数字电子技术课程设计彩灯控制电路与交通灯控制电路设计报告大学论文.docx
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数字电子技术课程设计彩灯控制电路与交通灯控制电路设计报告大学论文
电子技术课程设计报告
学院：
测控技术与通信工程学院
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
完成时间：
成绩：
评阅意见：
评阅教师日期
彩灯控制电路与交通灯控制电路设计报告
一.设计要求
1.彩灯控制电路
（1）利用74LS161和74LS138等各基础器件设计彩灯控制电路，来达到十六个发光二极管从第一个顺序闪到最后一个然后循环。
（2）每路以发光二极管为负载。
2.交通灯控制电路
（1）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程，设计每个几秒钟亮那个灯的显示电路。
（2）．用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯，用传感器或逻辑开关代替传感器作检测车辆是否到来的信号。
二.设计的作用、目的
通过课程设计，使学生加强对电子技术电路的理解，掌握电子线路设计基础和一般过程，能灵活运用自己所学的集成模块构成电路实现上述功能，能用仿真软件对电子线路进行仿真设计，还能够学会查询资料，方案比较以及设计计算和制作调试环节，进一步提高分析问题解决问题的能力。
具体目的如下：
1、学会了将一个实际情况电路抽象为逻辑电路的逻辑状态的方法。
2、掌握计数、译码、显示综合电路的设计与调试方法。
3、掌握实际输出电路不同要求的实现方法。
4、熟悉集成电路的引脚安排。
5、掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。
6、了解面包板结构及其接线方法。
7、了解数字交通灯控制电路的组成及工作原理。
8、学会用仿真软件对设计的原理图进行仿真。
9、熟悉数字交通灯控制电路的设计与制作。
三.设计的具体实现
（一）系统概述
1.彩灯控制电路：
方案A:
根据设计要求，本系统由控制电路，编码发生电路等组成。
其彩灯控制器的总设计思想如下：
编码发生器
编码发生器根据流水要求，按节拍送出信号。
74L161具有异步置数同步置零的功能，控制方便灵活。
控制电路
控制电路为编码器提供所需的节拍和驱动信号，控制整个系统工作。
控制电路功能有两个：
一是按需要产生节拍脉冲。
采用电容和电阻谐振产生脉冲来输入时钟信号，简单易操作。
方案B:
采用555定时器输出脉冲，高频通过计数器控制电路和译码电路。
这种方案非常好，计时准确，方便。
但这种方案比较复杂，而且成本较高，所以最后放弃这种方案。
利用74LS161的计数功能，以及74LS183的译码器功能实现小灯按顺序闪烁的功能。
根据设计要求，本系统由编码发生电路，控制电路等组成。
（1）编码发生器
编码发生器根据流水要求，按节拍送出信号。
74LS161具有异步置数同步置零功能，控制方便灵活。
（2）控制电路
控制电路为编码器提供所需的节拍和驱动信号，控制整个系统工作。
控制电路实现以下两个功能：
一是按需要产生节拍脉冲，二是采用电容和电阻谐振产生脉冲来输入时钟信号。
2交通灯控制电路：
方案一
1、S1-S3使用2个SR锁存器，设置00，01，10三个状态。
2、S4使用触发器，当出现紧急情况，触发器由“0”进入S4状态“1”后，在解除紧急时，恢复“0”，进入S1状态。
3、使用4个JK触发器，实现16位计数。
方案二
1、S1-S3使用2个7473替代的T触发器。
图2
1个7473替代的T触发器
JK触发器包含SR触发器和T触发器的功能，J=K=T，则得到T触发器。
2、S4使用或门、非门实现，从表1可知：
（不能出现红绿同时亮的情况）
（不能出现红黄同时亮的情况）
（不能出现红绿同时亮的情况）
3、使用74192同步可逆10进制计数器（8421码）2个
方案对比
表2
方案
项目
实现方法
优点
缺点
一
①S1-S3
2个锁存器
简单
电平触发，与时钟信号不匹配
②S4
触发器
解除紧急（S4）后指定回到S1
③T
4个JK触发器
复杂
二
①S1-S3
2个T触发器
下降脉冲触发，与时钟信号匹配
②S4
或门、非门
解除紧急（S4）后回到S1/S2/S3任一状态，不固定
③T
2个74192计数器
容易处理，可显示数值
综合考虑，为使电路简化、运行稳定，选用方案二。
利用74LS161的计数功能，以及74LS14、74LS04、74LS00、74LS20的逻辑功能实现交通灯的亮灭转换。
根据设计要求，实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路几部分组成。
（1）主控制器。
由计数器与译码电路组成，通过控制时间，来控制交通灯的转换。
从而实现该逻辑电路的功能。
（2）计数器。
计数器实现的是正计数，主要显示输入1HZ的CP脉冲，即每隔1秒计数器计一次。
（3）控制信号灯的译码电路。
主控制器的3种状态分别要控制红、黄、绿灯的亮与灭，可由电路控制实现。
（2）单元电路设计（或仿真）与分析
1.彩灯控制电路：
本电路采用电阻与电容串联且74LS14D与电阻串联产生时钟信号，电阻为390欧姆，电容则选择了一个比较小的1uF电容，这样流水灯能够快速闪烁。
时序逻辑电路则由74LS161D控制，选择它的原因很简单，便宜并且为十六进制，正好是我们想要的，不用添加其他元件就能够控制两个74LS138译码器，使整个电路变得清晰，简单，易懂，可读性高。
负载则由16个发光二极管组成，发光二级光有很多优点，电流小，易驱动，不用额外的驱动电路。
这样，一个彩灯原理图就画好了。
（1）集成运放电路的选用：
LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。
，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。
电路功耗很小，lm324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。
它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。
每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324引脚排列见图1。
2。
lm124、lm224和lm324引脚功能及内部电路完全一致。
（2）彩灯的选用
这里选用发光二极管做彩灯。
由于电源电压为5V，每次只亮一路灯，限流电阻R3=（UCC-VD）/ID,当R3取470时，ID约为7mA。
所以发光二极管选用LED的参数为：
ID=10mA,
VD=2V,PM=100mW.
（3）三极管的选用
三极管选用2SC1815，其主要参数为
符号
参数
数值
单位
VCBO
集电极-基极电压
60
V
VCEO
集电极-射极电压
50
V
VEBO
射极-基极电压
5
V
IC
集电极电流
150
mA
IB
基极电流
50
mA
PC
耗散功率
400
mW
软件仿真结果如下：
2交通灯控制电路：
（1）两车道的运行状态共4种，如表2-1所示
控制器状态
信号灯状态
车道运行状态及时间
S0（00）
S1（01）
S2（11）
S3（10）
南北绿，东西红
南北黄，东西红
南北红，东西绿
南北红，东西黄
南北通行，东西禁止通行（5t）
南北缓行，东西禁止通行（t）
南北禁止通行，东西通行（5t）
南北禁止通行，东西缓行（t）
表2-1控制器工作状态及其功能
表中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR,NSY,NSG;东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR,EWY,EWG。
它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。
应满足两个方向的工作时序，即东西方向亮红灯的时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和。
同理，南北方向亮红灯的时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。
本方案取时间t=5s，则南北、东西方向亮绿、黄、红灯时间分别为25s、5s、30s。
其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。
（2）十字路口要有数字显示作为时间提示，以方便人们更直观地把握时间。
具体应为当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。
例如当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为30，并使计数器开始减“1”计数。
当减到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数显示应为5，当减到“0”时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为30。
时序工作流程图如图2-2所示：
图2-2
（3）时标直接由集成的时钟信号源提供1s的单位秒脉冲；倒计时器由4块74LS192两两组合，分别记录南北、东西方向的通行情况，数字显示由四块集成的4输入端数码管承担；时间t=5s，有74LS161的五分频信号提供；控制器由2块74LS194组成扭环行12进制计数器，提供红黄绿灯的控制信号，再由集成的虚拟交通灯模拟红黄绿的显示情况。
（1）.时标电路
秒脉冲由如图3-1所示的集成时钟信号源提供，本方案信号源采用5V的电压，它是整个电路的基准时间信号，它的秒脉冲直接提供给分频器74LS161，并触发其工作。
（2）.分频电路
该分频电路为五分频，4位同步二进制计数器74LS161的封装及功能表见附录，将芯片的始能端ENP、ENT，清零端（低电平有效），电源端接5V（高电平），输出端QC五进制的进位端通过74LS04非门反馈给置数端LOAD（低电平有效），输入端A、B、C、D均接地（低电平），计数器从0开始计时，当计数到4时，输出端QC为1（高电平），此时置数端LOAD有效，输入端重新置为0，如此循环，计时器反复从0-4计五个数，该过程中CLK,QA,QB,QC的波形依次如图3-3所示：
由波形图可知图3-2中的计数器是下降沿触发的，QB,QC均为五分频信号，本方案中选择QC信号并输入给下级的核心控制电路，作为74LS194的触发信号。
（3）.核心控制电路及显示
控制电路部分由两块74LS194组成扭环行12进制计数器，然后经74LS04的非门与74LS08的与门译码，输出给十字路口南北、东西两个方向的信号灯，其中的黄灯信号与时标秒信号相与即可获得每秒闪亮一次的信号。
扭环行计数器的状态表如下所示
计数器输出
南北方向
东西方向
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
NSG
NSY
NSR
EWG
EWY
EWR
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
2
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
3
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
4
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
5
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
1
6
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
7
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
8
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
9
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
10
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
11
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
根据状态表，可列出东西、南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式：
东西方向绿：
EWG=Q4·Q5’
黄：
EWY=Q4’·Q5（EWY’=EWY·CP）
红：
EWR=Q5’
南北方向绿：
NSG=Q4’·Q5
黄：
NSY=Q4·Q5’（NSY’=NSY·CP）
红：
NSR=Q5
软件仿真结果如下：
（3）电路的安装与调试
1.彩灯控制电路：
先将元件插入面包板中，认真检查各元件连接是否正确，注意集成组件引脚，线不要搞错。
二极管管脚接对，各集成组件的电源盒接地端要接好。
然后分下面步骤进行检查调试。
（1）观察二极管是否正常发光
合上电源开关，接通电源，此时发光二极管逐个闪亮，循环往复，若不亮，要检查电源是否正常，然后检查各元件是否插严实，各发光二极管的阳极均接电源正极。
（2）检查振荡器是否起振
若发光二极管只有第一个常亮而其余不亮，说明逻辑电路出现问题，应该检查振荡电路是否起振，可用万用表电压档测试起振电路的输出端是否有信号产生。
2.交通灯电路
（1）组装调试秒脉冲电路。
（2）进行定时电路的组装和调试。
当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到25时，能输电有效的定时时间到信号。
（3）调试交通灯控制器以及显示部分。
（4）判断各部分电路之间的时序配合关系。
然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。
（5）.数字电路与逻辑设计的课程学习过程中，过多的偏重于电路逻辑功能的设计，考虑其实际实现则较少，比如芯片的稳定性、带载能力，工作环境等问题在设计中都没有考虑，很多设计在实验室环境下虽然可以正常工作，但不适宜投入生产。
（6）.排除故障的能力和设计电路的能力同样重要。
在此次课程设计中，很多同学在设计和连接电路上花费的时间并不多，但却把大量的时间耗费在检查故障上，经常还会因为查不出故障或无法解决故障重新连接电路。
我觉得在日常生活和实际生产中，需要解除故障的地方远比设计电路要多，从一次实验中发现故障，逐步摸索排除故障的方法和技巧是极为重要的。
我在排除电路的故障中逐步掌握了电平高低的检测技巧和根据信号流向检查故障的方法，并对万用表的使用技巧有了更深入的实践和学习。
最终调试如下：
接上电源,便可以进行交通灯控制系统的仿真，实现结果为绿灯、黄灯、红灯交替转换亮灭。
4．心得体会、存在问题和进一步的改进意见等
在设计前，进行全面的数字逻辑电路的课本知识学习，熟悉各种芯片如计数器，数据选择器，译码器的工作原理。
从电路图的设计、实现、仿真、实验报告，都是自己思考和动手。
掌握了ModelSim软件的操作，用所学习过的芯片设计电路，并用面包板来实现，实现的过程中排错、检查的能力也得到锻炼。
总而言之，好好利用了学校给我们提供的此次实习的机会，努力按要求完成了任务，提高了自己的综合思考能力和动手实践能。
课程设计中出现了很多问题。
比如说设计原理图时，必须懂得对讲机的工作原理，运用放大器具有对微弱信号放大的功能对电路进行设计。
设计过程中出现了多级放大，因此又必须对多级放大电路的设计方法有一定的了解。
还有，在实际电路中，由于一些器件因素或外界因素的干扰，会使输出电路不稳定，用示波器观察输出波形会出现失真现象，因此要引入一定程度的深度负反馕来稳定放大电路的性能。
对原理图设计完成时，要确定各器件参数。
此时就要运用所学的课本知识与指导书上的提示进行计算。
参数运算比较复杂必须按一定的顺序，否则很容易出错。
我是先从后级算起的，根据负载条件确定后级的偏置电路，然后再计算前级的偏置电路，进一步由放大电路的频率特性来确定耦合电容与旁路电容的量，最后由电压放大倍数确定负反馈网络的参数。
电路设计过程及参数确定比较烦琐，我在算时会遇到很多问题，有时实在算不出来了就想放弃，但很快自己会意识到那是一种错误的想法，所以自己会给自己鼓劲继续往下进行，当算到最后时便会有很大的成就感，这强烈的激起了我学习的兴趣，我想这次课程设计对我以后的专业课程的学习将有很大帮助。
在原理图仿真的过程中，没有遇到很多问题，基本上是按照所绘的原理图，用multisim软件对原理图进行仿真。
仿真图中要接入示波器和电压表，通过数据和波形更直观的对电路进行分析。
对电路分析时既要进行交流分析又要进行直流分析，还有要通过示波器进行瞬态分析。
此处必须保证波形不失真才能使各参数达到指标要求。
调试是此次课程设计的最后一步。
一般情况下，如果电路设计正确，前置放大级不用调就可以以正常工作，而输出级则要通过对变阻器的调节来达到指标要求。
其中经过这次对数字抢答器的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于彩灯循环电路的基本原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。
但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。
而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。
所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。
最后感谢老师这一周内的指导，让我们把所学知识得以运用，通过动脑动手，理论联系实际，更好地将数电知识巩固。
5．附录
元器件明细表
彩灯控制电路：
74LS14N1片
74LS161N1片
74LS138N2片
电阻2个
电容1个
LED二极管16个
电源1个
交通灯控制电路：
74LS14N1片
74LS161N1片
74LS00D1片
74LS20D4片
74LS04D5片
电容1个
电阻2个
红、绿、黄发光二极管各1个
数据显示器1个
交通灯器件1个
电源2个
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
NE555
1
脉冲发生器
2
74LS192
2
计数器
3
CL-5161
4
四输入红色数码
4
74LS112
1
JK触发器
5
CD4078
2
8输入或门
6
CD4073B
2
3输入与门
7
7HC08N
2
2输入与门
8
CC4071
3
2输入或门
9
74LS04D
10
非门
10
74138
1
数据分配器
11
LH61RGY17
28
模拟交通灯
附图
六．参考文献
1·闫石·《数字电子技术基础》·高等教育出版杜
2·康华光·《电子技术基础》北京·高等教育出版社·1999年
3·罗杰等编·《电子技术基础试验》北京·高等教育出版社·2008年
4·金唯香等编·《电子测试技术》长沙·湖南大学出版社·2004年
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