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数电课设

数字电路课程设计报告书

《交通灯逻辑控制电路设计》

学院：

物理与信息工程学院

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

2014年9月13日

一、内容摘要

现如今，随着人口和汽车的日益增长，城市交通日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。

因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。

交通信号灯常用于十字路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。

有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。

自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化、科学化、简便化。

尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。

本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。

因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。

本实验设计目的是培养数字电路的能力，掌握交通信号灯控制电路的设计方法。

二、设计内容及要求

设计一个十字路口交通信号灯控制器。

基本要求如下：

（1）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，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄红灯亮。

（2）应满足两个方向的工作时序：

即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和，南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。

（3）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。

具体为：

当某方向绿灯亮时，置显示器为某数，然后以每秒减1计数方式方式工作，直至减到绿灯灭为止；当黄灯亮时，置显示器为某数，然后以每秒减1计数方式方式工作，直至减到黄灯灭为止；当红灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式方式工作，直至减到红灯灭为止。

（本次设计只设计一个方向的倒计时）

（4）用倒计时实现数字显示（限定用74LS168芯片实现）。

三、设计方案

为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制信号灯来进行指挥。

其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。

交通灯控制电路的系统框图如图1所示：

图1交通灯控制器系统框图

系统由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器、信号灯显示器五大部分组成。

其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号，通过定时器向控制器发出三种定时信号，使相应的发光二极管发光。

译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，产生倒计时时间显示，控制器根据定时器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。

一般十字路口的交通灯控制系统的顺序工作流程图和时序工作流程图如下所示：

图2交通灯顺序工作流程图

图3.1.3交通灯时序工作流程图

控制器应送出南北、东西车道红、黄、绿灯的控制信号。

为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：

G1=1：

南北车道绿灯亮；G2=1：

东西车道绿灯亮；

Y1=1：

南北车道黄灯亮；Y2=1：

东西车道黄灯亮；

R1=1：

南北车道红灯亮；R2=1：

东西车道红灯亮

四、单元电路设计

1、单位时间模块

我们选择单位时间为2s，由时标+分频实现：

时标—用555定时器构成周期为1s的多谐振荡器

秒脉冲发生器电路原理图如下所示：

其中RA=RB=51KΩC=10uFC1=0.01uF3端为输出口。

分频—再经过2分频（用D触发器构成2进制计数器），输出的就是周期为2s的单位时间

将D触发器的Q非输出端接回D输入端，便构成了2进制计数器。

此处我们用到的是74LS74芯片。

将555的3管脚接到74LS74的3管脚，将74LS74的2管脚和6管脚接在一起，管脚1、4、10、13、14接Vcc,管脚7接地。

此时管脚5输出周期为2s的信号。

所以时间模块的电路图如下所示：

2、交通灯控制电路

从时序工作流程图可以看出一周期共有12个单位时间，则：

首先设计一个12进制的计数器，这里我们用到的是74LS164芯片。

输入脉冲为周期2s的单位时间，输出（Q1Q2…）控制红黄绿灯的显示。

计数器输出作为红黄绿灯电路的输入，通过列真值表得到南北方向和东西方向的红、黄、绿灯的控制信号。

我们采用扭环形的方法用6个输出Q构成12进制计数器，将11管脚接非门，非门输出同时接入1、2管脚，其中：

Qa=A∙B。

芯片74LS165的连接如图所示：

列真值表：

74LS164输出

南北车道

东西车道

由真值表可得：

R1=QfG1=Qe∙QfY1=Qe’∙Qf

R2=Qf’G2=Qe’∙Qf’Y2=Qe∙Qf’

非门用74LS04，与门用74LS00

在实际连接电路中，我们要多用几个非门来得出Qe’和Qf’，为的是不让太多的负载将电压拉低，将原本该亮的灯拉成暗的。

3、数字显示电路

用显示管显示倒计时计数。

我们从后面往前思考：

CC4511的输出是与数码管的管脚一一对应的，要使数码管显示的数呈倒计时的状态，控制CC4511的输入便可。

如图所示：

我们用74LS168产生减法计数信号，74LS168的输出管脚与CC4511的输入管脚按顺序一一对应，我们控制74LS168芯片便可。

74LS168的功能表如下所示：

我们用到两片74LS168芯片，分别控制倒计时的个位和十位，列表：

数码管显示

74LS168输出（十位）

74LS168输出（个位）

十位

个位

❶

⓿

❾

⓿

❽

⓿

❼

⓿

❻

⓿

❺

⓿

❹

⓿

❸

⓿

❷

⓿

❶

⓿

本次课设我们只设置一个方向的倒计时计数，我们设置南北方向计时。

当南北红灯亮时，就产生一个信号使东西方向作减法计数，从11计数到00；当绿灯亮时，就从09计数到00；当黄灯亮时，就从01计数到00。

我们可以看出，无论是那种灯亮开始倒计时，显示的数字都是分别从表中的某一行开始，一直到最后一行00结束，再进入下一种灯的倒计时，即：

当个位和十位的74LS168的借位端15管脚同时发出借位信号时，两片74LS168同时置数。

因为74LS168的借位端15管脚、工作状态控制端7、10管脚都是低电平有效，要使全0才出0，我们用到的是或门（74LS86二输入四或门）。

将两片74LS168的借位15管脚分别接入或门的两个输入端，将或门的输出端分别接到两片74LS168的置数端9管脚。

首先，我们得先设计两片74LS168的连接方式，使两片的输出可以同时如表中的顺序输出。

先看个位，可以看出数码管个位本是9逐一递减至0循环计数，我们只用到循环其中的某一段。

我们使个位的74LS168构成十进制的减法计数器即可：

1、7、10管脚接地。

再看十位，十位并不是一直处于计数状态，只有个位从0变成9时才计数一次，十位由1减为0，即：

当个位的借位端发出信号时，十位才工作一次，所以将个位74LS168的15管脚同时接入十位74LS168的7、10管脚，十位74LS168的1管脚接地。

现在考虑置数问题，不同颜色的灯计数起始的位置不同，置数时74LS168的输入什么，输出就为什么。

数码管显示：

红灯起始❶❶，绿灯起始⓿❾，黄灯起始⓿❶。

列表：

南北指示灯

74LS168输入（十位）

74LS168输入（个位）

由表可得出：

74LS168输入（十位）：

P3=P2=P1=0P0=R1

74LS168输入（个位）：

P3=G1P2=P1=0P0=1

综上，我们可以画出74LS168的连接电路图，如下图所示：

注：

这里的时钟信号时直接由555的输出直接接入，周期为1s。

3跟6端分别接红灯跟绿灯。

设计总电路图：

五、调试过程

我们小组按照我们所设计的方案进行电路的连接，一步一步将方案实现。

将每一模块做好时，都将模块的输出都依次检验，避免后面调试过程中出现问题时，无从检查。

在连接好555时，我们检测输出是否为周期=1s的信号，再连接好D触发器时，我们检测输出是否为周期=2s的信号，这之前的还是比较顺利，并没有出现什么问题。

当接入信号灯时，第一天我们发现有一盏灯灯光很弱，开始还以为是发光二极管的问题，换了几次发光二极管后，还是这种现象，我们就确定不是发光二极管的问题，我们便开始检查电路的连接。

按照理论来连接，我们的连接时没有错误的，后来在向老师的求助之下，我们尝试将这发光弱的二极管的输入端连续接两个非门，抬高电压。

果然，这样连接之后，每盏灯都发光正常，而且如设计一样按预想的顺序方式亮灯。

接下来倒计时的连接，按设计连接之后发现数码管的显示不正常，可连线我们也自认为没有错，于是我们开始检查。

我们先用试验箱上的二极管连接555的输出（即是74LS168的时钟信号），通过观察等的闪烁情况，输出正常。

我们再通过控制数码管的几个管脚（对应七段a,b,,c,d,e,f,g的管脚）看数码管是否显示正常，而后发现一切正常，所以断定数码管正常。

数码管和CC4511连接后，我们通过控制CC4511的相应输入，看数码管是否显示正常，而后发现显示正常，所以断定CC4511芯片正常。

我们再控制74LS168的输入，看数码管是否显示正常，然而我们发现不正常，我们确定是在这一块出现了问题。

开始时，我们怀疑是74LS168芯片坏了，可是换了别人用时是好的芯片，结果还是一样。

我们自己检查连线是否有问题，可没检查出有何错误。

兜兜转转了半天，我们只好求助老师了。

老师帮我们检查，马上就检查出了连线问题，第一片的74LS168的16管脚本该接5V电源的，我们却接了地，修改之后，数字会倒计时了。

可是数字的显示超前了几秒，我们检查了我们的设计。

设计时，考虑到边沿触发器上升沿的问题，我们便将上面74LS168的连接图中的3跟6端分别接黄灯跟红灯。

理论上本该是这样的。

之后我尝试不考虑这个问题，将3跟6端分别接红灯跟绿灯，结果显示就正常了。

交通灯设计完成。

（还有其他调试过程，请参照上面单元电路设计，因为我在上设计中的表述，也便是我调试时的流程与想法。

）

六、所用的元器件

74LS164（8位移位寄存器）

74LS168（十进制加/减法计数器）

74LS74（双D触发器）

74LS04（六反相器）

74LS00（2输入端四与非门）

74LS08（2输入四与门）

74LS86（2输入四或门）

CC4511（显示译码器）

LED（共阴极）

555定时器

若干电阻、电容

红、绿、黄发光二极管

七、小电路（4人智力抢答器）

1、内容：

设计一个供四人使用的抢答器，要求每个抢答人操纵一个微动开关，以控制自己的指示灯，抢先按灯者能使自己的指示灯亮起，并封锁其余三人的灯，主持人最后按主持人微动开关，使指示灯灭，并解除封锁。

芯片：

74LS112，74LS20，

JK触发器输入端都接高电平，四个输出端Q’经过与非门在经过非门，与开关与非后接入JK触发器脉冲。

当选手开始按抢答键时将开关接入高电平，此时会向JK触发器输入一个下降沿脉冲，此时的JK触发器的输入端接在高电平，当有时钟脉冲时会使输出Q发生翻转，初态Q输出为零，时钟端为高电平，按灯后翻转后输出高电平，灯亮，时钟端为下降沿，与非门的一输入为零，其他选手按灯后，无法产生下降沿脉冲，不能亮，就形成封锁。

连接图:

八、参考文献

《数字电子技术基础（第五版）》阎石

九、心得体会

通过本次课设，收获颇丰。

在课程学习上，将课本上的内容，书本上学习的知识通过自己的努力，通过自己动手实践得以实现，感觉到非常神奇，也非常高兴。

刚看到题目时，觉得非常难，一窍不通，但通过老师的教导和研究指导书上的内容，发现这些也是由我们平常数电理论课上一点一点的内容结合而成的。

将一整个大电路细分为一个个小部分探究，也就是一些简单的部分，深刻地感觉到1+1>2的快感，整体的力量大于细节之和。

再难的东西，只要静下心来，耐心研究，也会是些迎刃而解的问题。

这次课设其实应该算是简单的，因为课设指导书上已经给出了设计方案的提示，我们做的也就是简单点的、设计，连接依葫芦画瓢的事。

但也许是我们平常太不努力的原因，这么简单的课设，依旧出现了很多问题。

我们第一次了解面包板的构造与使用，第一次使用面包板连接电路，虽然布线不是特别美观，但我们已经尽我们最大的力，已经知足了。

在这次实验课设中，我和搭档合作愉快，分工合作，使每个人在设计与制作中都做出了努力。

在许秀英老师的指点与提点下，我明白了很多知识，还深刻理会了课设的意义不仅在于将作品做出，更重要的是如何在实验中发现问题，解决问题。

每一次的测量与检查都要有逻辑，知道原理，有耐心，要认真、仔细、不厌、不嫌、不弃。

这便是我最大的收获。

实验中我们在认真地制作

实验后我们还不忘整理桌面整理、仪器

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