數(shù)電交通燈課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)

簡(jiǎn)易交通燈的設(shè)計(jì)

作    者：蘇  運(yùn)

摘要：利用數(shù)碼管，74LS48譯碼器、74LS192計(jì)數(shù)器、ne555、與非門(mén)、或非門(mén)、觸發(fā)器、蜂鳴器和小彩燈等電子元件，制作簡(jiǎn)易交通燈，實(shí)現(xiàn)15秒倒計(jì)時(shí)開(kāi)始后，到達(dá)5秒時(shí)紅燈熄滅，黃燈閃爍同時(shí)蜂鳴器響，到達(dá)0秒時(shí)切換到另外兩個(gè)方向的紅綠燈亮的功能。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)達(dá)到紅綠燈轉(zhuǎn)換和顯示的基本要求，具有電路美觀穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

              目錄            

(1)東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時(shí)間15s。

(2)東西方向與南北方向黃燈亮，時(shí)間5s。

(3)南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時(shí)間l5s。

用數(shù)值電子技術(shù)設(shè)計(jì)交通信號(hào)燈總的控制電路的基本思路如圖1所示。

555定時(shí)器是一種非常實(shí)用的芯片，它常常被用來(lái)定時(shí)，因?yàn)?55定時(shí)器輸出比較穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，其管腳腳功能如圖2所示。

Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。

Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。

Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)始555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。

Pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。

Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來(lái)改變或調(diào)整輸出頻率。

Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。

Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。

Pin 8 (V +) -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。

圖2  NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

定時(shí)器實(shí)質(zhì)上是對(duì)秒脈沖的計(jì)數(shù)，由于交通燈是倒計(jì)時(shí)顯示的，所以使用倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)芯片。這里使用功能強(qiáng)大的74LS192芯片，它是一塊可預(yù)置數(shù)可逆計(jì)數(shù)芯片。

74LS192屬8421BCD碼的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其管腳順序和功能表圖3所示。其中MR是異步清零端，高電平有效。PL是并行置數(shù)端，低電平有效，且在MR=0有效。CPU和CPu是兩個(gè)時(shí)鐘脈沖，當(dāng)CPd=1，時(shí)鐘脈沖由CPU端接入。并且MR=0，PL=1時(shí)，74LS192處于加法計(jì)數(shù)狀態(tài)；當(dāng)CPu脈沖從CPd端輸入，且MR=0，PL=1時(shí)，74LS192處于減法計(jì)數(shù)狀態(tài)；CPd=CPu=1時(shí)，計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)。TCu是進(jìn)位端，TCd是借位端。

圖3  74LS192管腳功能圖

交通燈的設(shè)計(jì)和分布如圖所示，東西方向和南北方向個(gè)有一組紅燈、黃燈和綠燈，正常工作時(shí)，定時(shí)器15秒倒計(jì)時(shí)，東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮，倒計(jì)時(shí)到達(dá)5秒時(shí)，東西方向的紅燈熄滅，東西方向的黃燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器響。倒計(jì)時(shí)為0秒時(shí)，切換為東西方向的綠燈亮，南北方向的紅燈亮，計(jì)數(shù)器恢復(fù)為15秒倒計(jì)時(shí)。工作如此循環(huán)。

圖4  交通燈分布圖

  控制器是控制電路的核心，控制電路主要是對(duì)定時(shí)器的循環(huán)和交通燈的控制，可以通過(guò)定時(shí)器的輸出對(duì)控制電路進(jìn)行控制。控制電路可以通過(guò)與非門(mén)，或非門(mén)和觸發(fā)器來(lái)組成，這里采用74LS00二輸入四與非門(mén)、74LS27三輸入三或非門(mén)和74LS107J-K觸發(fā)器。它們的管腳功能如圖

圖5  各邏輯芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

數(shù)碼顯示電路主要時(shí)為了顯示計(jì)數(shù)器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，方法是用譯碼器對(duì)計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)行譯碼，然后輸送的數(shù)碼管顯示。這里采用74LS48譯碼器和共陰極數(shù)碼管組成數(shù)碼顯示電路。

   74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器，常用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中，

   共陰極數(shù)碼管的公共端接低電平，如圖6所示，當(dāng)相對(duì)于的段碼輸入高電平是，對(duì)應(yīng)的段碼就發(fā)光，按照如下圖輸入二進(jìn)制數(shù)時(shí)，數(shù)碼管就顯示相應(yīng)的數(shù)字。

圖6  共陰極數(shù)碼管顯示原理

74LS48管腳功能如右圖功能表所示，BI、RBI和LT接入高電平時(shí)，從A、B、C、d輸入BCD碼，輸出相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值。其功能表所示。

圖7  74LS48引腳功能

時(shí)鐘脈沖電路如圖8所示，由于對(duì)占空比沒(méi)有定性要求，

由公式     T=0.7(R1+R2)C

令T=1s,

解得：當(dāng)電容C=47uf時(shí)，R1+2R2=30.395KΩ

所以R1和R2應(yīng)該選用10KΩ。

圖8   時(shí)鐘脈沖發(fā)生器電路

由于要顯示2位數(shù)，所以需要兩片74LS192級(jí)聯(lián)組成，當(dāng)芯片輸出數(shù)據(jù)為00是讓芯片置數(shù)為15，這樣第00秒不會(huì)顯示00而是顯示15，第0秒時(shí)定時(shí)器輸出二進(jìn)制數(shù)值為00000000，由于本電路設(shè)計(jì)的交通燈延時(shí)不超過(guò)30秒，所以高兩位一直為00，所以只取前兩位即可，一共取6位數(shù)據(jù)輸出。即當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出00 0000時(shí)進(jìn)行置數(shù)�？梢杂脙蓚�(gè)三輸入或非門(mén)和一個(gè)兩輸入與非門(mén)構(gòu)成。

推算公式：

圖9   定時(shí)器電路

蜂鳴器和交通燈的電路圖如右圖所示，按照實(shí)際要求，假設(shè)燈亮和蜂鳴器響用1表示，反之記為0，則波形圖如圖所示。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的9012三極管基極接在黃燈的負(fù)極，低電平時(shí)黃燈亮的同時(shí)蜂鳴器也響。

圖10  蜂鳴器和交通燈的電路圖

圖11   波形圖

  紅綠燈轉(zhuǎn)換電路：根據(jù)圖10交通燈的波形圖要求，接下來(lái)就要設(shè)計(jì)控制電路了。經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察和分析發(fā)現(xiàn)：各燈滅亮周期為30秒，紅燈15秒變化一次，也就是一個(gè)計(jì)數(shù)周期。電路要記住循環(huán)次數(shù)，并且以兩次為一個(gè)周期。用觸發(fā)器就可以達(dá)到要求了，計(jì)數(shù)器置數(shù)是由1到0，出現(xiàn)了一個(gè)下降沿，這個(gè)下降沿可以作為觸發(fā)器的觸發(fā)電平，如圖12JK觸發(fā)器的真值表可知，將觸發(fā)器的J、K、R接高電平，等CLK來(lái)一個(gè)下降沿，Q和Q非發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)，這樣即可達(dá)到東西南北方向的紅綠燈轉(zhuǎn)換。

圖12  JK觸發(fā)器

圖13 控制電路

5秒電路：對(duì)綠燈和黃燈的控制，我們?cè)?5秒中選0~5秒讓黃燈亮，其余由綠燈亮。分析如圖15定時(shí)器真值表，只要QB1、QA1、QD0為0且QC0、QB不能全為1，對(duì)QB1、QA1、QD0為0這一條件可以用三輸入或非門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)QC0、QB不能全為1可以用一與非門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖14所示當(dāng)計(jì)數(shù)到5秒時(shí)輸出高電平。這樣可以通過(guò)這個(gè)電路和觸發(fā)器的配合控制紅燈和綠燈的交替閃亮。為了提高驅(qū)動(dòng)力，盡量讓電路低電平有效，所以使74LS27多余的或非門(mén)構(gòu)成非門(mén)將驅(qū)動(dòng)功能反過(guò)來(lái)，為了起到警示作用，讓黃燈閃爍，再讓74LS00多余的一個(gè)與非門(mén)接入秒鐘脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)黃燈閃爍，電路如圖14所示。

圖14   5秒控制電路

圖15 定時(shí)器真值表

   譯碼和數(shù)碼管電路比較簡(jiǎn)單，電路圖如圖16所示，只要192譯碼器輸入BCD碼，就可以輸出驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的電平，要低電平有效，譯碼器的控制端全部接高電平。

圖16  數(shù)值顯示電路

圖17  電源開(kāi)關(guān)和指示燈電路

萬(wàn)用表  

5V直流電源

示波器

電腦

  為了保證原理的可靠性，同時(shí)直觀地觀察各個(gè)結(jié)點(diǎn)電平狀態(tài)，理解電路的工作原理，在做電路板之前先進(jìn)行軟件仿真。經(jīng)過(guò)幾番的調(diào)試與修改，最終得到了滿意的仿真電路圖。

   將各個(gè)元件和芯片插座焊接好以后，接上電源，接著打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，觀察電源指示燈是否正常發(fā)光，為了防止芯片被燒壞，插入芯片之前用萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)芯片插座的電源接腳電壓是否正常，如果出現(xiàn)異常則對(duì)電路進(jìn)行檢修，檢修完成之后關(guān)閉電源你，將所有的芯片全部插到相應(yīng)的插座上，打開(kāi)電源，觀察數(shù)碼管顯示是否正常，觀察交通燈的變化和預(yù)想的邏輯是否一致，定時(shí)器是否走動(dòng)，如果定時(shí)器不走動(dòng)，需要用示波器檢測(cè)振蕩電路是否起振，再分析到底是邏輯電路還是振蕩電路引起的。

所有的功能都正常運(yùn)行以后，為了檢測(cè)時(shí)鐘電路的誤差，我們用示波器對(duì)振蕩電路的時(shí)鐘周期進(jìn)行測(cè)定，將示波器的輸入端接到NE555芯片的第三個(gè)引腳，調(diào)整示波器顯示的振幅范圍和周期，觀察示波器的屏幕，讀出頻率。

在仿真電路中，一邊仿真一邊修復(fù)電路，最終將仿真電路圖作為初步方案。

  在硬件電路板調(diào)試過(guò)程中，通上電后各個(gè)芯片的電源電壓都正常，但是顯示還是會(huì)出現(xiàn)亂碼，并且彩燈顯示異常，而且定時(shí)器也不走動(dòng)，最終經(jīng)過(guò)多次的檢修，將問(wèn)題逐一解決，問(wèn)題是因?yàn)樘摵负托盘?hào)線短路所致。經(jīng)過(guò)調(diào)試還發(fā)現(xiàn)，原來(lái)仿真軟件并不是完全可靠的，在仿真圖中NE555芯片的第4管腳不接電源正極也可以起振，但是在實(shí)際應(yīng)用上時(shí)鐘不能起振，經(jīng)過(guò)修改以后電路基本能夠正常穩(wěn)定地工作了。

電路基本完成以后，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管的燈光非常弱，用萬(wàn)用表測(cè)量發(fā)現(xiàn)觸發(fā)器輸出高電平是3.5V左右的，設(shè)計(jì)的電路兩個(gè)同色方向?qū)α⒌腖ED和50Ω電阻是串聯(lián)的，LED電壓不夠是燈太弱的原因，所以我在電路中將對(duì)應(yīng)的LED改成并聯(lián)，并且將串聯(lián)的電阻改為1KΩ，最終LED的亮度才比較適合。

如附錄5波器顯示屏所示，實(shí)際的時(shí)鐘周期為T(mén)，在示波器中大約占9.5格，每格是100ms。

所以： T=9.5*100=950ms=0.95s

最終，打開(kāi)電源以后，交通燈以0.95S為時(shí)鐘周期，東西方向的紅燈和南北方向的綠燈先亮，15秒倒計(jì)時(shí)開(kāi)始，當(dāng)時(shí)鐘為05秒的時(shí)候，東西方向的紅燈熄滅，東西方向的黃燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器響，當(dāng)時(shí)鐘為00秒的時(shí)候東西方向的黃燈和南北方向綠燈熄滅，同時(shí)蜂鳴器不響，西方向的綠燈和南北方向的紅燈亮，15秒倒計(jì)時(shí)開(kāi)始，當(dāng)時(shí)鐘為05秒的時(shí)候，南北方向的紅燈熄滅，南北方向的黃燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器響，以后的時(shí)間如此循環(huán)。

測(cè)試結(jié)果基本達(dá)到預(yù)想的邏輯要求，時(shí)鐘發(fā)生器的頻率存在5%的誤差，這些誤差主要來(lái)自于電阻和電解電容。

本設(shè)計(jì)所做的簡(jiǎn)易交通燈以數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)作為原理依據(jù)，電路主要包括脈沖發(fā)生器電路，定時(shí)器電路，控制電路，交通燈電路和數(shù)碼顯示電路等電路組成，利用數(shù)碼管，74LS48譯碼器、74LS192計(jì)數(shù)器、ne555、與非門(mén)、或非門(mén)、觸發(fā)器、蜂鳴器和小彩燈等數(shù)字電子技術(shù)芯片構(gòu)建而成的，實(shí)現(xiàn)的功能是：東西方向的紅燈和南北方向的綠燈先亮，15秒倒計(jì)時(shí)開(kāi)始，當(dāng)時(shí)鐘為05秒的時(shí)候，東西方向的紅燈熄滅，東西方向的黃燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器響，當(dāng)時(shí)鐘為00秒的時(shí)候東西方向的黃燈和南北方向綠燈熄滅，同時(shí)蜂鳴器不響，西方向的綠燈和南北方向的紅燈亮，15秒倒計(jì)時(shí)開(kāi)始，當(dāng)時(shí)鐘為05秒的時(shí)候，南北方向的紅燈熄滅，南北方向的黃燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器響，以后的時(shí)間按照循環(huán)，經(jīng)測(cè)試，電路基本達(dá)到要求，電路美觀，工作穩(wěn)定。

[1]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程（第三版）[M].清華大學(xué)，高等教育出版社,2006.5

[3]楊少光.電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能（第一版）[M].廣西教育出版社，2009.06