交通灯控制电路的设计

设计单位:物电系XXX班

设 计 人:XXX

指导老师:XXX

设计时间:20##年10月10日

一、  设计内容与要求：

1）设计内容：

1、利用各种器件设计一个交通灯控制电路。

2、利用电路板对所设计的电路进行检验。

3、总结检验电路设计结果

2）设计任务及要求

1、设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；
   2、要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；
 

二、主要器件的功能和作用：

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中得到了应用。

三、  设计原理与参考电路：

1．分析系统的逻辑功能，画出其框图

交通灯控制系统的原理框图如图1-1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中：

TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

（1）图1-1甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮满规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。

（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

（3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮满规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮满规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。

    交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表1-1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：

表1-1 控制器工作状态及功能

2．逻辑总图如1-2所示

图1-2  交通灯控制电路总逻辑图

四．单元电路的设计

（1）秒脉冲发生器

秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R6,C2的电阻电容值决定了脉冲宽度。

图1-3   秒脉冲发生器原理图

如图1-3所示，R6、C2组成一个串联RC充放电电路，在NE555的7脚上输出一个方波信号，C2上得到一个三角波。此三角波送到NE555的2脚输入端。由NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。

（2）定时器

定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
    计数器选用集成电路74LS163进行设计。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。其功能表如表1-2所示。图1-4中，SR是低电平有效的同步清零输入端，LD是低电平有效才同步并行置数控制端，CEP、CET是计数状态选择端，TC是进位输出端，P0～P3是并行数据输入端，Q0～Q 3是数据输出端。

表1-2  74LS163功能表

其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CP分别送给两个74LS163的清零端2处。如图所示：输入端3.4.5.6分别接地.。U1的7和10与U2的15相连。.即：只有当时15处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲同时和U3A中的2下作

用产生脉冲。74LS00在ST中12.13共同作用下将信号11分别送给U1和U2的SR。可以得到TY和TY非是秒脉冲的4倍；TL和TL非的结果是秒脉冲的24倍。

图1-4  定时器部分的工作图

（3）控制器

控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。列出控制器的状态转换表，如表1-3所示。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q₁ⁿ⁺¹Q₀ⁿ⁺¹＝ 00状态时，如果TL＝ 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q₁ⁿ⁺¹Q₀ⁿ⁺¹＝ 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项"X"表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。控制器逻辑图如图1-5所示。

图1-5  控制器逻辑图

图1-6 控制器原理图

表1-3 控制器状态转换表

根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q₁ⁿ⁺¹、Q₀ⁿ⁺¹和 ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中"1"用原变量表示，"0"用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：

根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。图中R、C构成上电复位电路 。

控制器原理图如图1-5所示。由两个双多路转换器和一个双D触发器组成控制器。触发器记录4种状态，多路转换器与触发器配合实现4种状态的相互转换。

其原理为：CP分别送给U7A和U7B的3和11的清零端。将TY接入U6的5和U8的4和5；T/Y/接入U6的4。如上图所示：FF1。FF0两个D触发器作为时序寄存器产生4种状态。选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的的现态值加到74LS153的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。

（4）译码器

译码器的主要任务是将控制器的输出 Q₁、 Q₀的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表 1-4所示。表中A、B代表甲、乙车道。

1-4    控制器状态编码与信号灯关系表

图1-7译码器部分原理图

由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CP脉冲，一部分送给了定时器的74LS163芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST同时加到定时器74LS163芯片的情况下，通过芯片74LS00将会输出TY。T/Y/；TL。T/L/。即TY和T/Y/放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和T/L/放大的结果是秒脉冲的25倍。前者输出的信号是后者的1/5。将定时器输出的TY。T/Y/；TL。T/L/分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CP脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片74LS00组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。

五、整体电路设计：

六、实验调试与检测

在完成将元件焊接到电路板后，接通电源发现运行效果跟预设不太一样，经过检查调试，原因是有些跳线接错或漏接，还有就是有些地方焊接得不好或短接以至元件无法接入电路发挥其功能。所以把元件正确放好和焊接时要认真细心是非常重要的。

七、感想与总结

通过这次课程设计，加强了我动手、思考和理解能力。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。

这次课程设计这次的实习是对去年学过的数字电子技术基本知识的应用，本来对数字电子技术中的有些东西就不太熟悉，通过这次实习，更深刻的了解了各种芯片的引脚、逻辑图以及功能表，能够用各种芯片以及触发器等组建逻辑电路。这次的设计虽然短暂.但却是我第一次自己动手设计的电路.以前书本上的内容第一次完完全全的在实际中实现.在设计过程中,遇到了书本中不曾学到的情况.最后,感谢老师为我们提供这次的动手机会和悉心的指导

课程设计参考文献：

1、《电子技术基础&数电部分》（第四版）康华光，邹寿彬主编。高等教育出版社。

2、《电子线路设计。实验。测试》（第二版）谢自美主编。华中科技大学出版社。

3、《电子技术基础实验——电子电路实验。设计。仿真》（第二版）陈大钦主编。高等教育出版社。

4.《数学电路与逻辑设计》曹国清主编；中国矿业大学出版社

5.《电子技术课程设计》历雅萍、易映萍编；高等教育出版社

6《电子技术课程设计指导》彭介华 主编；高等教育出版社

7.《电子线路设计、实验、测试》 谢自美主编；华中理工出版社

8.《经典集成电路400例》任致程主编；机械工业出版社

 

第二篇：数电课设报告

《电子技术基础课程设计报告》

多功能数字钟

        

   学     院：

   姓    名：

   班    级：

   学    号：

   指导老师：

摘要

时钟是显示时间的工具，在我们日常生活中随处可见，与我们的生活也紧密相连，密不可分。时钟又分为机械式时钟和数字钟，而数字钟较机械式时钟具有更高的准确性和直观性，是利用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，无机械装置，具有更长的使用寿命，因此，得到了人们广泛的应用。所以本次课程设计选择做一个多功能数字钟，更贴近生活，并通过电路仿真软件来对电路进行设计和仿真。

数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，基友基本功能和扩展功能两部分组成。基本功能部分有准确计时，以数字形式显示时、分、秒的时间和校时功能。扩展功能部分具有：定时控制，仿广播电台正点报时，自动报整点时的功能。数字中的电路也由主体电路和扩展电路两部分组成，这两个部分都由振荡电路提供1HZ脉冲信号来实现功能，并通过数码管显示时、分、秒，各位均为两位显示。在计时出现误差时电路还可以进行校时和较分。

关键字：

数字时钟    数字电路   分频器   时间计数器   仿真  定时   校时   功能  显示   芯片 

目         录

摘要. 2

目         录. 3

1 绪论. 4

1.1 选题的意义和目的. 4

1.2设计任务及要求. 4

2 方案设计与论证. 4

2.1时间脉冲产生电路. 4

2.2校时电路. 6

3.系统原理框图. 9

4.电路图及设计文件. 9

4.1工作原理. 9

4.1.1电路总原理仿真图如下所示. 9

4.2电路设计. 10

4.2.1基于NE555的秒方波发生器的设计. 10

4.2.2基于74ls160的24\60进制计数器的设计. 12

4.2.3译码驱动及显示单元电路. 13

4.2.4整点报时电路. 14

4.2.5校时电路. 14

5.测试方法与数据. 14

5.1测试步骤如下：. 15

5.2测试数据. 15

5.3 整体电路图. 16

6. 安装与焊接. 16

6.1 电路安装与焊接. 16

6.2 实物图. 17

6.3元件清单. 18

7 .结果分析与设计体会. 18

参考文献. 20

1 绪论

1.1 选题的意义和目的

本次设计本着锻炼动手能力和思考能力的目的，把所学知识与实际相结合。通过理论设计和实际制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《电子技术基础》一书中所学的理论知识和实验技能，掌握模拟电子系统的一般设计方法，并达到以下目的：

1. 熟悉数字逻辑设计的基本概念和原理。

2. 掌握计数器和定时器等逻辑芯片的工作原理及应用设计。

3. 熟悉数字逻辑集成芯片的外围电路设计与使用。

1.2设计任务及要求

1.产生1HZ的脉冲；

2.能显示时，分，秒，时要求24小时进制,分和秒要求为60进制；

3.可手动校正：能分别进行分、时的校正。

4.整点报时。

2 方案设计与论证

2.1时间脉冲产生电路

方案一：

由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。

555与RC振荡电路如图2-1所示。

                   

 图 2-1-1  555与RC组成的多谐振荡器图

方案二:

振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器的作用是产生时间标准信号。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号。石英晶体振荡电路如图2-2所示。

图2-1-2 石英晶体振荡器图

方案三：

由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器，门电路组成的振荡电路如图2-3所示。

图 2-1-3 门电路组成的多谐振荡器图

用555组成的脉冲产生电路: R1=47kΩ，R2=47kΩ，C=10μF ，则555所产生的脉冲的为:f=1/[(R1+2*R2)CLn2=1Hz,而设计要求为1Hz,在精度要求不是很高的时候可以使用。

石英晶体振荡电路:采用的32768晶体振荡电路,其频率为32768Hz,然后再经过15分频电路可得到标准的1Hz的脉冲输出.R的阻值,对于TTL门电路通常在0.7～2KΩ之间;对于CMOS门则常在10～100MΩ之间。

由门电路组成的多谐振荡器的振荡周期不仅与时间常数RC有关，而且还取决于门电路的阈值电压VTH，由于VTH容易受到温度、电源电压及干扰的影响，因此频率稳定性较差，只能用于对频率稳定性要求不高的场合。

综上分析，选择方案一进行设计，555与RC组成的振荡电路较简单，易调节，成本较低

2.2校时电路

数字种启动后,每当数字钟显示与实际时间不符进,需要根据标准时间进行校时。校“秒”时，采用等待校时。校“分”、“时”的原理比较简单，采用加速校时。对校时电路的要求是 :

1.在小时校正时不影响分和秒的正常计数 。

2.在分校正时不影响秒和小时的正常计数 。

方案一：

当刚接通电源或时钟走时出现误差时，都需要进行时间的校准。校时是数字钟应具有的基本功能，一般电子钟都有时、分、秒校时功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校准。校时可采用快校时和慢校时两种方式。校时脉冲采用秒脉冲，则为快校时；如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供则为慢校时。图2-2-1中C1、 C2用于消除抖动。

 

图2-2-1方案一校时电路

方案二：

通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工出触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。图2-2-2所示为所设计的校时电路。

图 2-2-2 方案二校正电路图

方案三：

校准电路由基本RS触发器和“与”门组成，基本RS触发器的功能是产生单脉冲，主要作用是起防抖动作用。未拨动开关K时，“与非”门G2的一个输入端接地，基本RS触发器处于“1”状态，这是数字钟正常工作，“分”进位脉冲能进入“分”计数器。拨动开关K时，“与非”门G1的一个输入端接地，于是基本RS触发器转为“0”状态。秒状态可以直接进入“分”计数器，而“分”进位脉冲被阻止进入，因而能较快地校准分计数器的计数值。校准后，将校正开关恢复原位，数字钟继续进行正常计时工作。电路图如图2-2-3所示:

图 2-2-3方案三校正电路

方案四：

校时电路仅由2个单刀双掷开关所构成。

综上分析，选择方案四，用开关组成的校时电路较简单，易调节，成本低。

3.系统原理框图

由振荡器输出稳定的高频脉冲信号作为时间基准，秒计数器满60向分计数器进位，分计数器满60向小时计数器进位，小时计数器按“24翻1”规律计数，计数器经译码器送到显示器；计数出现误差可用校时电路进行校时、校分、校秒，可发挥部分：使数字钟具有可整点报时与定时闹钟的功能。

 

 图3-1 数字钟的结构框图

                  

4.电路图及设计文件

4.1工作原理

4.1.1电路总原理仿真图如下所示

                     图4-1-1多功能数字钟的总原理图

4.2电路设计

4.2.1基于NE555的秒方波发生器的设计

用NE555芯片以及外围电路搭建成一个多谐振荡器，通过设计外围电路的参数输出方波频率为1Hz，故称为秒方波发生器。由于脉冲的占空比对系统的影响不大，故把占空比设计为1/3。输出方波用作计数器及D触发器的clk信号。NE555定时器引脚图如图4-2-1所示，脉冲频率公式：

f=1／（R1+2R2）C㏑2

选择R1=47K，R2=47K，RV1=2K，C=10μF，形成电路图如图4-2-2所示：

图4-2-1 NE555的引脚图

 引脚说明：

1 地 GND

2 触发 

3 输出 

4 复位 

5 控制电压 

6 门限(阈值） 

7 放电 

8 电源 Vc

                  图4-2-2秒脉冲发生器

4.2.2基于74ls160的24\60进制计数器的设计

74ls160引脚分布及功能表

图4-2-3   74ls160的引脚图

 

表4-2-1   74ls160的功能表

采用同步置数法设计60进制计数器部分的仿真电路图

               

图4-2-4采用同步置数法设计60进制计数器

采用同步置数法设计24进制计数器部分的仿真电路图

              

  图4-2-5 采用同步置数法设计24进制计数器

4.2.3译码驱动及显示单元电路

译码电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用于驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是OC门输出且低电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。如图4-2-6所示。若将“秒”、“分”、“时”计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。

图 4-2-6译码及驱动显示电路图

4.2.4整点报时电路

仿电台正点报时电路的功能要求是：每当数字钟计时快要到正点时发出声响。但为了简单，用发光二极管替代喇叭，到分钟显示到59分时，二极管就会亮。

4.2.5校时电路

当刚接通电源或时钟走时出现误差时，都需要进行时间的校准。校时是数字钟应具有的基本功能，一般电子钟都有时、分、秒校时功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校准。

5.测试方法与数据

5.1测试步骤如下：

1. 用示波器检测脉冲信号发生器部分，看其输出的秒脉冲信号的波形、频率和周期等是否符合要求，必须确保秒脉冲信号的频率准确（F＝1Hz），这关系整个数字钟的准确性。

2. 分别将时、分、秒计数器的脉冲信号输入端调至较时脉冲，检查各计数器是否按所要求的进制形式进行，显示是否正常。同时看较时电路是否达到较时的目的。

3. 时、分、秒计数器接回计时脉冲，看总体工作是否正常。

5.2测试数据

 

图5-1 仿真结果图

5.3 整体电路图

图5-2  整体电路图

6. 安装与焊接

6.1 电路安装与焊接

按照电路图安装元件，一般先装低矮、耐热的元件，最后装集成电路。应按如下步骤进行焊接 :

(l) 清查元器件的质量，并及时更换不合格的元件；

(2) 确定元件的安装方式，由孔距决定，并对照电路图核对电路板 ；

(3) 将元器件弯曲成形，尽量将字符置于易观察的位置 , 字符应从左到右，从上到下。以便于以后检查，将元件脚上锡，以便于焊接 ；

(4) 插装。应对照电路图对号插装, 有极性的元件要注意极性，如集成电路的脚位等；

(5) 焊接。各焊点加热时间及用锡量要适当，防止虚焊、错焊、短路。其中耳机插座、三极管等焊接时要快 , 以免烫坏 :

(6) 悍后剪去多余引脚，检查所有焊点，并对照电路图仔细检查 ,并确认无误后方可通电。

6.2 实物图

图6-2-1  焊接面实物图

图6-2-2  焊接后正面实物图

6.3元件清单

表6-1元件清单

表6-1  元件清单表

7 .结果分析与设计体会

结果基本符合要求，实现了相关功能，能正常显示时间。通过这次课程设计，让我感觉整体规划很重要，同时必须要有足够的耐心，脚踏实地一点一点的完成。

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。这次课程设计让我明白了只学习理论知识是远远不够的，只有亲自动手才能更加深刻通透的理解并掌握理论知识，并把理论知识很好地运用到实际当中去。

数字电路的课程设计，是利用我们以前所学的模拟电路和数字电路的组合，本次的幸运大转盘的设计就利用了数字电路与模拟电路，通过电路分析、电路的设计、电路的制作以及调试等步骤，既考验了我们对上课时的知识的理解，又锻炼了我们综合运用所学知识、发现问题、提出问题、分析和解决实际问题的能力和实际动手能力，让我们在此次的试验中发现自己的不足，并改进。

通过对电子技术的综合运用，使学到的理论知识相互融会贯通，在认识上产生一个飞跃。数电课程设计是实际的电路装置，它涉及的知识面广，需要综合运用所学的知识，它需要从实际出发，从而培养了我们自学能力，独立分析问题、解决问题的能力，对设计中遇到的问题，通过独立思考、查找工具书、参考文献、寻求解决办法。

这次课设在老师的指导下以及我的努力下，顺利地完成了这次课程设计，不仅提高了我个人的动手能力，更培养了我独立思考解决问题的能力，以致顺利完成课程设计。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，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

参考文献

[1]康华光  电子技术基础北京：高等教育出版社.2008

[2]王毓银.数字电路逻辑设计（第三版）.高等教育出版社.1999

[3]陈有卿.集成电路妙用巧用300例.人民邮电出版社.1999

[4]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2002

[5]赵保终.中国集成电路大全（TTL集成电路）.国防工业出版社

[6]周常森.电子电路计算机仿真技术.山东科学技出版社

[7]《数字电子技术基础》 范文兵 清华大学出版社 2007

[8]《数字电路逻辑设计（第三版）》 王毓银 高等教育出版社 2005

[9]《数字电路实验基础》 崔葛瑾 同济大学出版社 2005

[10]《数字电路实验与课程设计》 吕思忠、施齐云 哈尔滨工程大学出版社 2001

[11]阎石.数字电子技术基础（第五版） [M]. 北京：高等教育出版社,2006.5(20##年重印)

[12]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社，1997（20##年重印）

 [13]王港元.电子电工实践指导[M].南昌：江西科学技术出版社，2003.1

 [14]谢自美.电子线路设计?实验?测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2006

[15]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第五版）[M].北京：高等教育出版社。2006