数电课程设计交通指示灯.doc

课 程 设 计 说 明 书课程名称：数字电子技术、模拟电子技术设计题目： 交通指示灯 院 系： * 学生姓名： * 学 号： * 专业班级： 通信工程 指导教师： * 2012年5月25日 课 程 设 计 任 务 书设计题目交通指示灯学生姓名所在院系电子信息与电气工程学院专业、年级、班通信工程设计要求：1、设计制作一个十字路口交通指示灯简易控制电路；2、红灯亮表示停止，绿灯亮表示通行，通行和停止时间各30秒；3、通行和停止时间用数码管显示，采用倒计时方式。学生应完成的工作：设计交通灯的工作电路，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用DXP 软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。参考文献阅读：1童诗白.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2005.2臧春华.电子线路设计与应用M.北京:高等教育出版社,2005.3邱关源,罗先觉.电路（第五版）M.北京:高等教育出版社,2006.4阎 石.数字电子技术（第五版）M.北京:高等教育出版社,2005.5张阳天,韩异凡.Protel DXP电路设计M.北京:高等教育出版社,2005.工作计划：5月14号16号完成原理图的设计；5月17号18号进行PCB设计；5月21号23号制作PCB板；5月24号25号电路板安装与调试，提交课程设计报告。任务下达日期： 2012 年 5 月 14 日任务完成日期： 2012 年 5 月 25 日指导教师（签名）： 学生（签名）： 交通指示灯摘 要：设计了一个交通灯控制电路，该电路具有控制十字路口交通灯的功能，红灯亮表示停止，绿灯亮表示通行，通行和停止时间各为30秒，通行和停止时间用数码管显示，采用倒计时方式。脉冲信号用555定时器构成的多谐振荡电路来产生的。74LS192可逆十进制计数器的减法功能和74LS47译码器构成译码电路来实现电路的减法计数。两个共阳极数码管来显示译码电路实现的减法计数。两组发光二极管来显示红绿灯的变化，整个电路采用5伏电源供电。利用Multisim 10对设计的电路进行仿真，可以验证交通指示灯从理论到原理图捕获与仿真，再到原型设计和测试的综合设计的正确性。关键词：交通指示灯；时钟信号；555多谐振荡电路；计数器；译码器目 录1.设计背景 11.1数字电路系统的定义及组成11.2时钟电路的作用及基本构成12.设计方案12.1任务分析12.2方案论证13.方案实施23.1原理图设计23.2电路仿真53.3 PCB制作63.4安装与调试 64.结果与结论75.收获与致谢86.参考文献87.附件 97.1电路原理图97.2 PCB布线图 107.3元器件清单101. 设计背景1.1数字电路系统的定义及组成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。数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。输入电路主要作用是将被控信号转换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。1.2时钟电路的作用及基本构成时钟电路可以简单定义为产生像时钟一样准确的振荡电路，且在任何工作都按时间顺序，用于产生这个时间的电路。时钟电路一般由晶体震荡器、晶震控制芯片和电容组成，它是数字电路系统中的灵魂，属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。比如多路可编程控制器中的 555 多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。2. 设计方案2.1任务分析交通灯控制器主要实现两部分功能，第一，交通的停止或前进由红、绿灯显示；第二，交通灯的倒计时显示及对彩灯的控制。其中定时器产生矩形脉冲，用计数器和译码器实现置数，控制数码管进行倒计时工作，用触发器来实现红绿灯的变化。2.2方案论证设计系统由时钟信号电路、主控制器、译码显示器、信号灯显示器四大部分组成。其中信号电路用于给各个组成部分提供定时信号，使相应的发光二极管发光。译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，产生倒计时时间显示，控制器根据时钟信号电路产生的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。各部分功能分别由具体的器件连接实现。1、脉冲的产生。矩形脉冲的产生，利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生需要的矩形脉冲。本次设计方案采用555定时器连接成的多谐振荡电路产生矩形脉冲，灵活方便。2、计数的实现。采用74LS192实现，脉冲信号接入74LS192的倒计时控制端CNT DWM端，让其实现倒计时功能。第一部分倒计时控制电路需要用到两片74LS192，接入脉冲信号的74LS192的预置数为0000，由该芯片的借位输出端TC DWN控制第二片74LS192（该芯片的预置数为0011）的倒计时控制端，用于实现当个位由九变为零时，十位数值减少一，从而实现倒计时30秒的功能。第二部分的两个芯片的预置数控制端和预置数为0011的芯片的借位输出端连在一起，用于实现每倒计时30秒后，两个芯片返回为预置数，即重新从30秒开始倒计时。3、译码显示部分。由两片74LS47实现译码功能，再由两个七段共阳极数码管实现显示输出功能。4、红绿灯交替显示。由预置数为0011的74LS192的借位输出端TC DWN作为此芯片的输入控制端，该部分的基本部分为由D触发器构成的T触发器，每倒计时30秒后其输出状态翻转一次，接在两个输出端红绿灯变化一次。3. 方案实施3.1原理图设计时钟信号产生电路主要由555定时器组成振荡器，产生稳定的脉冲信号，送到状态产生电路，状态产生电路根据需要产生脉冲。第一，时钟电路设计。555多谐自激振荡集成电路制成，与两个48k电阻和一个10uf电容还有一个100nf电容一起构成周期为一秒的时钟周期发生器，为电路提供时钟信号，支持整个电路的工作。第二，用555定时器接成的多谐振荡器。多谐振荡器是一种无稳态触发器，接通电源后，不需外加触发信号，就能产生矩形波输出。设计利用多谐振荡器产生振荡脉冲，作为信号发生器使用。多谐振荡器接通电源后，不需外加触发信号，就能产生够矩形波输出。555定时器构成多谐振荡器如图1所示。图1 555定时器构成的多谐振荡器第三，译码器。由74LS192N计数器和74LS47N译码器组成，用以驱动数码管正常工作，其中可逆计数器是用减法的，并且在时钟电路的控制下让数码管工作，进行倒计时。将振荡电路所产生的周期性脉冲信号接入计数器的14引脚从而实现计数器的减法功能，再将计数器与译码器连接起来最终构成部分，再将信号接入数码管，使数码管显示倒计时。计数器和译码器组成的计数与显示电路如图2所示。图2 计数器和译码器组成的计数与显示电路图其中74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其逻辑符号如图3所示。图3 555定时器的逻辑符号图第四，74LS74N双D触发器。74LS74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发D触发器电路。控制电路如图4所示。图4 控制电路仿真图本次课程设计集纸上设计，软件仿真，电路搭接于一体，难度很大。设计过程中，刚开始时由于思维方式的限制，只想到了利用两片D触发器组合作为控制器控制计数器模值变化，只是单纯的将D触发器的两个输出与161置入数据规律联系在一起而且没有考虑到置数的有效时间和先后关系，这样首次设计出的电路与预期状态有个一秒的差距，如果消除一秒的时差则置数就会出现错误。经过同学之间的相互交流和详细讨论，细化了交通的工作周期中的每个工作状态，认识到了192的置数端控制需要D触发器与其本身的进位信号CO共同控制，并将D触发器的原时钟信号输入取非，解决了一秒的时差问题，又将D触发器的输出与192的进位信号与所需的置数状态经过卡诺图化简，得到表达式，重新设计电路，得到正确的结果。3.2电路仿真在各单元电路设计的基础上，用Multisim软件把各单元电路连接起来，画出符合软件要求的系统整体逻辑电路图。系统整体电路设计完成后，对系统整体进行仿真，验证设计的正确性。通过查阅数字电路器件手册或网络，掌握所选电子元器件，尤其是中大规模集成电路的性能、引脚定义以及封装形式，明确各器件的输入端、控制端对信号的要求和输出信号的特点。交通指示灯电路仿真图如图5所示。图5 交通指示灯电路仿真图对该逻辑电路原理图进行仿真，所得结果与之前任务分析结果相符。3.3 PCB制作本次试验PCB设计采用Altium Designer09仿真软件。第一步，设计原理图，在元件库中选择所需的元件，依照仿真图正确的连接好线路；第二步，将原理图导入到PCB中；第三步，布线，按照要求采用电源线和地线要求采用0.6mm，如果从两个焊盘中间穿过时用0.3mm。信号线采用0.5mm，如果从两个焊盘中间穿过时用0.3mm。焊盘的内径用0.8mm。外径根据需要进行修改，一般为X方向1.6mm，Y方向2.0mm，或是X方向2.0mm，Y方向1.6mm。合理布线，在尽量少采用跳线下应整齐美观，至此完成了PCB的制作。PCB布线图如图6所示。图6 PCB布线图3.4 安装与调试对应PCB图上的元件将所用到的器件底座焊接到电路板上，有跳线的话要先焊接跳线，在焊接的过程中要避免焊锡与电路板上的铜线相交，而且要注意底座对应芯片的封装关系。其中，对应缺口的左下角第一个管脚号为1然后按逆时针方向依次为2、3要避免跳线与管脚相交焊接时的注意二极管的极性，在焊接之前用在焊接之前要把各个电阻的阻值用万用表测试，检查阻值是否正确；检查变压器的型号，确定220V交流电经变压器变压后是合适的电压；最好选用220V/25W的电烙铁；焊接时动作要以把电路板铜线烫坏；焊接要准确；每焊接好一处注意要检查是否有短路现象。 焊接完毕后进行调试，具体步骤是在接通电源前，先用万用表仔细检查各管脚是否有短路、虚焊、漏焊等现象。检查无误后，先不要将各个集成块插入芯片插座中，然后接通电源，用手触摸桥碓，看看是否发热，或者用万用表测试其两端的电压是否在10V左右。如果发热或者电压为零则说明电路中有短路的现象，要立刻切断电源，再做仔细的检查，改正后再进行同样的测试，直到正常为止。接着测试各个芯片的电压是否正常，如果正常的话可以把各个集成块芯片插入芯片插座中。以上各项检查无误后，再进行调试。4. 结果与结论由555定时器制成的多谐振荡电路，由74LS192计数，74LS47组成的译码电路最终制成符合要求的交通指示灯电路设计。采用Altium仿真软件制成的交通指示灯原理图如图7所示。图7 交通指示灯原理图将上述原理图画于DXP软件中，进行转译，将做好的PCB版图进行元器件的摆放，在尽量少用跳线的指导下进行布线工作，最终做出PCB图。再根据做好的PCB图来进行制板工作，最终制成一块合适的电路板。再在所做的电路板上进行元器件的焊接工作，焊接完后进行电路的检查，看所焊电路板电路是否正常工作。最后加上5v电压后，电路正常工作，和仿真出来的效果是一样的。5. 收获与致谢为期两个星期的课程设计即将结束，本次试验大大培养了我的动手能力和同学间的相互合作精神。之前在课本上学习的不太透彻的知识在本次实践中得到了证明与检验，我从中获益匪浅，也深刻体会到了“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”的道理。通过这次课程设计，从理论到实践，我从中学到了很多，对各种元器件有了充分的了解，培养了我的动手能力，在学习书本知识的同时，加深了我对数字电子技术这门课程的理解和掌握。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充分结合起来，从理论中得出结论，才能真正弄懂，弄明白。以前做实验只知道简单的连线，这次我从理论原理到设计制作充分学习与掌握。并且知道了自己原先学习中的不足，加深了对我的数电这门课的深层认识。综合运用数字电子技术课程中的理论知识合作完成了设计课题，培养了我动手查阅手册、文献资料，分析，解决实际问题和合作完成任务的能力，熟悉了常用电子元器件的类型、特性和使用方法，掌握了合理选用的原则，学会了数字电路系统的安装与调试方法，熟悉了常用电子仪器仪表的使用方法，掌握了编写课程设计报告书的方法，培养了严肃的工作作风、严谨的科学态度，为将来的毕业设计提供了宝贵的经验。这次课程设计还让我学习了很多知识，认识了合作的重要性，做事要细致，哪怕一根线，一个焊点都要认真的做，只有前面全部的细致工作才有后面的成功。而且认识到安全的重要性，特别在使用电和烙铁的时候，一定要注意安全。另外这次课程设计的顺利完成，要特别感谢*老师、*老师、*老师、*老师的耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建议和意见的同学们，在此，我表示深深的感谢！6. 参考文献1童诗白.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2005.2臧春华.电子线路设计与应用M.北京:高等教育出版社,2005.3邱关源,罗先觉.电路（第五版）M.北京:高等教育出版社,2006.4阎 石.数字电子技术（第五版）M.北京:高等教育出版社,2005.5张阳天,韩异凡.Protel DXP电路设计M.北京:高等教育出版社,2005.7. 附件7.1 电路原理图图8 电路原理图7.2 PCB布线图图9 PCB布线图7.3 元器件清单元器件清单如表1所示。表1 元器件清单名称功能个数74LS192可逆十进制计数器1555定时器定时174LS74触发器174LS47译码器2电阻47K21005电容100nF110uF1发光二级管红、绿4指导教师评语：课程设计报告成绩： ，占总成绩比例： 40 课程设计其它环节成绩：环节名称：原理图设计与仿真，成绩： ，占总成绩比例： 20 环节名称：PCB设计 ，成绩： ，占总成绩比例： 20 环节名称：电路安装调试 ，成绩： ，占总成绩比例： 20 总 成 绩： 指导教师签字：年 月 日本次课程设计负责人意见：负责人签字：年 月 日