太原理工大學(xué)數(shù)字邏輯課設(shè)(交通燈)

1、太原理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計報告課程名稱： 數(shù)字邏輯綜合課程設(shè)計 系 部： 計算機科學(xué)與技術(shù) 專業(yè)班級： 計科1402 學(xué)生姓名： 陳志棚 學(xué) 號： 2014006935 同 組 人： 潘鋆、張瑾、謝項 指導(dǎo)教師： 廖麗娟 完成時間： 2016.7.5 報告成績： 目錄交通燈控制設(shè)計報告2一.設(shè)計要求21、基本要求22、擴展要求23、創(chuàng)新設(shè)計2二.設(shè)計的作用、目的3三.設(shè)計的具體實現(xiàn)31. 系統(tǒng)概述32單元電路設(shè)計、仿真與分析（小三號宋體）43.電路的安裝與調(diào)試74.直流穩(wěn)壓電源電路8四.心得體會及建議12五附錄13元器件清單：13六參考文獻13附圖14太原理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)

2、學(xué)院數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)班級計科1402學(xué)生姓名陳志棚課程名稱數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計名稱交通燈控制器設(shè)計周數(shù)2周指導(dǎo)教師廖麗娟設(shè)計任務(wù)設(shè)計要求一、設(shè)計任務(wù)以LED數(shù)碼管作為顯示器件，設(shè)計并實現(xiàn)一個十字路口交通燈的控制器。二、設(shè)計要求1、基本要求設(shè)計一個輸出可在315V連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源，要求當(dāng)電網(wǎng)電壓在220V上下波動15%,輸出電流在080mA范圍內(nèi)變化時，均可正常穩(wěn)壓，輸出電壓的變化不超過±0.3V。主、支干道交替通行，主干道每次放行15秒，支干道每次放行10秒；每次綠燈變紅燈前，黃燈先亮5秒，此時另一干道上紅燈不變。主干道黃燈亮?xí)r，支干道紅燈以1Hz的頻率閃爍；支干道黃

3、燈亮?xí)r，主干道紅燈以1Hz的頻率閃爍。主、支干道各信號燈亮?xí)r，需配合有時間提示，以數(shù)字顯示出來，且以每秒減“1”的計數(shù)方式工作，直到減到“0”后主支干道各信號燈自動轉(zhuǎn)換。2、擴展要求在滿足基本要求的前提下，可實現(xiàn)特殊狀態(tài)（如火警、救護等）的交通燈控制，聲控傳感器S送出1的電平時，進入特殊狀態(tài)，要求：東西、南北方向的全部是紅燈亮。計數(shù)器停止計數(shù)并保持原來的時間數(shù)據(jù)。特殊狀態(tài)解除后，繼續(xù)返回正常工作狀態(tài)。3、創(chuàng)新設(shè)計在滿足基本要求和擴展要求的前提下，設(shè)計一個可編程交通燈控制器，具體要求是：有控制顯示電路，能根據(jù)需要更改交通燈的時序。有語音提示功能。設(shè)計過程時間要求1、收集技術(shù)資料：理解設(shè)計任務(wù)、查

4、閱相關(guān)資料。用時1.5天。2、確定總體設(shè)計思想：方案論證比較、確定總體設(shè)計方案。用時1天。3、單元電路設(shè)計：設(shè)計單元電路、選擇元器件、計算參數(shù)。用時2天。4、EDA仿真：利用EDA仿真軟件驗證設(shè)計方案的可行性,修改其中錯誤。用時3天。5、電路調(diào)試：根據(jù)已確定無誤的方案進行安裝調(diào)試，驗證各項功能和技術(shù)指標(biāo)。用時2天。6、書寫設(shè)計報告：按照課程設(shè)計報告的要求，編寫設(shè)計報告。用時0.5天。學(xué)生提交歸檔文件封面任務(wù)書課程設(shè)計報告圖紙 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 交通燈控制設(shè)計報告 一.設(shè)計要求1、基本要求設(shè)計一個輸出可在315V連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源，要求當(dāng)電網(wǎng)電壓在220V上下波動15%,輸出電流在08

5、0mA范圍內(nèi)變化時，均可正常穩(wěn)壓，輸出電壓的變化不超過±0.3V。主、支干道交替通行，主干道每次放行15秒，支干道每次放行10秒；每次綠燈變紅燈前，黃燈先亮5秒，此時另一干道上紅燈不變。主干道黃燈亮?xí)r，支干道紅燈以1Hz的頻率閃爍；支干道黃燈亮?xí)r，主干道紅燈以1Hz的頻率閃爍。主、支干道各信號燈亮?xí)r，需配合有時間提示，以數(shù)字顯示出來，且以每秒減“1”的計數(shù)方式工作，直到減到“0”后主支干道各信號燈自動轉(zhuǎn)換。2、擴展要求在滿足基本要求的前提下，可實現(xiàn)特殊狀態(tài)（如火警、救護等）的交通燈控制，聲控傳感器S送出1的電平時，進入特殊狀態(tài)，要求：東西、南北方向的全部是紅燈亮。計數(shù)器停止計數(shù)并保持

6、原來的時間數(shù)據(jù)。特殊狀態(tài)解除后，繼續(xù)返回正常工作狀態(tài)。3、創(chuàng)新設(shè)計在滿足基本要求和擴展要求的前提下，設(shè)計一個可編程交通燈控制器，具體要求是：有控制顯示電路，能根據(jù)需要更改交通燈的時序。有語音提示功能。二.設(shè)計的作用、目的通過在“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”與“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中的學(xué)習(xí)，我們了解了很多相關(guān)的知識，但通常只是單元電路的設(shè)計、集成芯片的特性功能等，并不能很好的將單元電路與集成芯片結(jié)合起來，而一個實用的電子系統(tǒng)通常卻是由多個單元電路組成的。因此，進行電子系統(tǒng)設(shè)計時，不但要考慮系統(tǒng)總體功能的實際，還要考慮系統(tǒng)各部分電路的選擇、設(shè)計以及它們之間的相互連接。這樣能讓我們更加清楚的認識到集成芯片及

7、單元電路的關(guān)系，并熟練掌握。在系統(tǒng)方案確定后，除少數(shù)電路參數(shù)需要設(shè)計計算外，大部分只需根據(jù)框圖各部分要求正確選用模擬和數(shù)字集成電路的芯片進行連接就可以了。了解十字路口交通燈的工作方式，熟悉各個芯片各個單元電路的主要功能，通過單元電路和芯片的結(jié)合設(shè)計出電路。三.設(shè)計的具體實現(xiàn)1. 系統(tǒng)概述（1） . 總體描述路口信號燈是對當(dāng)前十字路口的四種狀態(tài)的描述，通過利用四組信號燈的狀態(tài)，來體現(xiàn)當(dāng)前的通行狀況，再利用一組時間顯示器顯示當(dāng)前狀態(tài)的時間，該設(shè)計還有一個拓展功能，就是在緊急狀態(tài)下可以將所有狀態(tài)調(diào)整為紅燈并將顯示的時間停止，在恢復(fù)正常后并能繼續(xù)運行當(dāng)前狀態(tài)。（2）.總體框圖（3）.狀態(tài)描述態(tài)序主干道

8、支干道時間1綠燈亮  允許通行紅燈亮  不許通行15s2黃燈亮    紅燈亮  不許通行5s3紅燈亮  不許通行綠燈亮  允許通行10s4紅燈亮  不許通行黃燈亮5s2單元電路設(shè)計、仿真與分析（小三號宋體）我在設(shè)計中負責(zé)時間反饋部分以及擴展功能的設(shè)置:時間反饋模塊:該模塊實現(xiàn)的功能是為計時器循環(huán)輸送5->15->5->10秒四種狀態(tài)的時間，該部分的實現(xiàn)思路如下：由74LS163的輸出端QA QB輸出00,01,10,1

9、1的模四計數(shù)器，將這四種輸出狀態(tài)分別對應(yīng)一種時間，即時間的跳變是由74LS163的反饋來實現(xiàn)，另一方面當(dāng)?shù)褂嫊r到0的時候，給74LS163一個反饋，使之進入下一個狀態(tài)，具體實現(xiàn)及對應(yīng)關(guān)系如下表所示74LS163 QB QA7段顯示譯碼器高位輸入 D1 C1 B1 A17段顯示譯碼器低位輸入 D2 C2 B2 A2對應(yīng)秒數(shù) 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 10秒 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 5秒 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 15秒 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 5秒由表中對應(yīng)關(guān)系，可找到一種規(guī)律：將163的QA輸出端通過一個非門接到A1端口，其它B1 C

10、1 D1三個端口接低電平， 然后QA QB通過一個或門連接到A2 C2端口，其余B2 D2接低電平，這樣就完美實現(xiàn)通過163輸出的四種狀態(tài)來控制時間的四種狀態(tài)，當(dāng)每次倒計時到0的時候需要給74LS163一個高電平的反饋使之進入下一個狀態(tài)，這時只需將74lS192的5個有效輸出端口通過一個或非門給74LS163輸送反饋，這個反饋只有倒計時為0的時候輸出的才為高電平，時74LS163進入下一個狀態(tài)！以此循環(huán)下去就實現(xiàn)四種時間循環(huán)變化。 電路簡圖如下所示：擴展模塊：當(dāng)按下緊急開關(guān)（由高電平變?yōu)榈碗娖剑┑臅r候，時間停止計時所有紅燈亮起整體思路：當(dāng)按下開關(guān)的時候，要使脈沖對計時器失去作用，并且讓38譯碼

11、器的Y0 Y1 Y2 Y3輸出端都為高電平，再讓此作用在紅燈上時紅燈亮起。具體實現(xiàn)如下：將單刀雙擲開關(guān)一端引出與脈沖信號通過一個與門接入到192譯碼器上，開關(guān)一端接入38譯碼器的使能端，38譯碼器的Y0 Y1 Y2 Y3輸出端口接入一個四輸入的與門，連接到紅燈上。當(dāng)開關(guān)為高電平的時候，與門輸出為高電平，正常作用于193計時器上，譯碼器輸出正常！當(dāng)開關(guān)為低電平時，與門輸出為低電平，計時器停止計時，譯碼器Y0 Y1 Y2 Y3輸出都為高電平，通過與門后也為高電平，使作用到紅燈上！設(shè)計簡圖如下：3.電路的安裝與調(diào)試電路安裝主要經(jīng)歷以下幾個步驟：首先測試所有領(lǐng)到的原件，保證其功能正常使用才進行連接電路

12、。計時器的連接與測試：先連接計時器模塊，并測試其功能能夠?qū)崿F(xiàn)對于給定任意時間輸入，從該時間倒時到0。該模塊連接成功功能正常后再連接下一個模塊。狀態(tài)控制器(模四計數(shù)器)的連接與測試：單獨連接狀態(tài)控制器模塊，并測試其功能能夠輸出00、01、10、11四種狀態(tài)的循環(huán)輸出。該模塊連接成功再連接下一模塊。反饋模塊的連接與測試：將計時器和狀態(tài)控制器按照要求連接起來，并測試該整體功能能夠?qū)崿F(xiàn)10->5->15->5秒的循環(huán)輸出。該模塊連接成功功能正常后再連接下一個模塊。燈光模塊的連接與測試：將狀態(tài)控制器的輸出與主干道和枝干道連接起來，測試其燈光閃爍能滿足要求。擴展功能模塊連接和測試：根據(jù)要

13、求給電路添加上擴展功能模塊并測試所有電路功能！電路安裝期間主要出現(xiàn)的問題：在進行前三部分的電路連接時基本沒出什么問題，很順序的實現(xiàn)了10->5->15->5秒的循環(huán)輸出結(jié)果，唯一在連接燈光模塊時，不知道哪根線連接錯誤出現(xiàn)燈光閃爍不對，于是就不斷的查找連接錯誤的地方，但由于后面連線越來越復(fù)雜，導(dǎo)致花了好多時間都沒找出出錯的地方，最后無奈將燈光模塊的連線都拆了重新更加小心的連接，最后連接成功了，總體在燈光模塊的連接出現(xiàn)了大問題，并花了很長時間！對照仿真電路連接實體電路時，發(fā)現(xiàn)有的需接入低電平的元件端口在仿真軟件中能夠懸空便能正常工作，而在實際電路中就需要接入低電平才能正常功能，7

14、4LS138譯碼器的使能端便是如此！     4.直流穩(wěn)壓電源電路1.直流穩(wěn)壓電源概述直流穩(wěn)壓電源是電子系統(tǒng)中的一個必備部分，除了應(yīng)用蓄電池以外，絕大多數(shù)的電子系統(tǒng)都使用直流穩(wěn)壓電源。小功率穩(wěn)壓電源一般由電網(wǎng)供電，再經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓三個主要環(huán)節(jié)，將電網(wǎng)交流電變換成電子系統(tǒng)所需的穩(wěn)定的低壓直流。常用的穩(wěn)壓電路有：并聯(lián)型穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路等。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計容易，但是輸出電壓不可調(diào)，輸出電流較小。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路使輸出電壓可調(diào)節(jié)輸出電流加大，因此多數(shù)電子系統(tǒng)應(yīng)用中都使用串聯(lián)行穩(wěn)壓電路或根據(jù)此原理實現(xiàn)的集成穩(wěn)壓器來實現(xiàn)的。2.工作參數(shù)輸出

15、電壓及調(diào)節(jié)范圍可調(diào)節(jié)輸出的穩(wěn)壓電源有一個輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍U0minU0max固定輸出的穩(wěn)壓電源其輸出電壓與設(shè)計的標(biāo)稱輸出電壓相比通常存在有微小的誤差。最大輸出電流I0max穩(wěn)壓電路能夠向負載提供的最大電流3.串聯(lián)型穩(wěn)壓電源設(shè)計原理設(shè)計一個小功率整流濾波電路，首先要根據(jù)負載要求的輸出電壓、負載電流和紋波電壓的大小，選擇合適的整流電路，做一些簡單的估算，然后選擇合適的元件，最后再經(jīng)過測試加以調(diào)整。負載電流在mA數(shù)量級，對紋波要求不高的場合，可以選用簡單的半波整流電路，其余一般選用橋式整流電容濾波電路。本次電流源的設(shè)計采用集成電路構(gòu)成：用集成電路的形式制造的穩(wěn)壓電路稱為集成穩(wěn)壓器。優(yōu)點是性能穩(wěn)定可

16、靠，使用方便、價格低廉。集成穩(wěn)壓器種類有多端式和三端式，輸出電壓有固定式和可調(diào)式，正壓、負壓輸出穩(wěn)壓器等。三端固定式集成穩(wěn)壓器都有三個管腳，分別是輸入端、輸出端和公共端。正電壓輸出的78××系列，負電壓輸出的79××系列。其中××表示固定電壓輸出的數(shù)值。如：7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指輸出電壓是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。79××系列也與之對應(yīng)，只不過是負電壓輸出。這類穩(wěn)壓器的最大輸出電流為1.5A，塑料封裝(TO-220)最大功耗為

17、10W(加散熱器)；金屬殼封裝(TO-3)外形，最大功耗為20W(加散熱器)。電路圖如下：三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓電路其型號有正輸出三端可調(diào)式、負輸出三端可調(diào)式兩種。如LM117型（與LM317類似）是正電壓輸出型。經(jīng)過處理其輸出電壓可在515V之間調(diào)節(jié)。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理框圖穩(wěn)壓電路各環(huán)節(jié)分析及設(shè)計原則：1.調(diào)整環(huán)節(jié)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的調(diào)整環(huán)節(jié)是由調(diào)整管構(gòu)成的，其基極受比較放大器的輸出電壓控制，通過調(diào)整管集電極與發(fā)射極之間壓降的變化來抵消輸出電壓的變化，因此必須保證調(diào)整管工作在放大區(qū)，以實現(xiàn)其調(diào)整作用。同時，串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的調(diào)整管與負載是串聯(lián)的，全部負載電流要通過調(diào)整管。因此，調(diào)整管耗散功率很大，它必

18、須滿足負載電流和功耗要求，保證在最不利的情況下也不至于是器件損壞。2.比較環(huán)節(jié)比較放大器的作用是把輸出電壓較小的變化進行放大，并送去控制調(diào)整管以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。比較放大器的增益越高，所需要的控制信號越小，輸出電壓越穩(wěn)定。因此，要提高電源的穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于提高比較放大器的增益。以下圖所示的典型電路為例： 顯然要提高比較放大器的增益，可以適當(dāng)加大R1但是R1的加大是有限度的，當(dāng)輸入電壓一定的時候其兩端的電壓UR1=(IC2+IB1)R1,為了確定比較放大器對調(diào)整管的控制作用，其集電極電流與調(diào)整管基極電流之間應(yīng)有：放大器對調(diào)整管的控制作用，其集電極電流與調(diào)整管基極電流之間應(yīng)有：IC2MIN=

19、2IB1MAX=2IL/1因此UR1=（3IL/1）×R1這里UR1=UDIUBE1UDO所以為了減小調(diào)整管的功耗，其集電極-發(fā)射極間的管壓降不能太大。通常：UDIMINUDOMAX=UCE1MIN(1.52)UCES一般只有幾伏，所以R1趨勢很小，僅為幾千歐姆。因此靠加大R1來提高比較放大器的增益是有限度的。要進一步提高電源穩(wěn)定度可以考慮采用輔助電源的電路，恒流源負載的電路采用差動放大電路做比較放大器等方法。基準(zhǔn)環(huán)節(jié)基準(zhǔn)電壓一般是由穩(wěn)壓管提供的穩(wěn)定直流電壓。做為比較放大器的比較基準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)盡量穩(wěn)定?；鶞?zhǔn)電壓UZ要低于輸出電壓UDO，其大小由下式?jīng)Q定UZ= n UDO其中n是取樣分壓比

20、n=(R4+RW)/(R4+R3+RW)n過小會影響電源的穩(wěn)壓效果，UZ的取值應(yīng)使n在0.50.8之間。為了保證基準(zhǔn)電壓恒定，穩(wěn)壓管必須工作在穩(wěn)壓區(qū)，因此必須適當(dāng)?shù)倪x擇限流電阻R2,保證穩(wěn)壓管工作電流最大時，小于允許電流IZMAX，工作電流最小時，大于最小穩(wěn)定工作電流IZMIN。因此限流電阻R2應(yīng)滿足為了減小穩(wěn)壓管內(nèi)阻rZ以及變化電流對UZ的影響，穩(wěn)壓管工作電流應(yīng)取大些，一般為10mA左右。為了減小溫度變化的影響，盡量選用具有零溫度系數(shù)的（57）V穩(wěn)壓管，或具有溫度補償?shù)姆€(wěn)壓管。取樣環(huán)節(jié)取樣環(huán)節(jié)是由取樣電阻R3,R4,RW組成的電阻分壓器。一方面，R3,R4,RW要使對應(yīng)的分壓比穩(wěn)定，就要選用同種材料的電阻、穩(wěn)定性較高的金屬膜電阻、溫度系數(shù)小的錳銅絲等。另一方面，要盡量減小變化電流IB2對分壓比的影響。所以，R3、R4取值不能太大。減小R3、R4還可以減小比較放大器的輸入電阻，從而提高AU2。但是R3、R4減小將使電路的空耗增加，效率降低，因此，R3、R4的取值在：一般取IR為20mA左右。兼顧泄放作用可稍大一些。為了提高電源的穩(wěn)定度，取樣分壓比n應(yīng)盡量大些，但總要小于1.（因為n=1時，比較放大器有可能工作在飽和區(qū)而失去放大作