簡易交通信號燈控制器設(shè)計和實現(xiàn) 汽車運用工程專業(yè)

(1)被測信號的頻率范圍100Hz~10KHz;(2)輸入信號為正弦信號或方波信號;(3)四位數(shù)碼管顯示所測頻率,并用發(fā)光二極管表示單位;(4)具有超量程報警功能.2、摘要頻率計在數(shù)字電路中被廣泛應(yīng)用，他可以實現(xiàn)對周期信號的頻率測量，從而間接地對信號周期的測量，打破了計時器不能對高頻信號周期測量的限制。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，大規(guī)模集成芯片的出現(xiàn)以及可編程控制技術(shù)的提高，頻率計的設(shè)計從傳統(tǒng)的單元設(shè)計步入可自動控制的集成設(shè)計，極大地提高了頻率計的精確度，使得電路設(shè)計簡單化，更為清晰明了。本設(shè)計通過對高頻小信號或大信號的放大整形或衰減放大整形，是被測信號轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率等幅度的方波信號，然后使此信號通過有標準時基電路控制的閘門，再依次通過計數(shù)器、鎖存器、譯碼器，最后由數(shù)碼管以十進制形式顯示頻率值。3、總體設(shè)計方案論證及選擇數(shù)字頻率計的設(shè)計有多種方法，從采用的芯片類型和技術(shù)劃分,有五中設(shè)計方案：方案一：采用通用中小規(guī)模集成芯片SSI,MSI等純硬件設(shè)計,方法比較繁瑣和陳舊，在技術(shù)上是可行的，可以簡化電路的設(shè)計，但對于設(shè)計中要求的某些指標，采用專塊模塊來完成比較困難，及擴展極為不便。方案二：采用單片數(shù)字頻率計芯片,如ICM7216等專用芯片硬件實現(xiàn),簡單易行,但只有固定的一般功能和通用的基本指標。例如，由美國Intersil公司首先研制的單片頻率計ICM7216D專用測頻大規(guī)模集成芯片。它是標準的28引腳的雙列直插式集成電路，采用單一的+5V穩(wěn)壓電源工作。它內(nèi)含高頻振蕩器、10進制計數(shù)器、7段譯碼器、位多路復用器、能夠直接驅(qū)動LED顯示器的8段—段碼驅(qū)動器、8位—位碼驅(qū)動器。其基本的測頻范圍為DC至10MHz，若加預(yù)置的分頻電路，則上限頻率可達40MHz或100MHz，單片頻率計ICM7216D只要加上晶振、量程選擇、LED顯示器等少數(shù)器件即可構(gòu)成一個DC至40MHz的微型頻率計，可用于頻率測量、機械轉(zhuǎn)速測量等方面的應(yīng)用。方案三：采用單片機系統(tǒng)設(shè)計。單片機內(nèi)部具有定時器、計數(shù)器和高穩(wěn)定的標準頻率源等硬件資源以及靈活的軟件運算和控制功能，能夠十分方便地對外部信號進行計數(shù)，并且可以實現(xiàn)邏輯控制及數(shù)據(jù)運算。單片機應(yīng)用于數(shù)字頻率計中可以大大提高頻率計的自動化程度和靈活性，同時，也提高了頻率計的精確度方案四：采用PLD(包括大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD/FPGA等)系統(tǒng)設(shè)計。方案五：采用單片機和CPLD/FPGA結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計。采用CPLD配合單片機的設(shè)計方案，具有造價較低、速度高、精度高的優(yōu)點，并且可以通過軟件下載而達到儀器硬件升級的目的利用FPGA進行測頻計數(shù)，單片機實施控制實現(xiàn)多功能頻率計的設(shè)計頻率計利用FPGA來實現(xiàn)頻率、周期、脈寬和占空比的測量計數(shù)。利用單片機完成整個測量電路的測試控制、數(shù)據(jù)處理和顯示輸出。從測量的指標上講，頻率計的設(shè)計方法主要有以下兩種方法：方法一：直接測頻法，即在一定閘門時間內(nèi)測量被測信號的脈沖個數(shù)。此種設(shè)計方法是大多數(shù)頻率計設(shè)計的主要思路，它對高頻信號的測頻準確度較高，其誤差為加1或減1，但對低頻信號的測量誤差較大，甚至不能實現(xiàn)測量。方法二：間接測頻法，即周期測頻法。間接測頻法利用計時器對信號的周期進行測量，此法對低頻信號的測量簡單方便，其精確度也較高。但對于高頻信號的測量就難以實現(xiàn)，頻率越高，其周期越小，對計時器的精確度要求就高了很多，如今計時器難以提高精度。因此，此方法只適用于低頻信號，通常是頻率小于1的。根據(jù)本課題的要求及測頻范圍(100Hz~100KHz)，本次設(shè)計采用直接測頻法。利用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生時基信號，在標準時間1s(或0.01s)內(nèi)閘門打開，在這個標準的時間內(nèi)將有放大整形后的被測信號通過，與此同時由JK觸發(fā)器構(gòu)成的鎖存信號和清零信號實現(xiàn)對記錄數(shù)值的鎖存以便讀數(shù)，清零信號清除已記錄的數(shù)據(jù)以便在此記錄。來自計數(shù)器的二進制數(shù)據(jù)依次通過鎖存器，譯碼器，最后由數(shù)碼管顯示十進制數(shù)據(jù)。4、設(shè)計方案原理圖、總體電路圖、接線圖及說明1)根據(jù)所選方案可畫出設(shè)計原理圖如下2）基于單元電路的設(shè)計可得總體電路圖如下本設(shè)計中，頻率計具有兩個單位置換。當選1Hz單位時，能夠測到0~9999Hz范圍；當選1kHz單位時，能夠測到0.0~999.9kHz范圍。超過以上范圍，通過報警裝置（發(fā)光二極管）提示超量程。在讀數(shù)方面鎖存信號持續(xù)時間是1.3秒有足夠的時間進行讀數(shù),每隔2.6秒測量一次可通過多次測量求平均值減小系統(tǒng)誤差。在整形放大電路中利用運算放大器和外接限流電阻可構(gòu)成過零比較器，其工作穩(wěn)定性和靈敏性較高，即使是微弱信號也能實現(xiàn)過零比較，在輸出端可得到等幅度滿足要求的方波信號。十位BCD顯示器的小數(shù)點引出端A與KHz單位端的A點相接，可以實現(xiàn)小數(shù)點顯示。在測量信號頻率時，在電源接通的前提下，首先按一下動斷開關(guān)S，分別給兩JK觸發(fā)器置零以及對四個計數(shù)器進行清零，然后再接入信號進行測量。5、單元電路設(shè)計及其主要元器件選擇與電路參數(shù)計算放大整形生活中所遇到的頻率從小到大，其范圍變化是很大的而且小的信號通常不能直接在電子電路中被識別，此外門電路對電壓的高低是有界限的(VOH.>=2.4V、VOL<=0.3V)。對邏輯的運算也需要一定寬度的高或低電平脈沖。因此，對微弱信號的放大是頻率計測量微弱信號頻率所不可缺少的一步。其放大電路的組成可采用兩種元器件構(gòu)成。第一種是由分立元件晶體管及其附屬的電阻電容元件構(gòu)成；第二種是采用集成運算放大器及外接元件構(gòu)成.前者電路外接點多，隔直電容易產(chǎn)生振蕩，且輸出電流較大。后者電路構(gòu)成簡單，輸出電流小，且能夠消除內(nèi)部晶體管極間電容產(chǎn)生自激振蕩，工作穩(wěn)定。因此，選擇集成運算放大器作為主要放大元件。其放大電路如下：將放大后的正弦信號或方波信號整形為能測頻的方波信號，可以采用基本RS觸發(fā)器，555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或由運算放大器構(gòu)成的過零比較器。前兩者在觸發(fā)輸出時有一定的延遲，而且，對觸發(fā)器初狀態(tài)控制有一定要求.后者相對前者，無此限定，更為簡單，選擇后者為整形電路主要器件。在電壓比較器的輸出端接有一穩(wěn)壓二極管，可對輸出電壓幅度起到限定作用，使輸出電壓幅度穩(wěn)定在+Uz。穩(wěn)壓管選擇2CW54穩(wěn)定電壓Uz為5.5~6.5V。其波形圖如下時基脈沖電路及鎖存,清零控制信號電路標準時間和邏輯控制信號產(chǎn)生有多種方法。利用石英振蕩器產(chǎn)生高頻脈沖信號，通過分頻器的分頻可獲得不同標準時間門控信號，實現(xiàn)多單位置換功能，可得到頻率測量更高的頻率計；利用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，能夠通過改變充放電的時間來改變脈沖輸出的占空比。本次設(shè)計采用后者。555定時器是一種功能強大的模擬數(shù)字混合集成電路，應(yīng)用十分廣泛,它由TTL集成定時電路和CMOS集成定時電路,這二者功能完全相同,不同之處是:TTL集成定時電路的驅(qū)動能力比CMOS集成定時電路大。555集成定時器內(nèi)部邏輯電路和外引線排列如下：由555構(gòu)成的多諧振蕩器當k接1Hz端時，發(fā)光二級管發(fā)光，以示單位。其中的參數(shù)如下設(shè)定：考慮到充電和放電時間較長，取C=100uF。根據(jù)tp11=0.7R1C=1s，tp12=0.7RoC=0.3s，可算得：R1=142.86KΩ，Ro=4.286KΩ，其輸出波形如下由以上波形圖可以得到Q端的信號可作為鎖存信號Y,使得顯示器的顯示不受下一個標準時間1s(或0.01s)的計數(shù)影響,鎖存持續(xù)時間1.3s.由Q端信號與CP通過一與非門可得清零信號Z,其邏輯電路圖如下:當k接1kHz端時，指示1kHz單位的發(fā)光二極管發(fā)光。其中的參數(shù)如下設(shè)定：根據(jù)tp21=0.7R2C=0.01s，可算得R2=143Ω。其輸出波形如下將標準時間信號1s(或0.01s)輸入JK觸發(fā)器的CP端，J和K都接高電位，其輸出狀態(tài)為零。根據(jù)JK觸發(fā)器后沿觸發(fā)的特性可得如下：閘門電路要記錄在1s標準時間信號內(nèi)待測信號的高電平數(shù),而且只能使待測信號在1s的高電平時有輸出,其它均為低電平,于是就要控制信號脈沖通過閘門,以便于控制計數(shù)器的輸入脈沖.使計數(shù)器實現(xiàn)在1s的標準時間信號對被測到的高電平進行準確計數(shù),在標準準時間結(jié)束時間門關(guān)閉,計數(shù)器不在計數(shù).由此可知,此閘門可選擇一個與非門對被測信號進行控制,其波形圖如下.選擇元器件74LS00與非門集成芯片計數(shù)器160為可預(yù)置的十進制同步計數(shù)器,它的清除端是異步的。當清除端/MR為低電平時,不管時鐘信號CP狀態(tài)如何,即可完成清零功能。160的預(yù)置是同步的。當置入控制器/PE為低電位時,在ＣＰ上升沿作用下，輸出端Ｑ0-Q3與數(shù)據(jù)輸入端P0-P3一致,對于54/74160，當CP由低至高跳變或跳變前,如果計數(shù)控制端CEP、CET為高電平，則/PE應(yīng)避免由低至高電平的跳變,而54/74LS160無此種限制。160為可預(yù)置的十進制同步計數(shù)器,共有54/74160和54/74LS160兩種線路結(jié)構(gòu)形式,其主要電特性的典型值如下:型號FmaxPDCT54160/CT7416032MHz305mwCT54LS160/CT74LS16032MHz93mw160的清除端是異步的。當清除端/MR為低電平時,在CP上升沿作用下,輸出Q0-Q3與數(shù)據(jù)輸入端P0-P3一致,對于5474160，當CP由低至高跳變或跳變前,如果計數(shù)控制端CEP、CET為高電平,則/PE應(yīng)避免由低至高電平的跳變,而54/74LS160無此種限制。160的計數(shù)是同步的,靠CP同時加在四個觸發(fā)器上面實現(xiàn)的。當CEP、CET均為高電平時，在CP上升沿作用下Q0-Q3同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。對于54/74160，只有當CP為高電平時，CEP、CET才允許由高至低電平的跳變，而54/74LS160的CEP、CET跳變與CP無關(guān)。160有超值前進位功能，當計數(shù)溢出時，進位輸出端(TC)輸出一個高電平脈沖，其寬度為Q0的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級聯(lián)成N為同步計數(shù)器。對于54/74LS160，在CP出現(xiàn)前，即使CEP、CET、/MR發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。5）鎖存器74ls273中文資料:是帶有清除端的8D觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，采用上升沿鎖存。74LS273是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器，1D～8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q～8Q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作8位地址鎖存器。6）譯碼器從計數(shù)器所輸出的計數(shù)形式為四位二進制，要實現(xiàn)十進制的顯示效果，必須將8421碼轉(zhuǎn)化為一一對應(yīng)能使七段發(fā)光二極管對應(yīng)發(fā)光，實現(xiàn)四位二進制轉(zhuǎn)化為七位二進制。能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能的稱為譯碼器譯碼器的種類很多，有3/8線譯碼器，2/4線譯碼器，4/16譯碼器。為了滿十進制的顯示需要并設(shè)計選用二——十進制譯碼器，此外1s的標準時間通過后必須對顯示器數(shù)字進行鎖存，以延長顯示時間，方便于讀數(shù)。在這里選用譯碼器74LS2474線——七段譯碼器/驅(qū)動器（BCD輸入，OC15V）其說明如下輸出端（a~g）為低電平有效，可直接驅(qū)動指示燈或共陽極LED。當要求輸入0~15V時，消隱輸入（/BI）應(yīng)為高電平或開路，對于輸出0時還要求脈沖消隱輸入（/BRI）為高電平或開路；當BI為低電平時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，a~g均為截止態(tài)；當/RBI和地址端（A~D）均為低電平，并且燈測試（/LT）為高電平，a~g均為截止態(tài)，脈沖消隱輸出（/RBO）為低電平。當BI為高電平開路時，/LT的低電平可使a~g為低電平。引出端符號說明：A、B、C、D譯碼地址輸入端/BI、/RBO消隱輸入（低電平有效）脈沖消隱輸出（低電平有效）/LT燈測試輸入端（低電平有效）/RBI脈沖消隱輸入端（低電平有效）a~g段輸出（低電平有效）7）顯示器單個LED是由7段發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示單元，有10個引腳，對應(yīng)于7個段、一個小數(shù)點和兩個公共端。LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。下圖是八段LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)和原理圖。八段數(shù)碼管由八只發(fā)光二極管組成，編號是a、b、c、d、e、f、g和dp，分別與同名管腳相連。七段LED顯示管比八段LED少一只發(fā)光二極管SP，其它與八段LED相同，SP顯示段用于顯示小數(shù)點。本次設(shè)計中采用的是共陽極顯示器。8)報警電路由JK觸發(fā)器和發(fā)光二極管構(gòu)成報警裝置，當千位計數(shù)器的Q3端由1下跳到0時，JK觸發(fā)器后沿觸發(fā)，Q端為1，發(fā)光二極管導通發(fā)光，以此來顯示超過了四位顯示器的顯示上限9999Hz或999.9KHz。其電路圖如下：6收獲與體會,存在的問題等通過對本次頻率計的設(shè)計，使我了解到了許多數(shù)字電路設(shè)計的知識，以及一些電器元件的功能和使用方法。對數(shù)字電路有了些基本認識，與此同時也感受到數(shù)字電路設(shè)計的多樣性和復雜性，對電路中元器件選擇的好與不好直接影響到整個電路的結(jié)構(gòu)復雜程度和精確程度，特別是對電容和電阻的選擇比較困難。在大量資料中對于數(shù)字頻率計的設(shè)計都用到單片機和石英晶體產(chǎn)生高頻時基信號，有的應(yīng)用程序自動控制邏輯電