十字路口交通灯仿真电路设计.doc

《模拟电路与数字电路》
课程设计报告
设计题目： 十字路口交通灯仿真电路设计
学 院： 信息工程学院
专 业： 物联网工程
组长信息： 201324090116 李研伟
同组同学： 201324090127 王艺
201324090103 陈思怡
201324090121 李橙
2013240901231 冶莎
指导教师： 杨 云
成 绩：
2015年7月2日星期四

目录
第一章 摘要 3
第二章 设计任务与要求 3
2.1 方案设计与论证 3
2.2数字时钟任务书 4
第三章 系统设计 5
3.1方案论证 5
3.2 系统设计 5
3.2.1 结构框图及说明 5
3.2.2 系统原理图及工作原理 6
3.3 单元电路设计 8
3.3.1单元电路工作原理 8
3.3.2元件参数选择 11
第4章 软件仿真 15
4.1 仿真电路图 15
4.2 仿真过程 16
4.2.1 1Hz标准脉冲发生器 16
4.2.2计数设计 17
4.2.3 译码显示电路设计 17
4.3仿真调试 18
4.4电路功能与特性总结： 19
4.5 结论 19
第五章 参考文献 20
第六章 收获、体会和感激 20

第一章 引言概述
第一章 摘要
我们通过Multisim 13对十字路口的红绿灯进行模拟。通过模拟的过程，我们对加法器，减法器，555定时器等器件有了更好的了解和更多的使用经验。
关键词： Multisim 红绿灯 555定时器
We stimulated the traffic lights in cross roads by the Multisim 13. During the process, we had better understanding on summator, subtractor and 555 timer etc.
Key Words: Multisim, traffic lights, 555 timer
第二章 设计任务与要求
2.1 方案设计与论证
该设计主要由以下几部分组成：时钟，累加器，2位十进制减法器以及led数码管和发光二极管。
数字钟数字显示部分，采用译码与二极管串联电路，将译码器、七段数码管连接起来，组成十进制数码显示电路，即时钟显示。要完成显示需要两个数码管，红黄绿三个灯的时间分别是红灯20秒，黄灯2秒，绿灯35秒。要实现在指定的时间转换阶段，需要通过加法器和门电路来联合控制。信号源通过在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真，频率可以随意调整。我们通过补码相加的方式自行拼接了一个10进制减法器，我们采用555定时来产生脉冲并分频为1Hz，这导致了计时的不稳定。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。主体思路如图1所示：
2.2数字时钟任务书

十字路口交通灯仿真电路设计
组长
李研伟
指导老师
杨云

设计主题
十字路口交通灯仿真电路设计
1、 设计一个十字路口红绿灯的模拟电路。
2、 用模拟软件Multisim进行模拟，实验，调试。

设计要求
1．设计+5V稳压电源；
2．用LED管显示当前灯剩余秒数；
3．显示当前亮灯；
4．应用Multisim仿真软件对电路进行关键元器件参数的选择、主要功能特性的仿真电路特性分析。

设计背景

在Multisim仿真软件的基础上，设计出一个简易十字路口交通灯仿真电路设计，本次课程设计总时间为4天，并完成课程设计报告。
小组成员
学号
李研伟
201324090116
王艺
201324090127
陈思怡
201324090103
冶莎
201324090131
李橙
201324090121
完成时间
2015.7.5

第三章 系统设计

3.1方案论证
十字路口的红绿灯，只显示秒数。只有二进制到十进制的转换。所以我们用555振荡电路以及函数信号发生器分别作为时钟。通过两个累加器和2位十进制减法器来实现倒计时功能。累加器使用74LS160D构成，2位十进制减法器则由三片74LS283D组成。
3.2 系统设计
3.2.1 结构框图及说明
译码显示
改变通断

十进制减法器
LED显示

时钟/分频器
晶体
振荡器

图 1 设计框架图
3.2.2 系统原理图及工作原理

系统原理图，如图2所示。

图 2 系统原理图

用555电路构成的1KHz多谐振荡器，调节电阻R2可以改变输出信号频率。74LS160是二，五，十进制同步加法器，用三片74LS90构成三级十分频器，将1KHz矩形波分频得到1Hz基准秒计时信号。由于74LS160是十进制计数器，分别将个位接成十进制计数器，十位接成六进制计数器，分别将个位的RCO输出端接十位的9脚端，就构成60进制计数器，用两个相同的60进制计数器分别做作为秒，分计时，并在个位和十位输出端接上数码显示管显示小时计数器直接采用整体反馈清零法构成24进制计数器。
工作原理：振荡电路产生的1KHZ脉冲信号经三级十分频电路分频后产生的1HZ脉冲信号输入74LS90N连成的60进制秒计数器，再由秒计数器每60秒进位输出给60进制分钟计数器，分钟计数器满60后产生进位信号输入给24进制小时计数器，从而实现24小时制电子钟的功能。
3.3 单元电路设计

3.3.1单元电路工作原理
1、时钟电路工作原理，如图3所示。

图 3 555振荡电路电路
说明：采用555振荡电路，以防万一还准备了一个函数信号发生器。

图4 累加器

说明：采用同步时序信号控制，用个位的进位端控制十位的使能端，当个位有进位时，芯片工作，输入十位的脉冲信号有效，当十位为2，个位为3的时候，同时给两个芯片的预置端一个有效信号，使之清零。

74LS160构成的60进制计数器和24进制计数器如图3和图4所示。
秒、分、时分别为60、60和24进制计数器。秒、分均为六十进制，即显示00~59，它们的个位为十进制，十位为六进制。

图5 2位十进制减法器

图6 时钟总体电路

3.3.2元件参数选择

1、加法器 74LS161D

2、 MUX_4TO1

3、 74LS283D 加法器

4、函数信号发生器

5、数码管 DCD_HEX_GREEN

5、555_TIMER_RATED 管脚图如图7

图7 555_TIMER_RATED 管脚图
6、74LS90N 管脚图如图8 功能表如图9

图8 74LS90N管脚图

图 9 74LS90N 功能表

7、74LS160N 管脚图如图10 功能表如图11

图10 74LS160N管脚图

图11 74LS160N 功能表

第4章 软件仿真
4.1 仿真电路图
仿真图 如图 12

图 12 数字电子钟仿真图

4.2 仿真过程

4.2.1 1Hz标准脉冲发生器
振荡器可由晶振组成，也可以由555与RC组成的多谐振荡器。由555定时器得到1Hz的脉冲，功能主要是产生标准秒脉冲信号和提供功能扩展电路所需要的信号。仿真分析开始前可双击仪器图标打开仪器面板。准备观察被测试波形。按下程序窗口右上角的启动／停止开关状态为1，仿真分析开始。若再次按下，启动／停止升关状态为0，仿真分析停止。电路启动后，需要调整示波器的时基和通道控制，使波形显示正常。为了便于观察特把频率加大。由图可见，所设计的电路可以产生方波。为了更精准的实验数据，我们安装了一个函数信号发生器以防万一。

图7(a). 产生1Hz的脉冲波形

4.2.2计数设计
在数字钟的控制电路中，分和秒的控制都是一样的，都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的，在电路的设计中我采用的是统一的器件74LS161N的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能，根据74LS161的结构把输出端的0101（十进制为5）用一个与非门74LS00引到Load端便可置0，这样就实现了六进制计数。同样，在输出端的1001（十进制为9）用一个与非门74LS00引到Load端便可置0，这样就实现了十进制计数。在分和秒的进位时，用秒计数器的Load端接分计数器的CLK控制时钟脉冲，脉冲在上升沿来时计数器开始计数。
时计数器可由两个十进制计数器串接并通过反馈接成二十四制计数器。
4.2.3 译码显示电路设计
译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。
由计数器得到的4位二进制码的必须通过译码后转为人们习惯的数字显示。如12：54：30的二进制码为00010010：01010100：00110000。译码之后再驱动7段数码管显示时、分、秒。LED七段显示数码管显示时、分、秒。[5][2]

4.3仿真调试
Multisim13是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库。有超强板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim13软件进行设计仿真分析的基本步骤为:设计创建仿真电路、原理图电路图、选项的设置、使用仿真仪器、设定仿真分析方法，启动Multisim13仿真。
仿真分析开始前可双击仪器图标打开仪器面板。准备观察被测试波形。按下程序窗口右上角的启动／停止开关状态为1，仿真分析开始。若再次按下，启动／停止升关状态为0，仿真分析停止。电路启动后，需要调整示波器的时基和通道控制，使波形显示正常。
在Multisim软件中，根据数字钟的总电路图，设置函数发生器的频率为1Hz，把A开关和B开关都接到与非门的那端，再运行就可以让数字钟自行计数了。如果运行的太慢可以适当调节函数发生器的频率。如果把A开关接到函数发生器上，就是对小时进行校正，如果把B开关接到函数发生器上那就是对分进行校正。小时的计数是从01到12，不是从00到11，但在校正小时位时初始状态仍为00。
振荡器的仿真可以直接运行，然后用示波器观察现象便可。直流稳压电源的仿真中可以看到用万用表测量出关键点的电压5.123V。用示波器A通道和B通道分别显示整流滤波后电压UI的波形和稳压输出电压UO的波形，从示波器显示窗口可以看出：上面一条锯齿波曲线为UI波形，下面一条线为UO波形。如果以上设计的电路通过模拟仿真分析，不符合设计要求，可通过逐渐改变元器件参数，或更改元器件型号，使设计符合要求，最终确定出元器件参数。并可对更改的电路立即进行仿真分析，观察虚拟结果是否满足设计要求。
4.4电路功能与特性总结：
本设计的十字路口仿真电路可以比较好的模拟出十字路口红绿灯的控制效果，也可以通过LED数码管来显示切换到下一个状态的剩余时间，功能并不复杂。
调试时有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，所以得换不少器件，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。Multisim软件有时会出问题，在理论上可行的电路在调试中未必能显示出来，这就需要耐心、仔细地分析和解决问题，不断地尝试才能得出正确的答案。
4.5 结论
由震荡器、加法器、计数器、BCD-七段显示译码/驱动器、LED七段显示数码管设计了十字路口的红绿灯仿真电路，经过仿真得出较理想的结果，说明电路图及思路是正确的，可以实现所要求的基本功能： 三种三色的灯相互转换，并且显示剩余时间。

第五章 参考文献

第六章 收获、体会和感激
经过这一次的课程设计，我对数字电路的设计和制作产生了更深刻的认识和理解，也对之前学到的知识和做过的实验有了更深刻的认识。了解了诸多芯片在实际使用和设计中的作用和地位。这次课程设计我做到了十分快速的熟悉软件、实用软件，也通过软件巩固了自己的知识。
在调试中会遇到各种各样的问题，电路的调试提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题，也包括怎样去查找问题。似乎所有的事都得自己新手去操作才会在脑海中留下深刻的印象，这个小小的课程设计让我可以熟练的操作multisim软件，也了解了不少器件的功能的应用，也加深了对数字电路认识和理解。
在这一周的时间内，我要感谢陈思怡同学对我们组做出的宏伟贡献，以及王艺同学对我和陈思怡同学的大力支持。更要感谢的是杨云老师在我们陷入瓶颈的时候对我们无私的指导和帮助。目 录
第一章 项目摘要 3
1.1项目基本情况 3
1.2建设目标 3
1.3建设内容及规模 4
1.4产品及去向 4
1.5效益分析 4
第二章 项目建设的可行性和必要性 5
2.1建设的必要性 5
2.2建设的可行性 5
2.3编制依据 6
2.4编制原则 9
第三章 项目建设的基础条件 9
3.1建设单位的基本情况 9
3.2项目的原料供应情况 10
3.3地址选择分析 10
第四章 产品 11
4.1沼气 11
4.2 沼气产量确定 12
4.3有机肥 13
4.4产品去向 13
第五章 沼气工程工艺设计 14
5.1工艺参数 14
5.2处理工艺选择 14
5.3工艺流程的组成 15
5.4厌氧处理工艺选择与比较 15
5.5沼气存储和净化工艺 16
5.6工艺流程 18
5.7沼气输配设施 19
5.8沼气计量设施 19
第六章 总体设计 19
6.1站内总体设计 19
6.2站外配套设计 19
第七章 土建设计 20
7.1建筑设计 20
7.2结构设计 20
第八章 电气设计 21
8.1设计依据 21
8.2设计规范 22
8.3 设计说明 22
8.4控制与保护 22
8.5防雷与接地 22
8.6配电系统 23
8.7防雷与接地 23
8.8 防爆设计 23
8.9供电负荷 23
第九章 安全、节能及消防 24
9.1安全生产 24
9.2防火消防 24
9.3节能 25
第十章 主要构（建）筑物、设备的设计参数 25
10.2 厌氧消化系统工艺参数设计 27
10.3 沼气净化系统工艺参数设计 28
10.4 沼气储存系统 28
10.5 沼肥储存系统 29
10.6配套设施区 29
第十一章 投资概算和资金筹措 30
11.1编制说明 30
11.2总投资估算表 31
11.3投资概算 33
11.4资金筹措 33
第十二章 项目实施进度和投招标 34
12.1进度安排 34
12.2招（投）标依据 34
12.3招（投）标范围 34
12.4招（投）方式 35
第十三章 项目组织与管理 35
13.1管理 35
13.2劳动定员和组织培训 37
第十四章 环境保护和安全生产 37
14.1污染源和污染物 37
14.2污染治理方案 38
14.3安全生产 39
第十五章 产品市场分析与预测 41
15.1沼气 41
15.2沼气发电 41
15.3沼液和沼渣 43
15.4（生态）农产品。 43
第十六章 社会、生态及经济效益分析 43
16.1社会效益 43
16.2生态效益 44
16.3经济效益 44
第十七章 结论 46
第十八章 附件 47