電子技術(shù)課程設(shè)計

1、raame薈湖南文理學(xué)院課程設(shè)計報告莇課程名稱：電子技術(shù)課程設(shè)計肅教學(xué)院部:羈專業(yè)班級:羇學(xué)生姓名:膄指導(dǎo)教師:芁完成時間:蟻報告成績： 薄評閱意見:目錄蚆一、引言 3袃袀二、設(shè)計題目 3莀蒆三、設(shè)計任務(wù)與要求 3羄芃四、方案選擇與論證 3蝿膆五、單元電路設(shè)計 4羆 1 、脈沖發(fā)生器莁 2 、定時器艿 3、控制器羇 4、譯碼器螃 5 、交通信號燈螄蚈六、總電路圖及其原理說明 9蚇襖七、仿真過程與效果分析 11袂莂八、實驗儀器設(shè)備及元器件清單 12莈羆九、心得體會與總結(jié) 13螁十、參考文獻(xiàn) 13袆一、引言：袃 數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)是高等學(xué)校弱點類各專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。這 門課程發(fā)展迅速、實

2、用性和應(yīng)用性強(qiáng)，側(cè)重于邏輯行為的認(rèn)知和驗證。聿 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三 者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已經(jīng)成為交通管理部門亟待需要解決的問題之一。城市交通控制系 統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機(jī)綜合管理系統(tǒng)， 它是現(xiàn)代化城市交通監(jiān)測指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。荿同時也隨著城市機(jī)動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京、長 沙等大城市都出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運行的情況。因此，自 80 年代后期這些城市紛紛 修建城市高速公路， 在高速公路建成完成的初期， 它們也曾有效地改善了交通狀況。 然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制

3、，高速道路沒有 充分發(fā)揮預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點，也決定了城市高速道路的 交通道路必然受高速與普通道路耦合處交通住哪個科的制約。所以，如何采用合適 的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同 周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的問 題。為此，本次設(shè)計完成的就是交通燈設(shè)計。以下就是城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)的電路 原理圖、設(shè)計計算和實驗調(diào)試等問題來具體分析討論。蚃二、設(shè)計題目：羂交通燈控制器設(shè)計蒈三、設(shè)計任務(wù)與要求：裊設(shè)計一個十字路口的交通信號燈控制器， 控制 A、B 兩條交叉道路上的車輛通行， 具體要求如下：蚅(1)每條道

4、路設(shè)一組信號燈，每組信號燈有紅、綠、黃三個燈組成，綠燈表示允 許通行，紅燈表示禁止通行，黃燈表示該車道上已過停車線的車輛繼續(xù)通行，未過 停車線的車輛停止通行。肀(2) 要求甲車道和乙車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設(shè)為25 秒；羈 (3) 每次交換通行車道之前，要求黃燈先亮 5 秒，才能變換運行車道；(4)黃燈亮?xí)r，要求每秒鐘閃亮一次螆四、方案選擇與論證： 蒂 1 ）電源提供方案蟻為使模塊穩(wěn)定工作，須有可靠電源，我們考慮了兩種電源方案莆 方案一： 采用獨立的穩(wěn)壓電源，此方案的優(yōu)點是穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供 選用；缺點是各模塊都采用獨立，會使系統(tǒng)復(fù)雜，且可能影響電路電平。薃

5、方案二： 采用單片機(jī)控制模塊提供電源，改方案的優(yōu)點是系統(tǒng)簡明扼要。節(jié)約成本； 缺點是輸出功率不高。薁綜上所述，我們選擇第二種方案。肁2 ） 顯示界面方案肇該系統(tǒng)要求完成倒計時、狀態(tài)燈等功能，基于上述原因，我們考慮了三種方案；薅方案一：完全采用數(shù)碼管顯示，這種方案只顯示有限的符號和數(shù)碼字符，無法勝任題目要求。羃方案二：完全采用點陣式 LED 顯示。這種方案實現(xiàn)復(fù)雜，且須完成大量的軟件工作,但功能強(qiáng)大，可方便的顯示各種英文字符、漢字、圖形等。蒀方案三：采用數(shù)碼管與點陣 LED 相結(jié)合的方法因為設(shè)計既要求倒計時數(shù)字輸出，又要求有狀態(tài)燈輸出等。為方便觀看并考慮到現(xiàn)實情況測探數(shù)碼管與 LED 燈分別顯

6、示時間與提示信息， 這種方案既滿足系統(tǒng)功能要求， 又減少了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度。 權(quán) 衡利弊。第三種方案可互補(bǔ)一二方案的公優(yōu)缺， 我們決定采用方案三以實現(xiàn)系統(tǒng)的顯 示功能。袇蚆 3 ）輸入方案：肂 題目要求系統(tǒng)能手動設(shè)燈亮?xí)r間、緊急情況處理，我們討論了兩種方案：衿 方案一： 采用 8155 擴(kuò)展 I/O 口及鍵盤，顯示等。該方案的優(yōu)點是：使用靈活可 編程，并且有RAM及計數(shù)器。若用該方案，可提供較多I/O 口，但操作起來稍顯復(fù)雜。薇方案二：直接在 I/O 口線上接上按鍵開關(guān)。因為設(shè)計時精簡和優(yōu)化了電路，所以剩余的口資源還比較多，我們使用四個按鍵，分別是K1、K2、K3 K4。由于I/O 口就可實現(xiàn)

7、，且本該系統(tǒng)對于交通燈及數(shù)碼管的控制，只用單片機(jī)本身的 身的計數(shù)器及 RAM已經(jīng)夠用，估選擇方案二。蒄五、單元設(shè)計荿(1)脈沖發(fā)生器莈脈沖信號發(fā)生器用的是555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率為:蒅 F=1.43/(R1+2R2)C薂電路圖如下圖1：轉(zhuǎn)躲沖產(chǎn)牛器.iu?BESETvoc2TRIGDISCEG7THOLD13OUTCVOLT51imilJ肇圖1薆(2)定時器蟻定時器由與系統(tǒng)秒脈沖(由時鐘脈沖產(chǎn)生器提供)同步的計數(shù)器構(gòu)成，要求計數(shù)器在狀態(tài)信號 ST作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從 零開始進(jìn)行增1計數(shù)，向控制器提供模5的定時信號TY和模25的定時信號TL蒁 計數(shù)器

8、選用集成電路 74LS163進(jìn)行設(shè)計較簡便。74LS163是4位二進(jìn)制同步 計數(shù)器，它具有同步清零、同步置數(shù)的功能。74LS163的外引線排列圖如圖 2所示, 其功能表如表1所示。圖2中CR是低電平有效的同步清零輸入端，LD是咼電平有效才同步并行置數(shù)控制端， CTP、CTT是交通燈的ASM圖數(shù)控制端，CO是進(jìn) 位輸出端，DOD3是并行數(shù)據(jù)輸入端， Q0Q3是數(shù)據(jù)輸出端。由兩片 74LS163 級聯(lián)組成的定時器電路如圖 3所示。1 *i -11;J H)74LSI63cm cr dn CTCPtCPDoEh2 Q)aQi0XXXtXXXX000010XX*didb 66bdi曲4b11!1tXX

9、XX計ik110X1XXXX11X0X其XXXfiA蒅賺（3）控制器芀控制器是交通管理的核心，它應(yīng)該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。從ASM圖可以列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表 1所示。選用兩個 D觸發(fā) 器FF1、FFO做為時序寄存器產(chǎn)生 4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為 TL和TY , 當(dāng)控制器處于 Q1 n+1Q0n+1 = 00狀態(tài)時，如果TL = 0，則控制器保持在 00狀態(tài)； 如果，則控制器轉(zhuǎn)換到 Q1 n+1Q0n+1 = 01狀態(tài)。這兩種情況與條件 TY無關(guān)，所 以用無關(guān)項X表示。其余情況依次類推，同時表中還列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST。0? Q(5 Q 4Q Q龍 Qj

10、Qoco Q? Qi Qj QqCTp1 CTp74LSlti374LSld3ClyCTtCR a C8 DDiDaCR 人 C3 D2D1D0：3 Q? -1 0定時髀電餾斜蒆圖3定時器電路圖芄表2 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表匚次態(tài)狀咅轉(zhuǎn)整倍號Q盧0Tl TyQ 嚴(yán)10*1St00QXG000G1X0110IX0Gi00i生1111110X11011I基!0110X010010X1001腿 根據(jù)表2可以推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號方程，其方法是：將Q1 n+1、QOn+1和ST為1的項所對應(yīng)的輸入或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與，其中1用原變量表示，0用反變量表示，然后將各與項相或，即可得到下面的方程：Q嚴(yán)* Q；Q

11、：兀+石Qrl=Q? :匚 +Q?Q? + QrQJT? ft nh滬Qi Q血+ Qi厲寫+ Q?Q和+ Q Q。 蒞螁根據(jù)以上方程，選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來實現(xiàn)每個D觸發(fā)器的輸入函數(shù),將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值（）加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇輸入端作為控制信號即可實現(xiàn) 控制器的功能?？刂破鞯倪壿媹D如圖4所示。圖中R、C構(gòu)成上電復(fù)位電路 。74LS153芆圖4控制器邏輯圖莇(4)譯碼器肅譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出Q1、 Q0的4種工作狀態(tài)，翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態(tài)。控制器的狀態(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關(guān)系羈羇表3控制器的狀態(tài)編碼與信號燈控制信號關(guān)系A(chǔ)O AY ARBGBYB

12、R001 Q 00 Q I010 1 00 0 I100 0 11 0 01i0 0 10 1 0羅圖5 交通信號燈圖（六個發(fā)光二極管，注意二極管的極性。）蕿六、總電路圖及其原理說明:袈交通燈控制系統(tǒng)的原理圖如圖6所示。它主要有控制器、定時器、譯碼器和脈沖信號發(fā)生器等部分組成。脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信 號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作，控制器 是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時器和譯碼器的工作。圖6中：蒞TL:表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間間隔。定時時間到，TL=1,否則，TL=0.螁TY:表示黃燈亮的時間間隔

13、為 5秒。定時時間到，TY=1，否則，TY=0。莇ST :表示定時器到了規(guī)定的時間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。由它控制定 時器開始下個工作狀態(tài)的定時。羆 兩方向車道的交通燈的運行狀態(tài)共有四種（因人行道的交通燈和車道的交通燈 是同步的，所以不考慮），如圖6所示襖蒂設(shè)計原理與參考電路：1.2 .莈分析系統(tǒng)的邏輯功能，畫出其框圖T圖6系統(tǒng)邏輯框圖節(jié)交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖7所示。它主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時 鐘信號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作，控 制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時器和

14、譯碼器的工作。圖7中：葿 TL:表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間間隔。定時時間到，TL=1，否則，TL=0。蕆TY :表示黃燈亮的時間間隔為 5秒。定時時間到，TY=1，否則，TY=0。蚃 ST:表示定時器到了規(guī)定的時間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。由它控制 定時器開始下個工作狀態(tài)的定時。羃薅圖7交通燈控制系統(tǒng)原理框圖肂 2 .畫出交通燈控制器的ASM （Algorithmic State Machine ，算法狀態(tài)機(jī)）螃（1 ）圖甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)信號 ST，轉(zhuǎn)到下

15、一工作狀態(tài)。羋（2）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間間隔TY時,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。羈（3）甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行綠燈亮足規(guī)定的時間間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號 ST,轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。螅(4)甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上位過縣停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時間間隔 TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號 ST，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第(1) 種工作狀態(tài)。腿

16、交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器器進(jìn)行控制的。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、11、10,并分別用SO、S1、S3、S2表示，則控制器的工作 狀態(tài)及功能如表4所示，控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡 便起見，把燈的代號和燈的驅(qū)動信號合二為一，并作如下規(guī)定：莀肆芅羀腿膄蚄蝕膈薇肄表4控制器工作狀態(tài)及功能蒀控制狀態(tài)芀信號燈 狀態(tài)蚅車道運行狀態(tài)蒃 S0 （ 00）賺甲綠，乙 紅肇甲車道通行，乙車道禁止通 行肇 S1 （ 01）羂甲黃，乙 紅羈甲車道緩行，乙車道禁止通 行膈 S3 (11)膆甲紅，乙 綠蚆甲車道禁止通行，甲車道通 行螞S2 (10)膀甲紅，乙 黃芄甲車道禁止通

17、行，甲車道緩 行肅電路的AG=1 :甲車道綠燈亮；BG=1 :乙車道綠燈亮;蒂AY=1 :甲車道黃燈亮；BY=1 :乙車道黃燈亮；羇AR=1 :甲車道紅燈亮；BY=1 :乙車道紅燈亮；蚇由此得到交通燈的 ASM圖，如表四所示。設(shè)控制器的初始狀態(tài)為SO （用狀態(tài)框表示SO），當(dāng)SO的持續(xù)時間小于25秒時，TL=O （用判斷框表示 TL），控制器保 持SO不變。只有當(dāng)SO的持續(xù)時間等于25秒時，TL=1，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號 ST （用條件輸出框表示 ST），并轉(zhuǎn)換到下一個工作狀態(tài)。依此類推可以弄懂ASM圖所表達(dá)的含義。蒄七、仿真過程與效果分析6只信號燈（實驗時用發(fā)膂1 設(shè)計、組裝譯碼器電路，其

18、輸出接甲、乙車道上的 光二極管代替），驗證電路的邏輯功能。聿2 設(shè)計、組裝秒脈沖產(chǎn)生電路得出時序波形圖vr* Tn襖圖8 時序波形圖Q0、 Q1、袃3組裝、調(diào)試定時電路。當(dāng)CP信號為1Hz正方波時，畫出 CPQ2、Q3 Q4 TL.、TY的波形，并注意它們之間一的時序關(guān)系。肀4 組裝、調(diào)試控制器電路。腿5 完成交通燈控制電路的聯(lián)調(diào)，并測試其功能。莃蚃袇芆表5交通燈校驗時間表螂南北東西時間(S)1 ijjtrfctr J10000025010001400110000101 10罿八、實驗儀器設(shè)備及兀器件清單莄 1.數(shù)字電路實驗箱膂 2. 集成電路 74LS74 1 片，74LS10 1 片，74LS00 2 片，74LS153 2 片，74LS163 3 片，N555 1 片袀3.電阻47KQ 2個1K Q 1個羀4.電容 10F0.01F 1F 0.1F 各一個螇5.其它發(fā)光二極管6個裊九、實驗心得與體會經(jīng)過這次課程設(shè)計，讓我明白了“知識就是力量”這一深刻的道理。同時，此 次設(shè)計加強(qiáng)了我的動手、思考和解決問題的能力。對電路原理圖畫法和連接及芯片 的選擇上也懂得了不少。鞏固了數(shù)字邏輯電路的理