数字电路设计课设报告

1、目 录1 设计任务12 总体设计方案12.1 方案论证12.2 设计思想22.3 总体方框图32.4 工作原理33 单元电路设计43.1 时钟单元电路设计43.2 数码管显示电路设计43.3 译码显示电路设计73.4 主控电路设计73.5 交通信号灯电路设计84 安装与调试94.1 通电前检查94.2 通电检查94.2.1显示电路的调试94.2.2 74LS161清零模块的调试94.2.3 NE555时钟电路的调试94.2.4 74LS04非门的调试94.2.5 74LS08与门的调试94.2.6 74LS138译码器的调试94.2.7 74LS32或门的调试94.2.8发光二极管的调试104

2、.2.9 按钮开关的检查104.3 结果分析105 总结105.1总结体会105.2 本方案特点及存在的问题11参考文献12附录I：原理总图13附录II：元器件清单141 / 17文档可自由编辑打印1 设计任务设计一个交通信号灯控制器，有一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置宏、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则禁止行使（给行驶中的车辆有时间停在禁止线之外）。具体要求如下所述。（1）用红、绿、黄发光二极管作信号灯。（2）让主干道处于常允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行。可用逻辑开关作主支干道检测车辆是否到来的信号。（3）主干道和支道交替允许通行。主

3、干道每次放行45秒，支道每次放行25秒。（4）在每次由绿灯亮转换到红灯亮的过程中，要亮5秒钟的黄灯作为过渡。（5）设置45秒、25秒计时、5秒计时显示电路。提示：设计时先用仿真软件Multisim测试设计电路是否正确，无误再制作实际电路。参考元器件：74HC160/190,74HC161,74HC00,74HC08,74HC20,74HC153,74HC138/139，CD4511，CD4060/NE555等。2 总体设计方案2.1 方案论证方案一：采用单片机实现选用8031单片机，8255并行通用接口芯片，74LS07，MAX692看门狗，共阴极的七段数码管，双向晶闸管，7805三端稳压电源

4、，红、黄、绿交通灯，开关键盘等。系统总框图如下：图2-1 方案一系统总框图方案二：采用数字电子技术（核心控制部分用触发器来实现）交通灯控制系统的原理框图如下图所示。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。 方案比较:方案一采用现在比较流行的51系列片机实现对灯的自动控制和同步倒计时输出。该方案能够实现设计所给出的要求，且硬件电路较简单接线较容易。但是，我们现阶段还没有学过单片机的知道，对单片机的具体工作原理不

5、清楚，且完全不懂基于51系列单片机的编程。对单片机而言，程序是其工作的灵魂，而我们对这又是完全不懂，所以就我们现在所掌握的知识而言，要实现这一方案难度很大！方案二采用的是基本数字电路，原理比较简单，且其原理和所使用器件都是我们在数字电子技术课程中所学过的。方案选择:综上分析，此设计方案选择方案二，其原理简单，便于连线，便于调试，且容易实现，因此，可以通过控制555单稳态触发器输入脉冲信号，采用 74LS160 计数，以 74LS161 控制其清零端，结合74LS04、74LS08、74LS32、74LS20等门电路实现红黄绿灯三种不同周期的计数。2.2 设计思想1、要实现的任务如下所述（1）主

6、支干道都有车(a)主道方向绿灯亮，支道方向红灯亮。(b)主道方向黄灯亮，支道方向红灯亮。(c)主道方向红灯亮，支道方向绿灯亮。(d)主道方向红灯亮，支道方向黄灯亮。 （2）主干道有车，支干道没车(a)主道方向绿灯亮，支道方向红灯亮。(b)主道方向绿灯亮，直到支道有车。(3)主干道没车，支干道有车(a)主道方向红灯亮，支道方向绿灯亮，直到主道有车。2、应满足的工作时序如下所述（1）交替通车时，本系统应满足两个工作时序。(a)主干道方向亮红灯时间（30秒）应等于支道方向亮黄灯（5秒）和绿灯（25秒）时间之和，支道方向亮红灯时间（50秒）应等于主道方向亮黄（5秒）、绿灯（45秒）时间之和。(b)一次

7、循环为1秒，其中红灯亮的时间是绿灯、黄灯亮的时间之和。3、因此，设计方案如下所述（1）系统中要求有45秒，25秒和5秒的三种定时信号，设计三种相应的计时显示器电路。计时顺序用顺计时。定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入主控电路，并通过主控电路去开启和关闭种交通灯或启动另一种计时电路。（2）系统要求定时显示电路的输入信号为秒脉冲信号，设计一个可以实现秒脉冲输出的时基电路。（3）主控电路是整个电路的核心，它的输入信号来自45秒，25秒，5秒三个定时信号。主控电路可以控制各种交通灯的开启和关闭，并反馈信号给计时电路，触发与亮着的信号灯相应的定时电路，使其顺时显示相应时间。2.3 总

8、体方框图 主控电路时基电路门电路红黄绿（主干道）红黄绿（支干道）计数电路数码显示开关电路图2-3 总体方框图2.4 工作原理本次设计的交通灯需要有三种时间周期，利用两片74LS192串联成 100进制的计数电路，用一片 74LS161 的 QA,QB 两个输出端的 00,01,10,11 四个输出状态配合部分门电路控制 74LS192 的清零端，以此实现三种周期控制，同时 74LS161 的脉冲输入端同 7SLS192 清零端，在清零的 同时改变 74LS161 的输出，进入下一个计数周期。本电路采用NE555定时器对电路输入脉冲，所产生的脉冲信号与计数器74LS161合作构成定时器。计数器两

9、个74LS192的输出端经门电路对其进行选择,依次在45秒、5秒、25秒时产生的信号作为循环电路的脉冲信号，从74LS161输出信号结合集成电路控制LED信号灯相应状态的转换。同时可以利用单刀双掷开关控制74HC161的清零端实现让主干道处于常允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行的技术要求。3 单元电路设计3.1 时钟单元电路设计脉冲发生器是由555定时器构成的多谐振荡器，因为控制系统是以秒作为单位，所以用秒脉冲发生器，且其对信号的精度要求不高，这里选用555定时器来构成。555定时器组成的秒脉冲CP1的周期为：T=ln2(R1+2*R2)*C,令C=10uF,R1=7.2k,R2=3.6

10、k。根据计算结果，脉冲发生器设计如下图：图3-1 555振荡电路它向计数电路提供的秒计时CP脉冲。3.2 数码管显示电路设计显示电路作为定时控制器。秒信号发生器用于产生整个定时系统的时基脉冲，通过74LS192减法计数器对秒脉冲进行减计数，以达到显示每一种工作状态的持续时间。数码管显示电路由BCD七段译码管、74LS192、CD4511组成。(1）74LS192简要说明CLR为异步清零端，LD为置数控制端，P和T使能端，CP为时钟输入端，ABCD为并行置数输入端，QAQBQCQD为输出端，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

11、”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= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。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。(2)CD4511简要说明CD4511 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：具有 BC

12、D 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。图3-2 CD4511功能图其功能介绍如下所述。   BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。   LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。    LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器

13、输出被保持在LE=0时的数值。    A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。     a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。(3）数码管简要说明LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不

14、亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。图3-3 数码管各引脚由此可得，数码管显示电路如下所示。图3-4 数码显示电路3.3 译码显示电路设计交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色的发光二极

15、管，共阳极接法，并联入保护电阻，避免电流过大对二级管造成损坏。集成门电路主要用到74LS04，74LS08，74LS32。显示电路如下所示。图3-5 译码显示电路3.4 主控电路设计交通灯的主控电路是一个时序电路，输入信号为：车辆检测信号（传感器信号）设为A、B，三个定时信号5s、25s、45s设为E、D、C。控制器的状态转换表如表所示。表3-1 控制器状态转换表状态主干道支干道时间S0绿灯亮，允许通行红灯亮，禁止通行45S1黄灯亮，停车红灯亮，禁止通行5S2红灯亮，禁止通行绿灯亮，允许通行25S3红灯亮，禁止通行黄灯亮，停车5A=0，主干道无车，A=1，主干道有车；B=0，支干道无车，B=1

16、，支干道有车；C=0,45s定时未到，C=1,45s定时到；D=0,25s定时未到，D=1,25s定时到；E=0,5s定时未到，E=1,5s定时到。图3-6 主控电路3.5 交通信号灯电路设计交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色的发光二极管，共阳极接法，并连接高电平时分别接入保护电阻，避免电流过大时二极管造成损坏。图3-7 交通信号灯电路4 安装与调试为使电路便于调试我们采用分块调试的方法。4.1 通电前检查电路安装完毕后，经检查电路各部分接线正确，电源、元器件之间无短路，器件无接错现象。4.2 通电检查4.2.1显示电路的调试首先将脉冲和74LS192计数与显示模块断开，给电路两端接5伏直流电压

17、，并接1秒脉冲。理论上显示器显示正确循环时间。4.2.2 74LS161清零模块的调试将74LS161模块与74LS160之间的电路连接起来，并给电路两端接5伏直流电压，接1秒脉冲。理论上系统在显示45s、25s、5s后会自动清零，重新显示。4.2.3 NE555时钟电路的调试断开其他单元，将R1，R2，C按照多谢振荡器接法与555连接，利用示波器观察电路输出波形。4.2.4 74LS04非门的调试利用TTL特性，悬空输入为1，断开电路其他部分，只提供工作电压，再将其中任意一个输入接地，再次测量，输出应为1。4.2.5 74LS08与门的调试利用TTL特性，悬空输入为1，断开电路其他部分，只提

18、供工作电压，再将其中任意一个输入接地，另一个输入不管接低电平还是高电平，再次测量，输出应为0。4.2.6 74LS138译码器的调试当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。4.2.7 74LS32或门的调试利用TTL特性，悬空输入为1，断开电路其他部分，只提供工作电压，再将其中任意一个输入接+5V，另一个输入不管接低电平还是高电平，再次测量，输出应为1。4.2.8发光二极管的调试未接电源时，二极管的正负极判断方法：万用表打到二极管挡上，然后用万用表的表笔分别接到二极管的两个极上去。当

19、红表笔接触的是二极管的正极，黑表笔接触的是二极管的负极，即二极管处于正向接法时，二极管导通，阻值较小，此时二极管发出微弱的亮光；当黑表笔接触的是二极管的正极，红表笔接触的是二极管的负极，即二极管处在反向接法时，二极管截止，阻值很大，此时二极管不发光。4.2.9 按钮开关的检查 首先将按钮开关和其他电路模块断开，只留按钮开关部分。其次，给电路两端接5伏直流电压。理论上对于单刀双掷按钮开关断开状态只有两个引脚会导通，当按下开关，公共端会和另外一个引脚导通，用数字万用表测量电压判断公共端。4.3 结果分析当按钮开关S断开即接地时表示支干道两个方向都没有车辆的时候，电路进入主干道常亮阶段即主干道有车，

20、支干道没车。(1）主道方向绿灯亮，支道方向红灯亮。(2）主道方向绿灯亮，直到支道有车。当按钮开关S闭合即接+5V时，电路进入主、支干道循环工作状态即主支干道都有车：(1）主道方向绿灯亮，支道方向红灯亮。(2）主道方向黄灯亮，支道方向红灯亮。(3）主道方向红灯亮，支道方向绿灯亮。(4）主道方向红灯亮，支道方向黄灯亮。且主干道方向亮红灯时间（30秒）等于支道方向亮黄灯（5秒）和绿灯（25秒）时间之和，支道方向亮红灯时间（50秒）等于主道方向亮黄（5秒）、绿灯（45秒）时间之和。5 总结本次课程设计多用数字电子技术知识，在将理论设计实现的过程中考虑了很多其他的因素，比如集成电路响应速度，时差，以及驱

21、动电压等。在设计电路是遇到很多困难，很多是由于数电知识储备不足，后经查书，故而了解其理论知识，电路设计遂得以实现。5.1总结体会根据老师给出的题目我们选择题目，查找资料，设计方案，进行方案论证，选择方案，系统设计，基本电路设计，电路焊接及调试，在规定的时间内完成了作品，并完成设计报告。开始拿到题目的时候，还不知道怎么做，因为自己对所学的知识还没有真正的去运用过，对输电中所涉及很多芯片的功能还不是很清楚，还有multisim仿真软件，以前从来没有接触过，它的用法还不是很清楚。所以开始的时候我必须花了大量的时间去了了解这些器件的功能，去实验室验证这些器件的功能。还花了时间去专门学习了multisi

22、m软件。在课程设计的过程中，我们想了很多种方案，对同一个问题反复论证，运用不同的芯片进行了比较，最后还是采取了上面的方法进行连接。在连接过程中，经常会遇到一些问题，比如接错线，无意中删除了一些线等，是自己还不够细心。这次课程设计之后，我明白了做任何事情都要认真仔细，不然会事倍功半。课程设计有利于提高我们的动手能力，能使我们将理论与实际相结合。曾强了我们对知识的运用。同时也使我意识到一个良好的设计思路，是电路的生命。宁愿在思路设计上多花时间，因为良好设计思路恰恰给后期制作成功的保障，更能节省时间。同样在制作过程中，马虎不得，粗心不得，一步一步来。课设要求我们充分的运用知识，所以要充分利用网上的资料，图书馆的资源，以及一切可以利用的资源，来添补我们知识上的盲区，使我们的知识更系统化，完善化。本次课设是一个以小组为单位，我们小组成员密切配合，提出问题，解决问题，分工合作，培养了我们团队合作的精神。我们集合了多人的智慧，互相讨论，相互辩驳最后找到解决问题的最优方案，完成了设计任务，使我们的作品较好地达到预期要求。通过本次的数模电课程设计， 让我将以前所学的书本的知识变成了自己亲手做的实物， 不仅完成了老师布置的课程设计任务，更使第一次将书本的知识充分的利用到实践当中， 其中的酸甜苦辣，欢欣喜悦，也只有自己能够体会。纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行，平时的课堂远不