交通燈控制器課程設計報告

中南林業(yè)科技大學課程設計報告設計名稱： 交通燈控制器 姓名：學號：.專業(yè)班級：院（系）：.指導教師評語：成績：簽名：年月日課程設計題目：交通燈控制器時間：2015年6月29日至7月13日地點：指導老師：課程設計目的交通燈控制信號的應用非常廣泛。本電路設計一個交通燈控制器，需要達到的目的如下：一個周期64秒，平均分配，前32秒紅燈亮，后32秒綠燈亮在紅燈亮的期間的后8秒與紅燈在一起的黃燈閃爍（注意：紅燈同時亮）。為了顯示效果明顯，設計閃爍頻率為1。在綠燈亮的期間的后8秒與綠燈在一起的黃燈閃爍（注意：綠燈同時亮），為了顯示效果明顯，設計閃爍頻率為1。在黃燈閃爍期間，數(shù)碼管同時倒計時顯示，在此期間以外，數(shù)碼管不亮.三、課程設計方案為了完成交通燈控制電路的設計，方案考慮如下：一個脈沖信號發(fā)生器，一個二進制加法計數(shù)器，一個十進制減法計數(shù)器，紅燈與綠燈以及黃燈是否亮是由二進制加法計數(shù)器的輸出端狀態(tài)來決定的，因此，設計一個組合邏輯電路，它的輸入信號就是二進制加法計數(shù)器的輸出信號，它的輸出就是發(fā)光二極管的控制信號，因此，需要一個組合邏輯電路，六個發(fā)光二極管（二個紅色發(fā)光二極管，二個綠色發(fā)光二極管，二個黃色發(fā)光二極管）電路，一個數(shù)碼管顯示電路。結構圖如下：十進制減法計數(shù)器由74LS193可逆可預置十進制計數(shù)器構成。組合邏輯電路根據(jù)其輸入輸出的邏輯關系后再確定電路芯片。驅(qū)動器選用4511。從以上討論可知，需要對所采用的芯片有比較詳細的了解。下面對以上幾種芯片的基本知識和基本特性進行介紹。555定時器555定時器是一塊常用的集成電路，電路符號如左圖所示，8為電源端VCC1為公共端GND。所加電源電壓范圍：4.5V<VCC<18V最大輸出電流達 200mA。內(nèi)部電路原理圖如右圖所示，內(nèi)部有三個相同的分壓電阻，每個電阻上的電壓都為1/3VCG兩個比較器C1和C2,C1的比較電壓為2/3VCC,C2的比較電壓為1/3VCC,當比較器“+”端電壓大于比較器“-”端電壓時，比較器輸出高電平（其狀態(tài)用1表示），當比較器“ +”端電壓低于比較器“ -”端電壓時，比較器輸出低電平（具狀態(tài)用0表示）。G1,G2兩個與非門構成基本RS觸發(fā)器，G3為輸出緩沖反相器，起整形和提高帶負載能力的作用。T為泄放三極管，為外接電容提供充放電回路。利用555定時器設計電路時，主要是考慮如何讓 2和6的電位發(fā)生變化（外接信號或利用電容器的充放電過程實現(xiàn)）而讓定時器的輸出狀態(tài)發(fā)生變化，而設計成各種具有不同功能的電路。實際555器件如小圖所示，有小圓點對應的腳為1腳，依逆時針方向依次為2，3，4，5，6，7，8號腳。555應用：多諧振蕩器（產(chǎn)生連續(xù)矩形波信號），電路原理如圖所示（4腳為高電平時，電路振蕩，4腳為低電平時，電路不振

蕩)。開始時，內(nèi)部泄放三極管由于其基極輸入為低電平， 是截止的，電源通過R2和R1對電容器C充電，2,6腳電位開始上升，當上升到2VCC/3時，電路狀態(tài)發(fā)生翻轉，內(nèi)部泄放三極管由于其基極輸入為高電平，所以飽和導通，電容器通過R1放電，2,6腳電位又開始下降，直至降到VCC/3,電路狀態(tài)再次發(fā)生翻轉，內(nèi)部泄放三極管截止，電源再次對電容器充電。這樣周而復始，輸出連續(xù)的矩形波信號，由3腳輸出。一般取C1為103電容。理論推導：理論推導的依據(jù)是電容器的充電時間和放電時間的討論。充電時間的計算：從前面對芯片555的了解可知，在“7”腳內(nèi)部所接的泄流三極管截止時，電容器充電，充電電壓從VCC/3充至2VCC/3,此時是電源通過R2+R1電阻向電容充電，由此可以利用電容器的電壓與充電時間的函數(shù)關系計算出電容充電時間；函數(shù)關系式可由中學物理知識或大學電路分析課程中給出：在充電過程中，R=R1+R2上因此 二VccVcc(1eRC)3分別計算出t1和t2,則充電時間為T1=t2-t1放電時間的計算：從前面對芯片555的了解可知，在“7”腳內(nèi)部所接的泄流三極管飽和導通時，電容器放電，放電電壓從2VCC/3放至VCC/3,此時是電容通過R1電阻向電容充電，由此可以利用電容器的電壓與放電時間的函數(shù)關系計算出電容放電時間； 函數(shù)關系式可由中學物理知識或大學電路分析課程中給出：在放電過程中，R=R12因此 -VccVcce分別計算出t1和t2,則放電時間為T1=t2-t1由以上計算出的充電時間和放電時間之和就是周期， 周期的倒數(shù)就是頻率。最后得到的結果：振蕩器的頻率由電阻R1,R2和電容C決定。脈沖波的占空比由電阻R1和R2決定，結果為可見，當R2越小時，占空比接近50%。本電路555多諧振蕩器的頻率的確定，因為信號燈的狀態(tài)時間是以秒來計量的，因此計數(shù)器的計數(shù)狀態(tài)應以秒為單位來計數(shù)最為方便，即指定計數(shù)器的最低位定為Q2（不一定是計數(shù)器的最低位，本項目的計數(shù)器的最低位用作其它用途），因狀態(tài)Q7Q6Q5Q4Q3Q2共有64個狀態(tài)，每個狀態(tài)對應時間為1秒（頻率為1）,即1秒鐘狀態(tài)變化1次，而每一個狀態(tài)對應Q1端一個脈沖，因此，Q1端是1秒鐘產(chǎn)生1個脈沖，所以555的振蕩頻率就應該為2（因為經(jīng)過計數(shù)器計數(shù)后在計數(shù)器的最低位Q1進行了1/2分頻）。3、七位二進制計數(shù)器4024七位二進制計數(shù)器4024各腳功能如圖所示，14腳為電源端，所接電源電壓范圍：+3V--+15V,7腳接地GND。2腳為復位端（清零端），高電平有效。1腳為脈沖信號輸入端，下降沿有效（即計數(shù)器在脈沖下降沿時刻計數(shù)）。Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1是七個數(shù)據(jù)輸出端，Q7為最高位，Q1為最低位。當輸入脈沖信號后，計數(shù)器輸出端的狀態(tài)變化：0000000—1111111。本電路中的組合邏輯電路的輸入信號為二進制計數(shù)器的輸出信號Q7Q6Q5Q4Q3Q2設計Q2信號頻率為1,而輸出應為六個表示路口交通燈信號的發(fā)光二極管（一方為紅綠黃燈 DR1,DG1,DY1;另一方為紅綠黃燈DR2,DG2,DY2）的控制信號，分別用LR1,LG1,LY1和LR2,LG2LYZg示，但注意至UDR1和DG2狀態(tài)相同，DG1和DR2狀態(tài)相同，DY1和DY2狀態(tài)相同，所以實際上只要三個輸出信號即可，分別用L1,L2,L3表示。本電路因為控制周期是 64秒，所以只需要64個狀態(tài)，因此只要用4024輸出端的6個輸出端就可以了，本人決定用狀態(tài) Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2。組合邏輯電路的輸出信號L1,L2,L3與電路的輸入信號Q7,Q6,Q5，Q4，Q3，Q2的關系的討論：信號燈的定義，L1表示紅燈，L2表示綠燈，L3表示黃燈。對于其中一路信號燈來說，前 32秒（對應的4024計數(shù)器輸出狀態(tài)Q7Q6Q5Q4Q3Q勸00000"011111）紅燈1亮，綠燈1不亮。而在這32秒時間內(nèi)，前 24秒（對應的4024計數(shù)器輸出狀態(tài)Q7Q6Q5Q4Q3Q2為000000—010111黃燈不亮。后8秒（對應的4024計數(shù)器輸出狀態(tài)Q7Q6Q5Q4Q3Q2為010111—011111）黃燈亮。另一路的燈亮狀態(tài)分析與上一路的分析完全相同綜上所述，用如下真值表表示：編PQ7Q6Q5Q4Q3Q2L11L12L13L21L22L23說明0--1500xxxx100010紅1名錄2亮16--23010xxx100010紅1名錄2亮24--31011xxx101011紅1名錄2黃12亮32--4710xxxx010100紅2名錄1亮48--55110xxx010100紅2名錄1亮56--63111xxx011101紅2名錄1黃12亮從以上可知LilQ7,L21Q7,需要低電平有效時，匚Q7SQ7,L22Q7,需要低電平有效時，口Q7考慮到黃燈需要閃爍，可以讓L3信號和Q1信號(頻率為1HZ的脈沖波)加到一個二輸入的與非門的兩個輸入端，輸出信號為 L4,當L3為0時，L41當L3為1時，L4Q1可見，需要L4低電平有效，這樣，L3為。時，黃燈不亮，L3為1時，黃燈閃爍。由以上討論可知，需要二個二輸入的與非門，三個非門，為節(jié)約器件，三個非門中的二個非門用與非門實現(xiàn)，另一個非門用三極管實現(xiàn)。這樣，需要四個二輸入的與非門，正好可以用芯片74LS0Q一個三極管構成的非門。74LS00外形為DIP14,74LS00是一塊四-二輸入的數(shù)字集成芯片，內(nèi)有四個完全一樣的二輸入的與非門，14腳接VCC(+5V),7腳接地

GND它們中的四個二輸入的與非門如圖所示，其中A,B為與非門的兩個輸入端，Y為輸出端。額定拉電流4mA,額定灌電流8mA。額定輸出高電平電壓3.6V。下面討論倒計時及顯示電路?？赡媸M制計數(shù)器選用74LS1934、可預置二進制可逆計數(shù)器 74LS193簡介74LS193外形結構為DIP16,其中(8)腳接GND,(16)腳接+5V電源。CU—加計數(shù)脈沖信號輸入端。CD-減計數(shù)脈沖信號輸入端。注意：用其中一個輸入端時，另一個輸入端接高電平。Q3,Q2,Q1,Q0--計數(shù)器數(shù)據(jù)輸出端， Q3為最高位，Q0為最低位。P3,P2,P1,P0―計數(shù)器預置數(shù)輸入端，當計數(shù)器處于預置數(shù)狀態(tài)時，通過該輸入端預置數(shù)，此時Q3Q2Q1Q0=P3P2P1P0。MR一復位信號輸入端，上升沿有效，即當 MRA0跳到1時，計數(shù)器復位，止匕時Q3Q2Q1Q0=0000。當MR=0時，計數(shù)器處于計數(shù)狀態(tài)。PL一預置數(shù)功能控制端，低電平有效，當 PL=0時，計數(shù)器處于預置數(shù)狀態(tài)，當PL=1時，計數(shù)器處于計數(shù)狀態(tài)。TCU一加計數(shù)進位信號輸出端。TCD-減計數(shù)借位信號輸出端。根據(jù)設計要求，預置數(shù)為8,P3=1,接高電平（電源），P2=P1=P0=0,接低電平（地GND）。黃燈不亮，即L3=0時，計數(shù)器需要處于預置數(shù)狀態(tài)， 即PL=0,黃燈亮，即L3=1時，計數(shù)器需要處于計數(shù)狀態(tài)， 即PL=1?？梢?，PL=L3.作為減法器使用，CU接高電平，CD接脈沖信號Q2。因計數(shù)器處于計數(shù)狀態(tài)或預置數(shù)狀態(tài)，不能處于復位狀態(tài)，因此讓MR=0.從前面討論可知，多諧振蕩器振蕩頻率為 2HZ。以此確定多諧振蕩器電路的電阻和電容。5、四線-七段譯碼器/驅(qū)動器74LS48（內(nèi)帶上拉電阻）16腳接電源+VCC=+5V8腳接地GNDDCB媯8421BC網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入端，D為最高位，A為最低位。abcdefg（高電平有效，輸出電流小于6mA為7個輸出端，分別接七段數(shù)碼管的7個輸入端abcdefg,所接數(shù)碼管必須是共陰數(shù)碼管。LT燈測試輸入端，低電平有效，即當此燈為低電平且BI/RBO為高電平（或開路）時，輸出全為高電平，數(shù)碼管內(nèi)所有發(fā)光二極管全亮。BI/rbo消隱輸入（低電平有效）/脈沖消隱輸出（低電平有效），只要此端為低電平，輸出全為低電平，數(shù)碼管內(nèi)所有發(fā)光二極管全不亮。RBI脈沖消隱輸入端，低電平有效。當此端為低電平且ABC或同時為低電平時，輸出全為低電平，數(shù)碼管內(nèi)所有發(fā)光二極管全不亮。要讓數(shù)碼管正常顯示0—9,3,4,5腳都接高電平。要讓數(shù)碼管顯示1—9而不顯0,則3接高電平，5接低電平，4懸空（或電源通過電阻接4）。這實際上就是消0,例于最高位的數(shù)碼管就希望是這樣。6、四線-七段譯碼器/驅(qū)動器4511（內(nèi)不帶上拉電阻）16腳接電源+VCC=+3V15V,8腳接地GNDDCB的8421BC網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入端，D為最高位，A為最低位。abcdefg（高電平有效，輸出電流小于6mA為7個輸出端，分別接七段數(shù)碼管的7個輸入端abcdefg,所接數(shù)碼管必須是共陰數(shù)碼管。4511的使用與74LS48基本相同，但是有二點需要注意：功能腳“5”的使用的區(qū)別，74LS48是高電平有效，而4511是低電平有效。74LS48是內(nèi)帶限流電阻的，而4511是不帶限流電阻的，因此，在使用4511時，4511的輸出端與數(shù)碼管的輸入端之間是要串接限流電阻的。組成數(shù)碼管的七段實際上就是七個發(fā)光二極管，當這七個發(fā)光二極管中不同的二極管亮時，就顯示0—9中不同的數(shù)字。數(shù)碼管的符號數(shù)碼管的輸出引腳有兩種形式，一種是上下排列，一種是兩邊排列，各引腳名稱如下面兩圖所示

數(shù)碼管的符號comafb數(shù)碼管的使咂理注項勺建前共陽數(shù)碼管之分，所謂數(shù)碼管的符號comafb數(shù)碼管的使咂理注項勺建前共陽數(shù)碼管之分，所謂共陰數(shù)碼管就是公共端COM接地，所謂共陽數(shù)碼管就是公共端COM接電源二是要注意數(shù)碼管的電流大小，一般不要超過10mA。三是要注意各管腳功能的確定。在不清楚數(shù)碼管的基本情況時，可用測量的方法確定。電源負極接公共端，電源正極通過一個電阻（5V電源時，電阻可為500到IK,12V電源時，電阻可為1.5K到2K）,再加到任一輸入端，觀察數(shù)碼管的亮與不亮情況，判斷數(shù)碼管的類型各管腳。五、參數(shù)確定與計算過程由芯片NE555構成多諧振蕩器，從前面的討論可知，本電路振蕩頻率選用2H乙本電路頻率高低由元件R1,R2和C2決定。按圖選用其參數(shù)后，振蕩頻率為計算結果為 f2.04Hz多諧振蕩器的輸出信號（脈沖波）從555的”3卻輸出送到七位二進制計數(shù)器4024的輸入端“1”腳。當Q7端狀態(tài)為低電平時（即前32個狀態(tài)），通過非門U3c輸出高電平，三極管飽和導通，接在這一路上的一紅燈和一綠燈亮（即一個方向的紅燈和另一方向的綠燈亮）。而從U3c輸出接到另一路的一紅燈和一綠燈不亮。所以在裝配電路時，要注意紅燈和綠燈的位置。當Q7端狀態(tài)為高電平時（即后32個狀態(tài)），通過非門U3c輸出低電平，三極管截止，接在這一路上的一紅燈和一綠燈不亮（即一個方向的紅燈和另一方向的綠燈不亮）。而從U3c輸出接到另一路的一紅燈和一綠燈亮。在Q6Q5同為高電平（11000-11111）共8個狀態(tài)時，與非門U3B輸出低電平，再通過非門U3A輸出高電平，注意與非門U3D此時一個輸入信號為高電平，另一個信號接4024的輸出最低端，是一個振蕩信號，所以此時接在這一路的二個黃燈閃爍。在Q6Q5不全為高電平（除11000-11111以外的所有狀態(tài)）時，與非門U3B輸出高電平，再通過非門U3A輸出低電平，注意與非門U3D此時一個輸入信號為低電平，輸出恒為高電平，所以此時接在這一路的二個黃燈不亮。同時，在Q6Q5不全為高電平（除11000-11111以外的所有狀態(tài)）時，與非門U3B輸出高電平，再通過非門U3A輸出低電平，這個低電平接在74LS193的PL端（注意PL端是低電平有效，是預置數(shù)功能端，PL=Q芯片處于預置數(shù)狀態(tài)，PL=1,芯片處于計數(shù)狀態(tài)），所以，此時芯片處于預置數(shù)狀態(tài)，注意，預置數(shù)為8,同時，這個信號又接到4511R的BI端（BI為滅燈功能端，低電平有效），因此，此時數(shù)碼管全不亮。當Q6Q5同為高電平（11000-11111）共8個狀態(tài)時，與非門U3B輸出低電平，再通過非門U3A輸

出高電平，這個高電平接在74LS193的PL端，所以此時芯片處于計數(shù)狀態(tài)，注意計數(shù)狀態(tài)為減計數(shù)。同時，這個信號又接到 4511R的BI端(BI為滅燈功能端，低電平有效)，因此，此時數(shù)碼管正常工作。數(shù)碼管限流電阻的計算：4511輸出高電平5V,發(fā)光二極管的導通壓降為1.8V—2.0V若設計發(fā)光二極管電流為3—10mA,則限流電阻為300歐姆到1K歐姆。本電路選用1K。六、故障處理與說明按照印刷板上器件編號找到相應的元件，按以下順序焊接：電阻，IC座，瓷片電容，發(fā)光二極管，接口。焊接過程中注意以下問題：(1)各發(fā)光二極管"+”-極。三極管上對應的“e”“b”“c”(2)集成塊的腳在印刷板上的對應位置。(3)J1要與前續(xù)電路的輸入輸出電源接口方位相一致，因此要注意其方位。U3+5UR1nunu???Ifr幽R5U5C2ZTED-12FnnDnnnn政

匚匚匚匚匚匚匚1KR6匚口U3+5UR1nunu???Ifr幽R5U5C2ZTED-12FnnDnnnn政

匚匚匚匚匚匚匚1KR6匚口CJR9模擬;交通燈仔細觀察各焊接點，檢查有無短路現(xiàn)象和虛焊現(xiàn)象。認真測量。在觀察所焊接的電路板處于正常狀態(tài)后，將 5V電源接入到J1接口。觀察：設計表格并將實驗測量狀態(tài)，理論狀態(tài)記錄在表格中。測試：觀察紅，綠，黃燈的狀態(tài)以及數(shù)碼管的狀態(tài)情況，并測量各狀態(tài)下的時間。分析故障和排除故障，并將分析和排除過程記錄下來。仔細研究電路原理圖，集成塊 LM555構成多諧振蕩器，分析振蕩器頻率由什么元件決定，是什么關系。本電路的振蕩器頻率不能太高，否則閃爍太快或根本就觀察不到閃爍；當然頻率也不能太低，否則閃爍太慢。當然也會使得通行時間以及停車時間也不恰當。集成塊4024就是一個計數(shù)器。本電路的關鍵是由集成塊 74LS00構成的組合電路，它是確定發(fā)光二極管狀態(tài)與 4024狀態(tài)關系的電路。三極管的作用是驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光，因為74LS00輸出拉電流要小于4mA,所以不能直接驅(qū)動本電路的二個發(fā)光二極管，用三極管擴大帶負載能力。而74LS00輸出灌電流要小于8mA,所以可以直接驅(qū)動本電路的二個發(fā)光二極管，不需要用三極管擴大帶負載能力而直接驅(qū)動。本制作將時間顯示部分電路省略，因為這部分電路的工作情況大家非常熟識。當以上問題弄清以后，試設計電路的時間分配為40秒和24秒，將其討論過程以及設計過程寫入報告中。仔細研究印刷電路板，在本印刷電路板上將要裝配的器件有：普通1/4W電阻器，瓷片電容器，發(fā)光二極管，三極管，集成塊555,集成塊4024,集成塊74LS0Q輸入和輸出接口等等。仔細研究印刷電路上的圖形或符號，確定各位置所裝配的是何種元件。若是發(fā)光二極管，還要弄清板上的對應“ +”極和“ -”極，若是三極管，弄清板上對應的“e” “b” “c”，對于集成塊，要弄清楚各腳在印刷板上的相應位置。仔細研究元器件，各電阻器及其阻值，精度，功率，電阻阻值可從電阻上所標的色碼直接讀出，或者用萬能表的歐姆檔直接測量確定。各瓷片電容的電容量（標注在電容上）。各發(fā)光二極管及其 ” +””-“極。三極管上對應的“ e” “b” “c”，集成塊的腳編號的確認。七、總結與體會通過本次的課程設計，我學到了很多東西，使我平時學到的一些知識