数字电路交通控制器设计.doc

课程设计报告

题 目： 交通控制器设计

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摘要

近年来随着数字电路在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，数字电路的应用正不断走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等优点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛的应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域。
通过本次课程设计进一步对数字电路的学习和应用，从而更熟悉芯片的应用，提高设计能力。本设计主要设计一个基于对铁路和公路交叉口交通这么一个实际问题的交通控制器，火车通过的时候红绿灯变换以及栏杆的拉起放下，并且用七段显示器显示倒计时的时间，同时蜂鸣器鸣笛。

关键字：交通控制器 74LS192 74LS74 蜂鸣器 七段显示管

交通控制器设计

目录
1．课程设计的目的
2．设计任务与要求
3．方案设计与论证
4．单元电路设计与参数计算
5．电路的安装与调试
6．遇到问题的解决方法
7．结论与心得
8．参考文献

1.课程设计的目的
交通信号灯与我们的生活紧密相连，设计交通灯不仅具有实用性,还加深了本人对数字电路理论知识的理解。通过这次动手实验，死板的课本知识就融入到动手能力中去了。
《数字电路》是一门发展迅速，实践性很强的电子技术专业基础课程。由于数字电子技术具有很强的灵活性，我们的日常生活已经越来越离不开它了。用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。数字电路的发展与模拟电路一样经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个时代。但其发展比模拟电路发展的更快。从60年代开始，数字集成器件以双极型工艺制成了小规模逻辑器件。随后发展到中规模逻辑器件；70年代末，微处理器的出现，使数字集成电路的性能产生质的飞跃。
由于数字电路技术的逻辑性很强，用它来设计交通灯的控制系统很容易实现。只要数字集成块在一定范围内输入，都能得到确定的输出，调试起来也比较容，电路的工作状态会比较稳定。
这次的设计就是通过一些基本的数字芯片组合来实现对铁路和公路交通的信号灯的控制，另外还加以倒计时数码管显示。以做到路口信号灯的仿真模型，这个电路的设计看似较为复杂，其实就是一些基本的数字电路组成。只要将整个电路的基本方向确定下来，画出电路流程图，在对各项功能进行设计，一步步突破，最后进行整理总结。
2.设计的任务与要求
1.设计报告的的总体要求
设计时要综合考虑实用、经济并满足性能指标要求；
以组为单位（两人一组）完成设计课题；
合理选用元器件；
按时完成设计任务并提交设计报告。
2.设计电路的功能要求

东西方向是铁路线，火车自西向东或者自动向西运行，P1.P2处是两个压敏传感器，传递当火车到达时候的信号。当火车靠近的时候，A.B处的栏杆自动放下，南北方向的车辆不能通过。
当火车离开P2时候开始倒数数15秒，用数字显示器显示。

设计一个电路，满足：
1.当火车由东向西或由西向东通过P1P2段，且当火车的任何部分位于P1P2之间时，栏杆A、B应同时放下，否则A、B同时抬起。
2.路口设置红、绿两色交通灯指示灯。在栏杆A、B放下时，路口的红色交通灯亮，绿色交通灯灭；当栏杆A、B抬起时，路口的绿色交通灯亮，红色交通灯灭。
3.如果火车自西向东开，经过P1点，红灯亮，绿灯灭，车尾经过P1时，红绿灯保持不变，当车头经过P2时，继续保持不变，当车尾经过P2时，红灯灭，绿灯亮。
4.如果火车自东向西开，经过P2点，红灯亮，绿灯灭，当车尾经过P2时，红绿灯保持不变，当车头经过P1时，继续保持不变，当车尾经过P1时，红灯灭，绿灯亮。

3.方案设计与论证
总体分析：如下图，大致电路电路流程图可以分成这几步
电路流程图

图2-1电路流程图
1.信号由压敏原件X1，X2来发出，当火车压到压敏元件时X1（X2）=1。
2.号Z控制栏杆A.B及交通等的动作：Z=1的时候，A.B抬起，红灯亮，绿灯灭；Z=0的时候，A.B放下红灯灭，绿灯亮。
3．CP信号：控制电路的时钟信号，由555定时器产生，5V，1000HZ
分析电路的功能要求可知，电路大致可以分成四个部分：第一部分，是时钟信号，给电路提供脉冲信号；第二部分，是时控制电路，给数字显示器提供处理后的信号；第三部分，是15秒控制电路，产生一个倒计时的电路；第四部分，时间显示电路。

方案一：由555多谐振荡器产生1HZ的方波，用D触发器和与非门或非门构成时序控制电路，用发光二极管模拟红绿灯，15秒倒控制显示器由两个74192及两个译码器和七段显示器构成，高位片置数1，低位片置数5，down端接555输出的脉冲，从而实现倒计时，再由74121和555构成一个15秒蜂鸣报警器，倒计时的时候一并鸣笛。

方案二：由示波器产生1HZ的方波，用74LS74芯片和与非门或非门构成时序控制电路，用发光二极管模拟红绿灯，15秒倒控制显示器由两个74192及两个译码器和七段显示器构成，高位片置数1，低位片置数5，down端接555输出的脉冲，从而实现倒计时，再由74121和555构成一个15秒蜂鸣报警器

由于用示波器不太方便，而74LS74又能简化电路，所以各取所长，用555多谐振荡器产生1HZ的方波，用74LS74双D触发器和与非门或非门来构成时序电路，发光二极管分别表示红绿灯，15秒倒控制显示器由两个74192及两个译码器和七段显示器构成，高位片置数1，低位片置数5，down端接555输出的脉冲，从而实现倒计时，再由74121和555构成一个15秒蜂鸣报警器，倒计时的时候一并鸣笛。用多谐振荡器虽然产生的方波不太稳定，但是控制好变量，输出的方波还行。

4.单元电路设计与参数计算
1.1HZ信号发生器
由555构成多谐振荡器产生1Hz的脉冲。

由T1=(R1+R2)CIn2 T2=R2CLn2可以得到R1 R2与C之间的关系，再确定适当比例，求出R1.R2与C。求得R1=43KΩ,R2=51KΩ,C2=10UF。
LM555芯片介绍
LM555 时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。其中 6 脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。2 脚为触发端（TR），是下比较器的输入。3 脚为输出端（OUT），有 0 和 1 两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。7 脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。4 脚为复位端（R），叫上低电平（< 0.3V）时可使输出端为低电平。5 脚为控制电压端(CV )，可以用它来改变上下触发电平值。8 脚为电源（VCC），1 脚为地（GND）。
　　一般可以把 LM555 电路等效成一个大放电开关的 R-S 触发器。这个特殊的触发器有两个输入端：阀值端（TH）可看成是置零端 R，要求高电平；触发端（TR）可看成是置位端 S，低电平有效。它只有一个输出端 OUT，OUT 可等效成触发器的 Q 端。放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反 Q端控制：反 Q=1 时 DIS 端接地；反 Q=0 时 DIS 端悬空。此外这个触发器还有复位端 R，控制电压端 CV，电源端 VCC 和接地端 GND。
　　这个特殊的 R-S 触发器有两个特点：（1）两个输入端的触发电平要求一高一低：置零端 R 即阀值端 TH 要求高电平，而置位端 S 即触发端 TR 则要求低电平。（2）两个输入端的触发电平，也就是使它们翻转的阀值电压值也不同，当 CV 端不接控制电压是，对 TH（R） 端来讲，> 2/3VCC 是高电平 1，< 2/3VCC 是低电平 0；而对 TR（S）端来讲，> 1/3VCC 是高电平 1，< 1/3VCC 是低电平 0。如果在控制端 CV 加上控制电压 VC，这时上触发电平就变成 VC 值，而下触发电平则变成 1/2VC。可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。

2.时序控制电路：
时控制电路由74LS74和74LS04，74LS08组成

74LS74产生触发信号，再经由与门和非门，产生高地电瓶信号，是红绿灯按照要求的规律亮。

3.15秒倒计时显示电路：
由两个74192及两个译码器及七段显示器构成，高位片置数1，低位片置数5，down端接555输出的脉冲，从而实现倒计时。

由74LS192发出倒计时信号给译码器，译码器传递信号给七段显示管，左边的表示十位，右边表示个位。

74LS192功能介绍
其中p0 p1 p2 p3——置数并行数据输入；Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出；MR——清零端；LD——置数端；TUu--加法计数CP输入;TCd——减法计数CP输入；CO——进位输出端；BO——借位输出端。加减控制方式：控制信号为1时加计数，为 0时减计数。双时钟方式：外部时钟从CP+端输入时加计数，从CP-端输入时减计数。预置功能：所谓预置，就是控制端 =0时，使计数器的状态变成设定的外部输入常数，即QDQCQBQA=DCBA（输入数据）。
同步预置方式： =0且下一个时钟有效边沿到来时完成预置。
异步预置方式： =0后立即预置数据送入各触发器，与CP无关。
复位功能：所谓复位，就是从复位端输入有效信号后，计数器恢复成初始状态（全0或某个常数）。
同步复位方式：用复位信号与时钟信号CP配合完成。异步复位方式：用复位信号直接完成，与CP无关。
时钟边沿选择：同步计数器一般用上升沿触发，异步计数器一般用下降沿触发。有的同步计数器有两个时钟输入端，既可用上升沿触发，也可用下降沿触发。
其它功能：计数器满模值时，产生一个进位输出CO信号或借位输出BO信号，作为标志信号或进位功能扩展。计数控制输入端（P、T），用来控制计数器是否计数。多片计数器级联时，可控制各级计数器的工作。下表为其功能表
表2-5芯片192功能表

74123单稳态触发器（有施密特触发器） 简要说明：
74123 为具有施密特触发器输入的单稳态触发器，其主要电特性的典型值如下：
型号
输出脉冲范围
PD
CT54121/CT74121
40ns->28s
90mW
正触发输入端（B）采用了施密特触发器，因此，有较高的抗
扰度，典型值为 1.2V。又由于内部有锁存电路，故对电源 Vcc 也 有较高的抗扰度，典型值为 1.5V。
54/74123 经触发后，输出（Q、/Q）就不受输入（A1、A2、B） 跳变的影响，而仅与定时元件（CEXTRT）有关。在全温度和Vcc 范围内，输出脉冲宽度为：tWQ＝CEXTRTln2≈0.7 CEXTRT。如果R1 选用最大推荐值，占空比可高达 90％。
由于内部补偿作用，使输出脉冲宽度的稳定性与温度和 Vcc
无关，而仅受外接定时元件精度的限制。

引出端符号：
Cext 外接电容端
Q 正脉冲输出端
/Q 负脉冲输出端 Rext/Cext 外接电阻/电容端 Rint 内电阻端
B 正触发输入端
A1、A2 负触发输入端
功能表

连接后的电路图如图：

5.电路的安装与调试
1、时序电路的安装基本按照电路就可以连接，此时没有连接555定时器，所以没有办法得到CP脉冲，于是用函数发生器得到CP脉冲，测试红绿灯的亮灭是否正确。
2、555定时器的连接没有问题，可以用示波器来检验是否真确产生了1HZ方波信号。之后连接到时序电路里，检验红绿灯是否可以正确的亮灭。
3、连接好警报器电路之后，用高电平模拟红灯亮的时候，检验在改情况下警报器是否可以正确蜂鸣。
4、按照电路图连接完成之后，有函数发生器输入CP脉冲，检验倒计时是否正确
6. 遇到问题的解决方法
1、实验中三次发现红绿灯显示不正常。
解决：第一次没检查出问题，于是把所有接线拆了重新接。
第二次发现在接线中碰掉了一根线，当时随手接上，接错了，于是更正过来。
第三次发现红绿灯一会儿显示正确，一会儿不正确，具有偶然性。仔细调试，将555定时器所接的10UF电容换成了3.3UF，红绿灯显示完全正确且稳定。当然CP信号的频率就不再是1HZ，理论与实际总会有点出入。
2、倒计时始终显示15。
解决：1)考虑到蜂鸣器可能对74LS123的12和13端与非后的输出信号有影响，我们将74LS123的12和13端再接另一个与非门后和555定时器的输出信号相与之后接入第二片74LS192的反向计数端，即4端。
2)改变74LS123所接电容和电阻的参数值，发现显示器从15跳到14，然后增加74LS123的14和15端所接电容，接到4个220UF的电容并联时，显示器从可以从15倒计时到11，又加了一个220UF的电容，效果不明显，但从理论上，只要继续加电容，倒计时总可以到0，这时候老师刚好在，我们就直接给老师验收了，没有继续加下去，这是一个遗憾。
3、调试中发现一个奇怪的现象，我在检查接线有没有接触不良时，偶然
将手指放到74LS32芯片附近时，蜂鸣器响了，红绿灯也出现了跳动，
我简直不敢相信，然后我又确认了一下，我的手确实没碰到任何电路
板、芯片或接线，重复几次，都是这样，手指一放到电路那个区域上
方，蜂鸣器持续鸣叫，手指一挪开，蜂鸣器停了，这似乎是传感器的
效果，我很不解，几个同学也试了一下，同样如此，他们认为这附近
有磁场，仅此而已。这算是实验中的一段插曲，因为电路接线调试至
最终完成后，这个现象消失了。
7．结论与心得
在这次课程设计中我学到很多东西，课程设计的主要目的是培养学生综合运用所学知识,通过自己的亲身体验去发现，分析和解决操作过程中所遇到的种种问题,锻炼自己的动手能力和实际分析问题的能力，在这次的设计中我对此深有体会。
在拿到这个课题的时候大脑中一片空白，毫无头绪，虽然我们在上学期学习了模拟电子技术，在这学期学了数字电子技术，然而在拿到这个课题的时候才发现理论知识与实践的区别，后来在老师的提示下，有了大概的设计思路，在书本上翻阅了每个设计所需要的芯片，明白及懂得每片芯片的作用及各个引脚的功能！接着和同学交流学习设计出电路图并通过multisim软件进行仿真，经过几天的努力，不断的修改与完善后终于得到了一个方案，虽然这个方案不是最佳的但是也是通过自己调试出来的，紧接着就是接线了，在这次课程设计中，这项工作是最难的。最开始是测试器件的好坏，验证器件没问题后就按图纸接线，在接的时候才发现困难重重，在一块小小的接线板上要接上七个芯片，每个器件有十多个引脚，线多得让人眼花缭乱，更难的莫过于分辨其中得每个引脚，而实验用的导线引脚比插孔小很多，一不留神就会掉下来，接到后面是叫人心惊胆颤，生怕引线再掉下来，这就是在考验一个人的细心和耐心了。每次接完线后，满怀希望的去通电，得到的结果却不是理想的，不是十进制有问题就是脉冲不连续。
这次设计使我更加懂得了自己所学知识是多么的有限，自己的各个方面都需要再加强。而我们要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践；才能使自己不被社会淘汰。在这次设计中，也要感谢同组的同学的帮助，相互讨论中也使我学习了他们不同的思考方式，训练了我的团队合作能力，使我明白了团体合作是很重要的。
在经历了多次失败后，渐渐地总结出一些好的捷径，就是在接线时按整个电路划分的各个功能块逐一接线，接完一个功能块就给予测试通过了再接下一个功能块电路，这样做在接错线时能更好地排除故障。
这次试验就这样结束了，最后总结这次电子技术课程设计中，我受益匪浅，在接近一周的日子里，可以说得是困难重重，举步维艰，但是在操作过程中通过老师的指点，同学的交流，将遇到的问题逐一解决了，真的感觉到学会了很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的相关知识，更重要的是学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，理论上可行而实际操作未必可行，要把所学的理论知识与实践相结合起来，总结出经验和规律，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。最后感谢老师对我们的悉心指导！
8．参考文献
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[3] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2001.414-417.
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