭而黄灯亮时，数码管显示的数值应为6，当减法计数到“0”时，东西方向黄灯灭，而南北方向由红灯转换成绿灯亮；同时，使得东西方向的红灯亮，并置东西方向的数码管的显示为36。
4.5.1计数部分
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”停止。
译码显示可用74LS47驱动八段LED共阳数码管，计数器采用可预制加、减计数器，如74LS192。
低位所需脉冲由秒脉冲提供，高位所需脉冲由低位借位信号提供，置数信号由两个借位相或得到，使得置数值为36。
红绿灯亮30S（即：
00110110到00000110），红黄灯亮6S（即：
00000110到00000000）做循环。
其真值表如表4.3：
表4.3灯亮真值表
SNR
SNH
SNG
EWR
EWH
EWG
状
态
高位
低位
D
C
B
A
D
C
B
A
0
0
1
1
0
0
开始
0
0
1
1
0
0
0
0
结束
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
开始
0
0
0
0
0
1
1
0
结束
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
开始
0
0
1
1
0
0
0
0
结束
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
开始
0
0
0
0
0
1
1
0
结束
0
0
0
0
0
0
0
0
4.5.2译码部分及显示部分
译码和显示部分电路图如图4.5所示。
图4.5译码显示电路
注：
由于仿真软件中只有共阴数码管，所以图中数码管显示的亮的实际上是不亮，而图中不亮的才是实际上亮的，即图上显示的应该是31。
第五章设计调试及测试结果与分析
5.1电路安装
（1）电路板的布局在保证电路的功能和性能指标的基础上，还考虑了电路的工艺美观，方便调试，连接导线简单等因素。
（2）按照信号的流向进行焊接，方便检查；万一哪里有问题可以按照信号流向进行检查。
（3）对电路焊接完了之后在确定电路没错，电路没有短路的时候插入芯片并且通电进行调试。
5.2电路调试
根据电路的结构特点，先进行了分块调试，然后再整机联调。
在进行调试前，首先检查各个芯片的电源、地线是否连接正确，以免通电后，损坏芯片，在确保连接无误后，接通电源，进行各个模块的调试。
各个模块分布调试正确无误之后，按照信号的流向，观察各单元电路的信号关系和动态变化，进行了整机联调，出现问题后最方便的方法是针对错误时候的情况按照信号流向进行检查，特别是检查接线是否错误或者芯片是否损坏等，经调试实现了基本功能。
5.3电路调试中遇见问题及解决方法
1.显示剩余时间的时候出现显示剩余时间是第一次是显示36，而以后都是显示26。
经过理论分析发现是两个74LS192在置数的时候不同步，因为开始的时候置数是用的高位的借位，发现问题之后就用了高位和地位的借位想或而产生置数信号，解决了问题。
2.灯一直不会改变，就是固定的南北方向的绿灯和东西方向的红灯亮。
开始以为是74LS161没有CP。
经检查发现74LS16有CP进入，经过检查发现原来是74LS161的电源正极有一个虚焊而导致161没有加电而不工作，自然灯亮不会产生变化。
3.每次黄灯亮的时间是绿灯的亮的时间的1/5，但是时间不是6S和30S。
猜测是555产生的信号不是周期为1S的信号，用示波器接到555的3脚，调到1S的那档，调节滑动变阻器使得出来的信号一个周期刚好是一格，说明是1S的信号。
4.数码管显示的没有亮，而在74LS192的输出端都有高低电平变化。
猜测是实验室拿到了共阴的数码管而实际却当共阳的接（公共端接了高电平），导致发光二极管一直不导通所以不会亮。
所以换了一个共阳的数码管，解决了这个问题。
5.电路竞争冒险现象的测试。
由于数字逻辑电路的设计可能伴随着竞争冒险现象，会影响系统的稳定性，因此，进行测试是必要的。
最简单的方法是用示波器观察电路的输出端是否会产生尖脉冲。
经测试设计的电路不存在竞争冒险现象。
.
5.4设计改进
5.4.1设计缺点
该设计的主要主要缺点是只显示了红灯的剩余时间，并不能表示绿灯以及黄灯的时间，但是要是显示出黄灯和绿灯的时间则大家都知道红灯的时间。
而且此设计在门电路上比较复杂，比较难焊接。
5.4.2电路改进
电路可以用另外一种方案设计使得电路更加的实用。
主要就是用74LS245，用于BCD码的传输，主要是依靠使能端使得有的有用有的没有用，例如在绿灯和黄灯转换时，应该传输的BCD码是6表示黄灯剩余时间，传输的BCD码用于控制74LS192的初始值使得显示出倒计时。
而在黄灯和红灯转换的时候应该显示的是30，同理。
所以应该用两个74LS245传输。
而可以用74LS192的借位作为控制端控制74LS161，使得有4个状态00，01，10，11（表示南北向绿灯、东西向红灯亮，南北向黄灯东西向红灯亮，南北向红灯、东西向绿灯亮，南北向红灯、东西向黄灯亮）。
通过一些简单的门电路能够实现灯亮的变化。
而且可以通过一定的门电路实现控制74LS245的使能端，使得实现功能。
结论
本设计完成了本要求和一些提高要求。
本次设计不止让我们有了理论的想法，而且还有实际的动手去焊接，去调试，使电路更加完善，从而使理论和实际和好的结合起来，锻炼了发现问题和解决问题的本领。
通过这种综合训练，使得初步掌握电路设计的基本方法，也能提高动手组织实验的基本技能，为以后进行的学习，设计，实际工作打下良好的基础。
参考文献
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高等教育出版社.1992
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西北工业出版社.2004
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[5]粱德厚.数字电子技术及运用[M].北京:
机械工业出版社.2005
[6]阎石.数字电子技术基础[M].北京:
高等教育出版社.2005
附录
元件清单
序号
名称
型号
数量
0
定时器
555
1块
1
六级分频器
74LS90
1块
2
加计数器
74LS161
1块
3
可预置数二—十进制加、减计时器
74LS192
2块
4
译码器
74LS47
2块
5
共阳八段数码管
2个
6
发光二级管
N型锗材料普通管
6支（红、绿、黄各2支）
7
二输入与门
74LS08
1块
8
四输入与非门
74LS20
1块
9
二输入非门
74LS04
1块
10
三输入与门
74LS11
2块
11
二输入或门
74LS32
2块
12
滑动变阻器
5Kohm
1个
13
电阻
300ohm
2个
14
电阻
47Kohm
2个
15
电阻
1Kohm
6个
16
电容
0.01uF
1个
17
电容
10uF
1个
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