1、課程設計說明書目錄1 引言12 交通信號燈控制電路的概述23 單元模塊43.1 電源模塊43.2秒脈沖發生模塊43.3計數模塊63.4 邏輯電路模塊73.5 分頻器模塊94 數字電子鐘電路的仿真與調試114.1仿真軟件簡介114.2交通信號燈控制電路的仿真114.3 交通信號燈控制電路的實現134.4調試方法134.5 調試中出現的問題、原因分析及解決方法145 總結15參考文獻17附錄181 引言隨著我國城市化建設的發展，人民的生活水平日漸提高，越來越多的汽車進入了尋常老百姓的家庭，再加上政府大力發展公交車、出租車，使得道路上車輛越來越多，許多大城市如北京、上海、南京等均出現了道路交通超負荷

2、運行的情況。因此，自80年代后期以來，很多城市紛紛擴建城市道路，在道路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對道路的系統研究和控制，擴建道路并沒有充分發揮出預期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特點，也決定了城市道路的交通狀況必然受這種路況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的多車道城市道路，緩解城區的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規劃部門亟待解決的主要問題。在這種情況下，道路交通信號燈開始發揮了越來越重要的作用，并已成為交管部門管理交通的重要工具之一。城市交通控制系統是用于城市交通數據監測、交通信號燈控制與交

3、通疏導的計算機綜合管理系統，它是現代城市交通監控指揮系統中最重要的組成部分由于現代社會模擬電子技術基礎和數字電子技術基礎的高速發展，因而由這種技術制造出來的產品也越來越先進，交通信號燈控制電路就是其中之一。交通信號燈控制電路的應用十分廣泛，通過各種組合邏輯電路的組合和秒脈沖的激勵，可以很清晰地將信號燈的亮滅情況反映出來，便于人們的觀察，以及解決交通問題。它具有亮滅準時精確，顯示直觀，無機械傳動，無需人的經常調整等優點。它廣泛用于大中小各個城市中人口聚集的地方。交通信號燈控制電路的設計涉及到模擬電子技術與數字電子技術。其中，絕大部分是數字電路部分：邏輯門電路、計數器，觸發器，555定時器等的基本

4、原理。交通信號燈控制電路的設計與制作不僅加深了對數字電路的了解，而且由于交通信號燈控制電路包括組合邏輯電路和時序電路，進一步學習與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法，為數字電路的制作提供思路。本系統采用小規模集成電路構成交通信號燈控制電路的硬件電路，由555定時器構成的多諧振蕩器作為秒脈沖產生電路，經過雙D觸發器構成的T觸發器作為4分頻器電路，利用74LS164構成十二進制扭環形計數器，來控制組合邏輯電路實現其邏輯功能。最后用電路仿真軟件繪制出交通信號燈控制電路的完整電路圖。對數字電路的學習起到了良好的輔助作用。自從交通燈誕生以來，其內部的電路控制系統就不斷的被改進，設計方法也開始

5、多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化。尤其是近幾年來，隨著電子與計算機技術的飛速發展，電子電路分析和設計方法有了很大的改進，電子設計自動化也已經成為現代電子系統中不可缺少的工具和手段。2 交通信號燈控制電路的概述較通信號燈控制電路的邏輯框圖如圖2-1所示。它由555集成芯片構成的多諧振蕩電路、雙D觸發器構成的分頻器、十二進制扭環形計數器、直流穩壓電源構成部分以及組合邏輯電路組成。555集成芯片構成的振蕩電路產生的信號經過分頻器作為4秒脈沖，4秒脈沖送入計數器，來控制紅黃綠燈的工作狀態及工作時間。可通過觀察亮燈的情況形成有序的交通。其整體電路框圖如圖2-1所示。東西信號燈南北信號燈組合邏輯電路十

6、二進制計數器四分頻器秒脈沖產生電路系統電源工作方式控制開關關圖2-1 整體電路框圖該系統的工作原理是：信號燈黑天工作，即開關閉合時，計數器被置零，不工作，A、B輸入為低電平，使紅燈、綠燈不工作。當555多諧振蕩器產生的秒脈沖為高電平時，黃燈亮，為低電平時，黃燈滅。產生黃燈閃爍的現象。信號燈白天工作，即開關斷開時，計數器正常工作，由直流穩壓電源為其提供5V直流電壓，555定時器形成的多諧振蕩器為其提供秒脈沖， A、B輸入為高電平，通過與、或、非門組成的組合邏輯電路決定亮燈的情況，使其某方向綠燈點亮20秒，然后黃燈點亮4秒，最后紅燈點亮24秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。其中信

7、號燈白天點亮流程圖如圖2-2所示：圖2-2 信號指示燈白天點亮流程圖南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮 5t南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮 1t南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮 5t南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮 1t3 單元模塊3.1 電源模塊電源電路如圖所示，直流穩壓電源包括變壓器降壓、二極管（或整流橋）整流、電容濾波、集成穩壓芯片穩壓四部分。電源電壓采用直流5V，通過變壓器將市電220V降壓到交流9V，在通過整流橋整流濾波和穩壓塊7805得到直流5V電壓。直流穩壓電源的任務是為整體電路提供直流電源。故穩壓電源電路的輸出電壓值和輸出電流值應滿足整體電路的需要。在變壓器次級交流電壓為正半周時，即A

8、為正B為負時，二極管、導通，、截止。電流流經的路徑是：從A點出發，經二極管、負載，在經回到B點。若忽略二極管的正向壓降，可以認為上的電壓。當為負半周，即A為負B為正時，二極管、導通，、截止。電流的通路是從B點出發，經、負載回到A點。若忽略二極管的正向壓降-。從圖上看出，無論的正、負半周如何變換，流經的電流方向始終不變，即由CD 。四只二極管中對應橋臂上的兩只為一組，兩組輪流導通。在負載上，即可得到全波脈沖的直流電壓和電流。因為這種整流屬于全波整流類型。圖3-1 直流穩壓電源電路圖3.2秒脈沖發生模塊秒脈沖產生電路實際就是一個多諧振蕩電路，它可以是用門電路和電阻、電容組成的多諧振蕩電路，也可以是

9、用定時器555和電阻、電容組成的多諧振蕩器。基本RS觸發器、雙極型三極管T和輸出緩沖器組成，其外部有八個引腳，第8腳為電源端，第1腳為接地端，第3腳為輸出端，第4腳為直接復位端，第5腳為控制電壓輸入端，第6腳為復位控制端，第2腳為置位控制端，第7腳為放電端。如圖3-2所示CB555的電路結構圖，3-3所示555定時器引腳圖。為了電路簡單和調節振蕩周期方便，采用555定時器組成多諧振蕩器。雙極型555定時器由電阻分壓器、比較器、VccRDVcoVi1Vi2V0圖3-2 CB555的電路結構圖VOD圖3-3 555定時器引腳圖555 振蕩周期與頻率的計算公式為：T= =0.7 電源電壓 =+5V，

10、其中電路圖中 的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響，一般選用0.01F 的瓷片電容。在此課程設計中要求輸出T=1S，選取電容為 =1F， =560，根據振蕩周期計算，選擇電阻 =560。當元件選取完成以后，根據電路原理圖連接電路即可。74LS164圖3-5 74LS164引腳排列和邏輯符號圖3-4 定時器555與RC組成的多諧振蕩器Vcc3.3計數模塊74LS164是用8位串行輸入并行輸出的移位寄存器組成的扭環形十二進制計數器。數據通過兩個輸入端（A 或 B）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數據輸入。兩個輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸

11、空。它具有異步清零、置數、計數、保持等功能，圖3-5為其引腳排列和邏輯符號，邏輯功能見表3-1。 圖3-5 74LS164的邏輯功能表輸入輸出清零時鐘串入RDCPABQAQBQCQDQEQFQGQHL×××LLLLLLLLHL××QAOQBOQCOQDOQEOQFOQGOQHOHHHHQANQBNQCNQDNQENQFNQGNHL×LQANQBNQCNQDNQENQFNQGNH×LLQANQBNQCNQDNQENQFNQGN用74LS164組成的十二進制扭環型計數器電路 ，其中秒脈沖經4分頻后得到4秒脈沖，將其作為十二進制計

12、數器的CP脈沖。其電路圖和功能表如下所示。 圖3-6 計數器電路圖3.4 邏輯電路模塊邏輯控制電路是本設計的核心電路，由它控制交通信號燈按要求方式點亮(一般經驅動電路去控制信號燈)。根據白天信號燈的點亮要求，將時序邏輯電路的輸出作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出給信號燈的驅動電路。夜晚工作方式也需要組合邏輯電路的功能以及秒脈沖通過與門實現。控制電路的特點：從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向黃燈亮。因此采用組合邏輯設計。組合邏輯電路：將十二進制計數器作為

13、組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出去驅動東西和南北兩個方向的信號燈的點亮。組合邏輯電路的原理圖如圖3-6所示。組合邏輯電路的真值表如表3-2所示。表 3-2 組合邏輯電路的真值表NSGNSGEWREWYEWG圖3-7 組合邏輯電路的原理圖+5V=NSY4s計數器輸出南北信號東西信號QA QB QC QD QE QFNSG NSY NSR EWG EWY EWR 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1

14、 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 3.5 分頻器模塊所用的扭環形十二進制計數器的時間單位為4秒，即它的CP脈沖為4秒。為了使整體電路工作步調一致，4秒脈沖應該利用秒脈沖經分頻獲得，這就需要設計一個4分頻器電路。秒脈沖經4分頻后得到4秒脈沖，

15、將其作為十二進制計數器的CP脈沖。本次課程設計使用兩個D觸發器（74LS74）組成4分頻器電路。使555多諧振蕩器與分頻器共同為邏輯電路提供4S脈沖。如表3-3為D觸發器功能表，圖3-7為兩個D觸發器組成的四分頻器。4S圖3-8 四分頻器的電路原理圖1S表3-3 74LS74功能表 CPDQn+10XQn10011174LS74內含兩個獨立的D上升沿雙D觸發器，每個觸發器有數據輸入（D）、置位輸入（）復位輸入（）、時鐘輸入（CP）和數據輸出（Q、Q）。、的低電平使輸出預置或清除，而與其它輸入端的電平無關。當、均無效（高電平式）時，符合建立時間要求的D數據在CP上升沿作用下傳送到輸出端。圖3-8

16、為74LS74的管腳排布，表3-4為74LS74的功能表。表3-4 74LS74的功能表輸入輸出SDRDCPDQn+1Qn01××1010××0100××111101100111×QnQn圖3-9 為74LS74的管腳排布4數字電子鐘電路的仿真與調試4.1仿真軟件簡介 Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。憑借 Multisim，您可以立即創建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設計流程中

17、提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術的設計流程，從而能夠比較具有模擬數據的實現建模測量。有如下特點：通過直觀的電路圖捕捉環境, 輕松設計電路 ；通過交互式SPICE仿真, 迅速了解電路行為； 借助高級電路分析, 理解基本設計特征 ；通過一個工具鏈, 無縫地集成電路設計和虛擬測試 ；通過改進、整合設計流程, 減少建模錯誤并縮短研發時間。 4.2交通信號燈控制電路的仿真 按照原理圖逐部分仿真，先仿真直流穩壓電源的產生部分，然后仿真秒脈沖產生部分，最后是整體電路的仿真。仿真直流穩壓電源產生部分電路圖及仿真結果

18、為： 圖4-1 直流穩壓電源仿真圖 圖4-1 秒脈沖仿真圖圖4-2 仿真結果仿真秒脈沖產生電路的電路圖及仿真結果為:圖4-3 秒脈沖仿真圖 圖4-4 仿真圖通過仿真正確的兩部分電路，結合組合邏輯電路及計數器，分頻器部分實現電路的整體仿真。整體仿真電路圖及仿真結果見附錄。4.3 交通信號燈控制電路的實現1. 交通信號燈控制電路的完整電路圖見附錄仿真圖2. 交通信號燈控制電路的工作原理：信號燈白天工作，即開關斷開時，計數器正常工作，由直流穩壓電源為其提供5V直流電壓，555定時器形成的多諧振蕩器為其提供秒脈沖， A、B輸入為高電平，通過與、或、非門組成的組合邏輯電路決定亮燈的情況，使其某方向綠燈點

19、亮20秒，然后黃燈點亮4秒，最后紅燈點亮24秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。信號燈黑天工作，即開關閉合時，計數器被置零，不工作，A、B輸入為低電平，使紅燈、綠燈不工作。當555多諧振蕩器產生的秒脈沖為高電平時，黃燈亮，為低電平時，黃燈滅。產生黃燈閃爍的現象。4.4調試方法1. 首先調試直流穩壓電源。用電壓表觀察直流穩壓電源的輸出電壓，確定電路連接及所用原件是否正確，輸出電壓是否為5V。2. 調試555定時器。用示波器觀察555定時器輸出波形，確定555定時器是否正常工作，振蕩頻率是否是1Hz。3. 調試分頻器。用示波器觀察分頻器輸出波形，確定信號頻率是否是0.25Hz。4.

20、調試計數器電路。將雙D觸發器組成的4分頻器電路產生的4秒脈沖信號作為計數器的輸入信號，觀察計數器是否正常工作。5. 整體調試。各部分電路連接起來，觀察交通信號燈控制電路是否正常工作4.5 調試中出現的問題、原因分析及解決方法1對直流穩壓電源進行仿真時，發現在直流穩壓電源的輸入輸出均符合要求的情況下，接入整體電路后發現總是出現故障，把直流穩壓電源產生電路換成直流電源，則結果正確。經同學和老師的共同努力，發現變壓器型號錯誤。改變型號后，實驗結果與預期結果相同。2對555定時器形成的多諧振蕩器進行仿真時，與預期結果差不多，有一定的誤差。接入整體電路后發現亮燈情況與理論結果不一致，但是直接用秒脈沖時，

21、得到理想結果。經過討論分析，555定時器運用型號錯誤，再次犯了相同的錯誤，經過更改，得到理想的的結果。3對整體電路進行檢驗時，發現亮燈情況與理論結果不一致，經過細心觀察，發現電路連接上出了問題，有一個端口未接線，改正后得到理想結果。5 總結萬事開頭難，一開始拿到設計題目，花了好長時間才進入狀態，設計所需的電路圖。通過這次的設計，我發現只要不放棄，在最困難的時候堅持下去，那么所有的事情都能迎刃而解。開頭是重要的，只有做好了，才能有好的結果。學了一個學期的數字邏輯課程，知道這次課程設計時，才發現，原來自己掌握的知識那么有限，能夠運用到實際中的知識更是少之又少。平時，我們都只是學習原理知識，但是沒有

22、進行實踐。許多知識學了就忘，很難將它們長期的保存在腦海中。所以說，實踐是檢驗真理的唯一標準。一切事物，對與不對，都需要通過實踐來證明。同時，實踐還是真正掌握知識、掌握技能的重要途徑，一切的成就都來源于實踐，空想是行不通的。通過本次課程設計,我明白了一個道理:無論做什么事情,都必需養成嚴謹,認真,善思的工作作風.我這課程設計由于我采用的是數字電路來實現的,所以電路較復雜,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多種設計方法.時間很緊，這一周又在忙碌中過去了，經過一周的數電課程設計，我從原先看見電路圖就一頭霧水到現在能夠設計復雜的交通信號燈控制電路，并且能夠實現電路的仿真與實物板的制作與調試，之間的巨大變化著實令人吃驚。但是這種進步來之不易，因為這期間我遇到了很多的困難，發現了很多的問題，正是在解決問題的期間我才慢慢地熟悉了數字電子技術基礎的基礎知識，才慢慢學會了如何去按照給定的要求設計出合適的電路，作出電路的實物并對電路進行調試。本次課程設計主要是運用本學期所學到的數字電子技術基礎知識來設計一個符合要求的交通信號燈控制電路