中南大學(xué)電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)

..目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)及指標(biāo) 12交通燈控制電路分析 22.1交通燈運(yùn)行狀態(tài)分析 22.2電路工作總體框圖 32.3方案比較33交通燈控制電路設(shè)計(jì)43.1電源電路43.2脈沖電路43.3分頻電路63.4倒計(jì)時(shí)電路63.5狀態(tài)控制電路83.6燈顯示電路93.7總體電路圖114實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差分析125課程設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)和建議136致謝 167參考文獻(xiàn) 178附錄 18..1設(shè)計(jì)任務(wù)及指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)東西方向和南北方向十字路口的交通燈控制電路。要求如下：〔1南北方向〔主干道車(chē)道和東西方向〔支干道車(chē)道兩條交叉道路上的車(chē)輛交替運(yùn)行,主干道每次通行時(shí)間都設(shè)為30s、支干道每次通行間為20s；〔2東西方向、南北方向車(chē)道除了有紅、黃、綠燈指示外,每一種燈亮的時(shí)間都用顯示器進(jìn)行顯示〔采用倒計(jì)時(shí)的方法；〔3在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時(shí),要求黃燈先亮5s鐘,才能變換運(yùn)行車(chē)道；〔4黃燈亮?xí)r,要求每秒閃亮一次；〔5同步設(shè)置人行橫道紅、綠燈指示。〔6設(shè)計(jì)相關(guān)提示：所設(shè)計(jì)的交通路口為一十字路口,不涉及左右轉(zhuǎn)彎問(wèn)題。2交通燈控制電路分析2.1交通燈運(yùn)行狀態(tài)分析交通燈控制電路,要求每個(gè)方向有三盞燈,分別為紅、黃、綠,配以紅、黃、綠三組時(shí)間到計(jì)時(shí)顯示。一個(gè)方向綠燈、黃燈亮?xí)r,另一個(gè)方向紅燈亮。每盞燈順序點(diǎn)亮,循環(huán)往復(fù),每個(gè)方向順序?yàn)榫G燈、黃燈、紅燈。交通燈的運(yùn)行狀態(tài)共有四種,分別為：狀態(tài)0：東西方向車(chē)道的綠燈亮,車(chē)道,人行道通行；南北方向車(chē)道的紅燈亮,車(chē)道,人行道禁止通行。狀態(tài)1：東西方向車(chē)道的黃燈亮,車(chē)道,人行道緩行；南北方向車(chē)道的紅燈亮,車(chē)道,人行道禁止通行；狀態(tài)2：東西方向車(chē)道的紅燈亮,車(chē)道,人行道禁止通行；南北方向車(chē)道的綠燈亮,車(chē)道,人行道通行；狀態(tài)3：東西方向車(chē)道的紅燈亮,車(chē)道,人行道禁止通行；南北方向車(chē)道的黃燈亮,車(chē)道,人行道緩行；4種狀態(tài)循環(huán)往復(fù),并且紅燈的倒計(jì)初始值為綠燈的倒計(jì)初始值和黃燈的倒計(jì)初始值之和。交通燈電路的具體運(yùn)行狀態(tài)框圖如圖2.1<人行道交通燈未標(biāo)明>所示：北北圖2.1交通燈運(yùn)行狀態(tài)分析圖2.2電路工作總體框圖交通燈控制電路主要由以下幾部分構(gòu)成,如圖2.2所示,有電源電路,脈沖電路,分頻電路,倒計(jì)時(shí)電路,<交通燈>狀態(tài)控制電路,燈顯示電路。脈沖電路分頻電路脈沖電路分頻電路倒計(jì)時(shí)電路顯示器狀態(tài)控制電路燈顯示電路電路電源電路供電2.3方案比較從交通燈控制電路功能模塊框圖可知在倒計(jì)時(shí)電路,狀態(tài)控制電路,燈顯示電路這三塊電路產(chǎn)生設(shè)計(jì)分歧。所以實(shí)現(xiàn)交通燈控制電路可以有2種方案：<1>先設(shè)計(jì)出讓交通燈按4種狀態(tài)循環(huán)變換的燈顯示電路,再通過(guò)燈的狀態(tài)控制倒計(jì)時(shí)顯示器的顯示的功能；<2>先設(shè)計(jì)讓倒計(jì)時(shí)顯示器按規(guī)律運(yùn)行的電路,再通過(guò)倒計(jì)時(shí)電路的信號(hào)來(lái)控制交通燈按4種狀態(tài)循環(huán)變換；方案1,2均符合設(shè)計(jì)的要求,但通過(guò)具體實(shí)踐和分析方案1顯示電路需要比較多的芯片,其電路不是太復(fù)雜,但是過(guò)程比較繁瑣。而方案2讓顯示電路來(lái)控制燈的發(fā)亮,這樣顯示電路就不受其他信號(hào)的影響,并且通過(guò)顯示電路來(lái)控制交通燈的狀態(tài)變換比較容易。綜上所述,選擇方案2來(lái)設(shè)計(jì)具體的電路。3交通燈控制電路設(shè)計(jì)3.1電源電路電源電路主要由整流、濾波、穩(wěn)壓三部分組成,用于供給數(shù)字電路的工作電源。整流部分由變壓器與整流橋KBP210G組成。220V、50Hz的交流輸入經(jīng)過(guò)變壓器之后,輸出9V、50Hz的交流電壓。該電壓輸入整流橋,整流橋由四只整流二極管接成電橋的形式組成。整流橋輸出8.1V的直流電壓。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波,由1mF的電容組成電容濾波電路。電容濾波電路簡(jiǎn)單,負(fù)載直流電壓較高,紋波也較小,適合負(fù)載電壓較高,負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。穩(wěn)壓電路用于穩(wěn)定電壓的輸出,由三端集成穩(wěn)壓器L7805和電容組成。C2、C3用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償,防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾,C4用于減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。圖3.1穩(wěn)壓電源3.2脈沖電路利用555定時(shí)器為主組成多諧振蕩器,輸出4Hz的矩型方波,實(shí)現(xiàn)脈沖電路功能。555定時(shí)器的原理圖如圖3.2所示,功能表如表1所示：圖3.2555定時(shí)器原理圖表1555定時(shí)器功能表輸入輸出閥值輸入<>觸發(fā)輸入<>復(fù)位<>輸出<>放電管T00導(dǎo)通11截止10導(dǎo)通1不變不變組成的脈沖電路如圖3.3所示：R2RR2R1圖3.3脈沖電路根據(jù)功能表和電路圖計(jì)算如下：取R1=10k,R2=10k,C=1.6uF。即可實(shí)現(xiàn)輸出4Hz的矩型方波。值得注意的是,在輸出端接上了一個(gè)開(kāi)關(guān),可以控制系統(tǒng)工作的開(kāi)始和暫停。3.3分頻電路分頻電路利用計(jì)數(shù)器74LS193來(lái)實(shí)現(xiàn),根據(jù)上面計(jì)算取4分頻,即輸出為端,電路如圖3.4所示：時(shí)間脈沖時(shí)間脈沖圖3.4分頻電路3.4倒計(jì)時(shí)電路十字路口要有數(shù)字顯示,作為倒計(jì)時(shí)提示,以便人們更直觀地把握時(shí)間。具體為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r,置顯示器為某值,然后以每s減1的計(jì)數(shù)方式工作,直至減到數(shù)為5和0,十字路口綠、黃、紅燈變換,一次工作循環(huán)結(jié)束,而進(jìn)入下一步某方向的工作循環(huán)。根據(jù)題目的要求南北方向〔主干道車(chē)道和東西方向〔支干道車(chē)道兩條交叉道路上的車(chē)輛交替運(yùn)行,主干道每次通行時(shí)間都設(shè)為30s、支干道每次通行時(shí)間為20s。也就是一個(gè)循環(huán)是50s,如此先顯示30s后顯示20s倒計(jì)時(shí),然后再顯示30s倒計(jì)時(shí),以此類(lèi)推。設(shè)計(jì)時(shí)采用兩塊74LS193,一塊是顯示十位,一塊是顯示個(gè)位。個(gè)位接成十進(jìn)制,從9開(kāi)始倒計(jì)時(shí),當(dāng)?shù)竭_(dá)0時(shí),向高位發(fā)出一個(gè)借位信號(hào),再繼續(xù)從9倒計(jì)時(shí)。一開(kāi)始使十位數(shù)置數(shù)為3,二進(jìn)制為0011,個(gè)位數(shù)為0,二進(jìn)制為0000,此時(shí)個(gè)位產(chǎn)生一個(gè)借位信號(hào)給十位的脈沖輸入端,十位的74LS193芯片倒計(jì)時(shí)一次,結(jié)合個(gè)位的設(shè)置,電路從30開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。當(dāng)主車(chē)道綠燈亮了25s,倒計(jì)時(shí)也已經(jīng)數(shù)到了5了,此時(shí),個(gè)位顯示5,十位顯示0,主車(chē)道的綠燈熄滅,主車(chē)道的黃燈開(kāi)始倒計(jì)時(shí)閃亮5s,當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)到0后,個(gè)位芯片74LS193發(fā)出一個(gè)借位信號(hào),向高位借數(shù),但是高位已經(jīng)是0了,按照要求此時(shí)十位應(yīng)該是從0翻轉(zhuǎn)2,即二進(jìn)制0010,為了實(shí)現(xiàn)這功能,通過(guò)研究十位的二進(jìn)制數(shù)發(fā)現(xiàn),十位的二進(jìn)制是從0011、0010、0001到0000計(jì)數(shù)完,翻轉(zhuǎn)為二進(jìn)制0010,然后從0010、0001到0000倒計(jì)時(shí),當(dāng)?shù)?000后就結(jié)束一個(gè)循環(huán),又從0011開(kāi)始新的一個(gè)循環(huán)。從二進(jìn)制0011和0010兩個(gè)不同的預(yù)置數(shù),發(fā)現(xiàn)可以用1個(gè)D觸發(fā)器74LS74接成T觸發(fā)器并把Q端接至十位倒計(jì)時(shí)的最低位來(lái)完成這個(gè)功能。高位產(chǎn)生借位信號(hào)時(shí)將Q端的信號(hào)置入,當(dāng)這個(gè)借位信號(hào)〔低電平消失后,產(chǎn)生一個(gè)上升沿的脈沖信號(hào),使T觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)然后保持,下一個(gè)借位信號(hào)來(lái)時(shí)就把此時(shí)的Q值置入〔此時(shí)Q值為原來(lái)的非,即由0變1或由1變0,然后翻轉(zhuǎn)。通過(guò)以上置數(shù)方式可實(shí)現(xiàn)0011和0010的交替置入。另外,通過(guò)在特定時(shí)刻〔倒計(jì)時(shí)高位由0000變?yōu)?010后對(duì)T觸發(fā)器進(jìn)行清零,可實(shí)現(xiàn)主次干道通行時(shí)間的調(diào)整。最后將電路的倒計(jì)時(shí)接到譯碼器74HC4511,再接到共陰極數(shù)碼顯示管上顯示十進(jìn)制數(shù)字。據(jù)此畫(huà)出倒計(jì)時(shí)電路如圖3.5所示：圖3.5倒計(jì)時(shí)電路3.5狀態(tài)控制電路如圖2.1,用倒計(jì)時(shí)控制燈的變化,先將圖示狀態(tài)0、1、2、3編碼為00、01、10、11,當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為30、20、5的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)給狀態(tài)轉(zhuǎn)換的電路,而這個(gè)信號(hào)是電平信號(hào)的話就很難實(shí)現(xiàn),所以又用了邊沿觸發(fā),此時(shí)用計(jì)數(shù)器表示狀態(tài),取其低兩位的計(jì)數(shù)態(tài)00、01、10、11為燈的狀態(tài),這樣的話,來(lái)一個(gè)邊沿信號(hào)就能使計(jì)數(shù)器加一,實(shí)現(xiàn)上述四狀態(tài)轉(zhuǎn)換。畫(huà)出狀態(tài)控制電路信號(hào)轉(zhuǎn)換表如表2所示：表2狀態(tài)控制電路信號(hào)轉(zhuǎn)換表高位低位狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)CP〔001100000010000000000101由表得出CP〔的表達(dá)式：電路圖如圖：控制脈沖控制脈沖圖3.6狀態(tài)控制電路3.6燈顯示電路首先要把控制的脈沖接入計(jì)數(shù)器74LS193的非減數(shù)的脈沖端,因?yàn)槊}沖主要有四個(gè),四個(gè)為一個(gè)循環(huán),只取計(jì)數(shù)器的低位兩位即可,除了讓計(jì)數(shù)器工作的接入端需要接電平外,其他端都不用接,再將計(jì)數(shù)器的低兩位接入譯碼器74LS138的低位兩端,從譯碼器輸出四位、、、信號(hào),低電平有效,每一種低電平表示一種狀態(tài),用、、表示主干道的綠燈、黃燈、紅燈,用、、表示支干道的綠燈、黃燈、紅燈,用、表示主干道方向上的人行道,用、表示支干道上的人行道,得出狀態(tài)表如表3所示。表3燈顯示電路狀態(tài)表狀態(tài)譯碼信號(hào)主車(chē)道支車(chē)道主人行道支人行道0011101000011001011101010001100110101100110001101101110010100110由表得個(gè)各個(gè)燈的表達(dá)式：=======+=+===+=+==為了讓黃燈能每s閃亮一次,可以在黃燈那里加入一個(gè)與門(mén),把黃燈發(fā)亮的信號(hào)當(dāng)成是與門(mén)的開(kāi)通信號(hào),與門(mén)的另一端接入時(shí)間脈沖,那么黃燈就可以實(shí)現(xiàn)每s閃亮一次的功能了。畫(huà)出燈顯示電路如圖3.7所示：紅燈主車(chē)道綠燈紅燈人行道行人道綠燈紅燈黃燈紅燈綠燈綠燈黃燈支車(chē)道時(shí)間脈沖控制脈沖紅燈主車(chē)道綠燈紅燈人行道行人道綠燈紅燈黃燈紅燈綠燈綠燈黃燈支車(chē)道時(shí)間脈沖控制脈沖圖3.7燈顯示電路3.7總體電路圖根據(jù)上面各功能電路的設(shè)計(jì)整合,用proteus仿真軟件畫(huà)出總體電路圖如3.8所示：圖3.8交通燈控制電路4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差分析1電源電路：表4電源電路誤差分析表理想值實(shí)驗(yàn)值誤差電壓輸出5v5.04v0.8%結(jié)論：與理想值相差微小,原因?yàn)樵骷旧韱?wèn)題,符合設(shè)計(jì)要求。2十字路口交通燈轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì):表5交通燈轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表次數(shù)主干道支干道20次綠黃黃紅紅綠綠黃黃紅紅綠正確正確正確正確正確正確結(jié)論：干道交通燈轉(zhuǎn)換無(wú)問(wèn)題。3人行道交通燈轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：表6人行道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表次數(shù)主干道20次綠閃閃紅紅綠正確正確正確結(jié)論：人行道交通燈轉(zhuǎn)換無(wú)問(wèn)題。4調(diào)試中發(fā)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)的過(guò)程中,從20倒計(jì)時(shí)至00,再變?yōu)?0或是從30倒計(jì)時(shí)至00,再變?yōu)?0,都有一瞬間有短暫的加快計(jì)數(shù)狀態(tài),本來(lái)是一秒倒計(jì)一次,但實(shí)際上可能是0.7s左右。結(jié)論：這樣的誤差很小,不影響整個(gè)系統(tǒng)的功能。5課程設(shè)計(jì)的收獲、體會(huì)和建議致謝感謝學(xué)校給我們鍛煉的機(jī)會(huì),感謝老師們的指導(dǎo),在組員們的努力下,和同學(xué)們的互相幫助,互相啟示,最終設(shè)計(jì)出電路來(lái),非常感謝在過(guò)程中幫助過(guò)我們的每一個(gè)人！在電路設(shè)計(jì)和論文寫(xiě)作的過(guò)程中,得到了許多同學(xué)的寶貴建議,同時(shí)還得到他們的支持和幫助,在此一并致以誠(chéng)摯的謝意。最后,向在百忙中抽出時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行評(píng)審并提出寶貴意見(jiàn)的各位老師表示衷心地感謝！參考文獻(xiàn)[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.第5版.北京：高等教育出版社,2006.485-500[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分.第5版.北京：高等教育出版社,2006.1-430[3]劉明丹.基于數(shù)字電路對(duì)交通燈控制的研究與設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理.2005,22<6>：03-06[4]任中民.交通燈數(shù)字控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì).XX省交