数电课程设计交通灯.doc

成绩指导老师日期2011-6-19 实 验 报 告实验课程名称： 数字电路与逻辑设计课程设计院系名称： 专业名称： 实验项目名称： 交通灯控制器 班级： 学号： 报告人： 一、设计内容1、使用555定时器产生一个2hz的周期信号作为时钟信号。2、使用2个发光二极管来分别表示红、绿交通灯：绿灯亮30秒后，转红灯亮30秒，再进行下一个周期循环，每一个时刻保证只有一盏灯亮。3、使用2个发光二极管和两位数码管来显示人行道状况。4、当交通灯红灯亮时，人行道绿灯亮，并且数码管显示人可以通过余下来的时间。5、人行道绿灯亮25秒后蜂鸣器发出蜂鸣声3秒后停止。6、人行道绿灯亮28秒后转人行道红灯亮，数码管不显示。二、设计意义在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效地疏通，并为交通参与者的安全提供了强力保障。随着社会、经济的快速发展，旧有的人力系统控制已经不再适应现代的日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系统，如何使其日益繁忙的交通状况得到改善，就成为了当前重要的研究课题。研究交通灯控制系统的目的在于：1、 在时间和空间上分隔交叉不同方向的车流，控制车辆的行驶秩序，保证交通不会出现拥挤情况。2、 使再平面交叉口的道路网络上的人和车辆的疏通效率达到最大化。3、 为道路使用者提供必要的信息，帮助他们有效使用交通设施。三、设计原理1、总体设计方案本次设计内容为交通灯控制器，由时钟发生器、定时器、延时模块、秒脉冲发生器、倒时器、译码显示、信号灯等模块构成，其结构框图如下所示：时钟发生器定时器延时模块一主干道信号灯秒脉冲发生器倒时器延时模块二人行道信号灯蜂鸣器译码、显示原理图如下：2、时钟发生器时钟发生器由ne555定时器构成一个多谐振荡器，产生一个2hz的时钟信号。（1）ne555功能介绍：ne555为8脚时基集成电路，各脚主要功能：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电源电压vcc。（2）时钟发生器工作原理：将ne555定时器的2脚和6脚相连并通过电容c接地，同时通过rb接到7脚，7脚通过ra接到电源vcc，这样就构成了一个多谐振荡器，其电路如下所示：电路的振荡周期为t=（ra+2rb）c ln2则其振荡频率为f=1/t=1/(ra+2rb)c ln2在此选择ra=rb=510k，c=0.47uf，所以f=2hz。多谐振荡电路3、定时器定时器主要由两块74ls161组成，实现定时30s的功能。（1）74ls161功能介绍：当清零端cr=“0”，计数器输出q3、q2、q1、q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当cr=“1”且ld=“0”时，在cp信号上升沿作用后，74ls161输出端q3、q2、q1、q0的状态分别与并行数据输入端d3，d2，d1，d0的状态一样，为同步置数功能。而只有当cr=ld=ep=et=“1”、cp脉冲上升沿作用后，计数器加1。74ls161还有一个进位输出端co，其逻辑关系是co= q0q1q2q3cet。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74ls161可以组成16进制以下的任意进制分频器。封装图：（2）定时器工作原理：该定时器是由两块74ls161组成的同步加法计数器，采用并行进位、异步清零方式，其时钟信号均由时钟发生器产生的2hz的信号提供，低位的进位输出作为高位的使能信号，接到ep、et两端，而且清零信号为，即当计数器状态为00111100b（60）时异步清零，将清零信号load取反，同时输入到74ls161的异步清零端。4、延时模块一该延时模块采用d触发器，即74ls74组成，实现延时30s。（1）74ls74功能介绍：74ls74内含两个独立的d上升沿双d触发器，每个触发器有数据输入（d）、置位输入（）、复位输入（）、时钟输入（cp）和数据输出（q）。、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的d数据在cp上升沿作用下传送到输出端。功能表：逻辑图：（2）延时模块工作原理：将d触发器的1脚、4脚接电源，2脚和8脚相连，定时器的清零信号load作为其时钟输入，即q（5脚）和（6脚）的状态每30s改变一次，从而使其各个状态均保持30s。主干道信号灯的正向端接电源，绿灯反向端接q，红灯反向端接。当q为零时，绿灯亮；当为零时，红灯亮。5、秒脉冲发生器该秒脉冲发生器也是由d触发器组成，d触发器的1脚、4脚接延时模块一的q端，即当红灯亮时秒脉冲发生器开始工作。与上述延时模块一类似，2脚和8脚相连，时钟发生器输出的2hz信号接到3脚，作为秒脉冲发生器的时钟信号，此时，秒脉冲发生器5脚输出周期为1s的方波信号。6、倒时器该倒时器由两片74ls193构成，实现28s倒计时。（1）74ls193功能介绍：74ls193是双时钟4位二进制同步可逆计数器。 74ls193的特点是有两个时钟脉冲（计数脉冲）输入端cpu和cpd。在rd=0、ld1的条件下，作加计数时,令cpd1,计数脉冲从cpu输入；作减计数时，令cpu1，计数脉冲从cpd输入。此外，74ls193还具有异步清零和异步预置数的功能。当清零信号mr1时，不管时钟脉冲的状态如何,计数器的输出将被直接置零；当mr0,pl0时，不管时钟脉冲的状态如何，将立即把预置数数据输入端a、b、c、d的状态置入计数器的qa、qb、qc、qd端，称为异步预置数。电路可进行反馈，而很容易的被级联。即把借位输出端和进位输出端分别反馈到后级计数器的减计数输入端和加计数输入端上即可。真值表： mrplcpucpdmode工作模式ab126计算公式大全hxxxreset (asyn.)清除llxxpreset (asyn.)预置lhhhno change保持lhhcount up加计数lhhcount down 减计数 h=高电平 l=低电平 x=不定（高或低电平） =由“低”“高”电平的跃变引脚功能表： cpu count up clock pulse input 计数芯片时钟脉冲输入cpd count down clock pulse input 倒计时时钟脉冲输入mr asynchronous master reset (clear) input 异步主复位（清除）输入plasynchronous parallel load (active low) input 异步并行负载（低电平）输入pnparallel data inputs 并行数据输入838电子qnflip-flop outputs (note b) 触发器输出（附注b ）tcdterminal count down (borrow) output (note b) 终端倒计时（借）输出（注b ）tcu terminal count up (carry) output (note b) 终端数最多输出新艺图库封装图：（2）倒时器工作原理：将延时模块一的q端信号取反后作为74ls193的异步清零信号，即当主干道绿灯亮时对倒时器清零。该倒时器采用异步计数，由秒脉冲发生器输出的1s信号作为倒时器低位时钟输入，高位时钟信号由低位的借位输出提供。其低位预置数为1001b，高位为0010b，且高低位的异步置数端pl均与其借位输出相连，由借位输出控制。同时加计数信号cpu接高，减计数信号cpd接秒脉冲发生器的5脚输出，即选择减计数方式。总的来说，在主干道红灯亮时，倒时器开始进行减计数，低位从9开始减计数，高位从2开始减计数。当高低位同时减为零时，高位有借位输出，此输出信号即为倒时器的输出。7、延时模块二延时模块二与延时模块一大致相同，只是延时模块二的时钟输入信号由倒时器的输出提供，以及d触发器的q端接红灯，端接绿灯。8、译码显示译码模块由74ls48组成，将倒时器高低位的触发器输出分别译码。（1）74ls48功能介绍：74ls48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器。封装图：功能表：74ls48引脚功能表七段译码驱动器功能表十进数或功能输入bi/rbo输出ltrbid c b aabcdefg0hh0 0 0 0h11111101hx0 0 0 1h01100002hx0 0 1 0h11011013hx0 0 1 1h11110014hx0 1 0 0h01100115hx0 1 0 1h10110116hx0 1 1 0h00111117hx0 1 1 1h11100008hx1 0 0 0h11111119hx1 0 0 1h111001110hx1 0 1 0h000110111hx1 0 1 1h001100112hx1 1 0 0h010001113hx1 1 0 1h100101114hx1 1 1 0h000111115hx1 1 1 1h0000000bixxx x x xl0000000rbihl0 0 0 0l0000000ltlxx x x xh1111111（2）译码显示工作原理：两片74ls48的输入端分别与倒时器的高低位脉冲输出相连。译码输出端abcdefg分别与数码管的abcdefg端相连。灯测试端以及灭零输入端接高电平，灭灯输入/灭零输出的双向端口与延时模块二的5脚相连，即当人行道红灯亮时，译码显示不工作。四、本人所作的工作原理图的基本设计、pcb图的主要设计、电路板主要的制作及电路板的调试五、电路测试、调试过程中的问题及解决方案1、在组装好所有元件后，上电进行初始调试，发现数码管能正常倒时显示，但人行道和车道的红绿灯均不亮，轰鸣器一直在响。在仔细检查下，发现发光二极管的正负极接反了，以及轰鸣器上的三极管封装也画错了，即三极管9013的引脚接错了。把错误纠正之后，发现发光二极管能发光，但不能正常地转变状态，而轰鸣器依然一直在响。2、在反复检查电路板的布局后，怀疑是74ls161芯片出现故障，但在更换ic后，现象依旧，故排除芯片出现故障。3、在进一步的检查后，发现电路板原本接74ls00的插槽接上了74ls04，在更换正确的芯片后，却发现只能倒计时3秒，即数码管显示28到26，然后轰鸣一声，车道和人行道的红绿灯依然是不规则地跳变。4、在老师的帮助下，发现在焊接过程中掉落的焊盘与导线没有正确地连接，而是错误地把信号接到地线上，导致信号混乱。纠正错误之后，发现数码管不能正常工作，红绿灯的状态转化不符合题目要求，但实验情况有进一步的好转。5、根据种种现象，很难推断出电路板的错误位置在哪里。因此先从74ls161开始判断，断开其清零信号，发现74ls161能正常工作，再把其清零信号接上，发现车道红绿灯跳变不规则，再把其它逻辑门断开，直接利用计数模块的高低位输出作为延时模块一的时钟信号，判断车道红绿灯跳转是否正常。经计时观察，计数模块正常，即可判断清零在经过逻辑门后出现故障。由上述步骤发现，绿灯持续24秒，接着红灯持续30秒，然后绿灯30秒、红灯30秒，绿灯24秒即可判断74ls161的高低位共同作用的清零信号出现“竞争冒险”，即清零信号出现了毛刺，导致有时低位先清零，紧接着就开始计数，高位无法清零。虽然“竞争冒险”持续时间只约为几纳秒，却足以影响整块板的正常工作。解决“竞争冒险”可以选择电容将毛刺滤去。在实际调试中，加电容并不能解决问题，可能所加入的小电容并不敏感。在这里，我们采取将计数模块的高低位清零信号分开，各自清零，即可避免出现“竞争冒险”。一旦解除了“竞争冒险”，该电路板就能正常工作了，实现项目要求的功能，调试成功。其实，“竞争冒险”并不是一定有害的，也可以利用“竞争冒险”实现一些附加功能。在这次设计上，我们恰恰利用了它，实现在开始倒计时，即人行道可通行的那一刻轰响一声，提示行人可通行。因此，合理利用各种资源，可以实现许多复杂的功能。六、设计心得经过一个多星期的课程设计，由原理图的设计到pcb图的设计，再到pcb板的制作及调试过程，都从中学到了不少课堂所学不到的知识，也进一步加深了对课本上知识的认识和理解。这次设计，是我和我的搭档根据设计要求，从零开始进行设计，查阅了不少书籍和访问了不少网站，从中提取有用的知识，才慢慢地设计出来的。仅仅是原理图的设计就花了接近五天的时间，才能勉强地仿真出来。在完成原理图后，就对元件进行封装。由于之前曾做过多个作品，所以画封装图并不困难。但由于就用了之前的封装图，以前作品的封装图所遗留下来的问题并没有及时解决，导致在调试过程中引起了一系列的问题。即使这次设计的p