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1、贺州学院本科模拟电子技术课程设计报告电子技术课程设计报告简易交通灯的设计二 级 学 院机械与电子工程学院专 业电气工程及其自动化年 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 完 成 时 间2015 年12 月25 日 简易交通灯的设计 摘要：利用数码管，74LS48译码器、74LS192计数器、ne555、与非门、或非门、触发器、蜂鸣器和小彩灯等电子元件，制作简易交通灯，实现15秒倒计时开始后，到达5秒时红灯熄灭，黄灯闪烁同时蜂鸣器响，到达0秒时切换到另外两个方向的红绿灯亮的功能。经测试，系统达到红绿灯转换和显示的基本要求，具有电路美观稳定性高的优点。关键词：数电交通灯；交通灯；简易交通灯；
2、计数器目录1 设计要求及方案选择11.1设计要求11.2方案选择12 理论分析与设计12.1脉冲发生器电路的分析及设计12.2定时器电路的分析及设计22.3交通灯和蜂鸣器电路的分析及设计32.4控制器电路的分析及设计42.5数码显示电路的分析及设计43电路设计53.1脉冲发生器电路的设计53.2定时器电路的设计63.3交通灯和蜂鸣器电路的设计63.4控制电路的设计73.5码显示电路的设计93.6电源开关和指示灯电路的设计94系统测试实验104.1调试所用的基本仪器清单104.2软件仿真调试104.3实物电路板的调试104.4时钟脉冲信号的测定104.5调试结果114.6测试结果分析115 总结
3、12附 录13附录A 仿真图13附录B 原理图13附录C PCB图14附录D 实物图14附录E 脉冲信号测试图15附录F 元件清单15参考文献161 设计要求及方案选择1.1设计要求(1)东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s。(2)东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s。(3)南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l5s。1.2方案选择用数值电子技术设计交通信号灯总的控制电路的基本思路如图1所示。图1 交通灯控制电路结构图2 理论分析与设计2.1脉冲发生器电路的分析及设计555定时器是一种非常实用的芯片，它常常被用来定时，因为555定时器输出比较稳定，驱动能力强，其管脚脚功能如图2所示。Pin
4、 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输
5、入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。图2 NE555内部结构图2.2定时器电路的分析及设计定时器实质上是对秒脉冲的计数，由于交通灯是倒计时显示的，所以使用倒计时计数芯片。这里使用功能强大的7
6、4LS192芯片，它是一块可预置数可逆计数芯片。74LS192属8421BCD码的十进制计数器，其管脚顺序和功能表图3所示。其中MR是异步清零端，高电平有效。PL是并行置数端，低电平有效，且在MR=0有效。CPU和CPu是两个时钟脉冲，当CPd=1，时钟脉冲由CPU端接入。并且MR=0，PL=1时，74LS192处于加法计数状态；当CPu脉冲从CPd端输入，且MR=0，PL=1时，74LS192处于减法计数状态；CPd=CPu=1时，计数器处于保持状态。TCu是进位端，TCd是借位端。图3 74LS192管脚功能图2.3交通灯和蜂鸣器电路的分析及设计交通灯的设计和分布如图所示，东西方向和南北方
7、向个有一组红灯、黄灯和绿灯，正常工作时，定时器15秒倒计时，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮，倒计时到达5秒时，东西方向的红灯熄灭，东西方向的黄灯闪烁，同时蜂鸣器响。倒计时为0秒时，切换为东西方向的绿灯亮，南北方向的红灯亮，计数器恢复为15秒倒计时。工作如此循环。图4 交通灯分布图2.4控制器电路的分析及设计 控制器是控制电路的核心，控制电路主要是对定时器的循环和交通灯的控制，可以通过定时器的输出对控制电路进行控制。控制电路可以通过与非门，或非门和触发器来组成，这里采用74LS00二输入四与非门、74LS27三输入三或非门和74LS107J-K触发器。它们的管脚功能如图图5 各逻辑芯片内部结构图
8、2.5数码显示电路的分析及设计数码显示电路主要时为了显示计数器的实时时钟，方法是用译码器对计数器的输出进行译码，然后输送的数码管显示。这里采用74LS48译码器和共阴极数码管组成数码显示电路。 74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中， 共阴极数码管的公共端接低电平，如图6所示，当相对于的段码输入高电平是，对应的段码就发光，按照如下图输入二进制数时，数码管就显示相应的数字。 图6 共阴极数码管显示原理74LS48管脚功能如右图功能表所示，BI、RBI和LT接入高电平时，从A、B、C、d输入BCD码，输出相对应的二进制数值。其功能表所示。图7
9、 74LS48引脚功能3电路设计3.1脉冲发生器电路的设计时钟脉冲电路如图8所示，由于对占空比没有定性要求，由公式 T=0.7(R1+R2)C 令T=1s, 解得：当电容C=47uf时，R1+2R2=30.395K所以R1和R2应该选用10K。图8 时钟脉冲发生器电路3.2定时器电路的设计由于要显示2位数，所以需要两片74LS192级联组成，当芯片输出数据为00是让芯片置数为15，这样第00秒不会显示00而是显示15，第0秒时定时器输出二进制数值为0000 0000，由于本电路设计的交通灯延时不超过30秒，所以高两位一直为00，所以只取前两位即可，一共取6位数据输出。即当计数器输出00 000
10、0时进行置数。可以用两个三输入或非门和一个两输入与非门构成。推算公式： 图9 定时器电路3.3交通灯和蜂鸣器电路的设计蜂鸣器和交通灯的电路图如右图所示，按照实际要求，假设灯亮和蜂鸣器响用1表示，反之记为0，则波形图如图所示。驱动蜂鸣器的9012三极管基极接在黄灯的负极，低电平时黄灯亮的同时蜂鸣器也响。图10 蜂鸣器和交通灯的电路图图11 波形图3.4控制电路的设计 红绿灯转换电路：根据图10交通灯的波形图要求，接下来就要设计控制电路了。经过仔细观察和分析发现：各灯灭亮周期为30秒，红灯15秒变化一次，也就是一个计数周期。电路要记住循环次数，并且以两次为一个周期。用触发器就可以达到要求了，计数器
11、置数是由1到0，出现了一个下降沿，这个下降沿可以作为触发器的触发电平，如图12JK触发器的真值表可知，将触发器的J、K、R接高电平，等CLK来一个下降沿，Q和Q非发生电平翻转，这样即可达到东西南北方向的红绿灯转换。 图12 JK触发器图13 控制电路 5秒电路：对绿灯和黄灯的控制，我们在15秒中选05秒让黄灯亮，其余由绿灯亮。分析如图15定时器真值表，只要QB1、QA1、QD0为0且QC0、QB不能全为1，对QB1、QA1、QD0为0这一条件可以用三输入或非门来实现，对QC0、QB不能全为1可以用一与非门来实现。如图14所示当计数到5秒时输出高电平。这样可以通过这个电路和触发器的配合控制红灯和
12、绿灯的交替闪亮。为了提高驱动力，尽量让电路低电平有效，所以使74LS27多余的或非门构成非门将驱动功能反过来，为了起到警示作用，让黄灯闪烁，再让74LS00多余的一个与非门接入秒钟脉冲来驱动黄灯闪烁，电路如图14所示。 图14 5秒控制电路 图15 定时器真值表3.5码显示电路的设计 译码和数码管电路比较简单，电路图如图16所示，只要192译码器输入BCD码，就可以输出驱动数码管的电平，要低电平有效，译码器的控制端全部接高电平。图16 数值显示电路3.6电源开关和指示灯电路的设计 图17 电源开关和指示灯电路 4系统测试实验4.1调试所用的基本仪器清单万用表 5V直流电源 示波器 电脑4.2软
13、件仿真调试 为了保证原理的可靠性，同时直观地观察各个结点电平状态，理解电路的工作原理，在做电路板之前先进行软件仿真。经过几番的调试与修改，最终得到了满意的仿真电路图。4.3实物电路板的调试 将各个元件和芯片插座焊接好以后，接上电源，接着打开电源开关，观察电源指示灯是否正常发光，为了防止芯片被烧坏，插入芯片之前用万用表测量各个芯片插座的电源接脚电压是否正常，如果出现异常则对电路进行检修，检修完成之后关闭电源你，将所有的芯片全部插到相应的插座上，打开电源，观察数码管显示是否正常，观察交通灯的变化和预想的逻辑是否一致，定时器是否走动，如果定时器不走动，需要用示波器检测振荡电路是否起振，再分析到底是逻
14、辑电路还是振荡电路引起的。4.4时钟脉冲信号的测定所有的功能都正常运行以后，为了检测时钟电路的误差，我们用示波器对振荡电路的时钟周期进行测定，将示波器的输入端接到NE555芯片的第三个引脚，调整示波器显示的振幅范围和周期，观察示波器的屏幕，读出频率。4.5调试结果 在仿真电路中，一边仿真一边修复电路，最终将仿真电路图作为初步方案。 在硬件电路板调试过程中，通上电后各个芯片的电源电压都正常，但是显示还是会出现乱码，并且彩灯显示异常，而且定时器也不走动，最终经过多次的检修，将问题逐一解决，问题是因为虚焊和信号线短路所致。经过调试还发现，原来仿真软件并不是完全可靠的，在仿真图中NE555芯片的第4管
15、脚不接电源正极也可以起振，但是在实际应用上时钟不能起振，经过修改以后电路基本能够正常稳定地工作了。电路基本完成以后，发现发光二极管的灯光非常弱，用万用表测量发现触发器输出高电平是3.5V左右的，设计的电路两个同色方向对立的LED和50电阻是串联的，LED电压不够是灯太弱的原因，所以我在电路中将对应的LED改成并联，并且将串联的电阻改为1K，最终LED的亮度才比较适合。如附录5波器显示屏所示，实际的时钟周期为T，在示波器中大约占9.5格，每格是100ms。所以： T=9.5*100=950ms=0.95s最终，打开电源以后，交通灯以0.95S为时钟周期，东西方向的红灯和南北方向的绿灯先亮，15秒
16、倒计时开始，当时钟为05秒的时候，东西方向的红灯熄灭，东西方向的黄灯闪烁，同时蜂鸣器响，当时钟为00秒的时候东西方向的黄灯和南北方向绿灯熄灭，同时蜂鸣器不响，西方向的绿灯和南北方向的红灯亮，15秒倒计时开始，当时钟为05秒的时候，南北方向的红灯熄灭，南北方向的黄灯闪烁，同时蜂鸣器响，以后的时间如此循环。4.6测试结果分析测试结果基本达到预想的逻辑要求，时钟发生器的频率存在5%的误差，这些误差主要来自于电阻和电解电容。5 总结本设计所做的简易交通灯以数字电子技术的基础知识作为原理依据，电路主要包括脉冲发生器电路，定时器电路，控制电路，交通灯电路和数码显示电路等电路组成，利用数码管，74LS48译
17、码器、74LS192计数器、ne555、与非门、或非门、触发器、蜂鸣器和小彩灯等数字电子技术芯片构建而成的，实现的功能是：东西方向的红灯和南北方向的绿灯先亮，15秒倒计时开始，当时钟为05秒的时候，东西方向的红灯熄灭，东西方向的黄灯闪烁，同时蜂鸣器响，当时钟为00秒的时候东西方向的黄灯和南北方向绿灯熄灭，同时蜂鸣器不响，西方向的绿灯和南北方向的红灯亮，15秒倒计时开始，当时钟为05秒的时候，南北方向的红灯熄灭，南北方向的黄灯闪烁，同时蜂鸣器响，以后的时间按照循环，经测试，电路基本达到要求，电路美观，工作稳定。附 录附录A 仿真图附录B 原理图附录C PCB图附录D 实物图附录E 脉冲信号测试图附录F 元件清单参考文献1余孟尝.数字电子技术基础简明教程（第三版）M.清华大学，高等教育出版社,2006.52 3杨少光.电子技术基础与技能（第一版）M.广西教育出版社，2009.0615