模电课程设计格式.docx
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模电课程设计格式
《数字电子线路基础》
课程设计报告
题目:
交通信号灯
专业电气工程及其自动化
班级10级电气及其自动化2班
学生姓名刘超
指导教师唐文涛王恒
提交日期2010年06月08日
目录
第一部分设计任务
1.1设计题目及要求……………………………………………………………4
1.2备选方案设计与比较………………………………………………………5
1.2.1方案一……………………………………………………………………5
1.2.2方案二……………………………………………………………………6
1.2.3各方案分析比较…………………………………………………………8
第二部分设计方案
2.1总体设计方案说明…………………………………………………………8
2.2模块结构与方框图…………………………………………………………9
第三部分电路设计与器件选择
3.1功能模块一(时钟模块及保持模块)……………………………………9
3.1.1模块电路及参数计算……………………………………………………9
3.1.2工作原理和功能说明……………………………………………………10
3.1.3器件说明(含结构图、管脚图、功能表等)…………………………10
3.2功能模块二(计数模块)…………………………………………………11
3.2.1模块电路及参数计算……………………………………………………11
3.2.2工作原理和功能说明……………………………………………………11
3.2.3器件说明(含结构图、管脚图、功能表等)…………………………12
3.3功能模块三(增益模块)…………………………………………………12
3.3.1模块电路及参数计算……………………………………………………13
3.3.2工作原理和功能说明……………………………………………………13
3.3.3器件说明(含结构图、管脚图、功能表等)…………………………14
3.4功能模块四(增益模块)…………………………………………………13
3.4.1模块电路及参数计算……………………………………………………13
3.4.2工作原理和功能说明……………………………………………………14
3.4.3器件说明(含结构图、管脚图、功能表等)…………………………14
3.5功能模块五(增益模块)…………………………………………………16
3.5.1模块电路及参数计算……………………………………………………16
3.5.2工作原理和功能说明……………………………………………………16
3.5.3器件说明(含结构图、管脚图、功能表等)…………………………17
3.6元件清单……………………………………………………………………19
第四部分安装调试与性能测量
4.1电路安装(推荐附整机数码照片)………………………………………20
4.2电路调试………………………………………………………………………22
4.2.1调试步骤及测量数据…………………………………………………………22
4.2.2故障分析及处理………………………………………………………………22
4.3整机性能指标测量(附数据、波形等)………………………………………22
第五部分 课程设计总结(心得体会)……………………………………………22
第六部分参考文献…………………………………………………………………23
第一部分
1.1设计题目及要求
设计题目:
交通灯
任务及要求:
为了确保十字路口的车辆顺利的通过,往往采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。
其中红灯(R)亮表示该条通道禁止通行;黄灯(Y)亮表示停车;緑灯(G)亮表示允许通行。
交通灯控制器的系统框图如图3.13所示。
十字路口交通信号灯控制器设计,要求如下:
(1)它们的工作方式满足如图1.1顺序工作流程.图中设南北方向上的红、黄、绿灯分别为NSR、NSY、NSG,东西方向的红黄绿灯分别为EWR、EWY、EWG。
(2)两个方向的工作时序:
东西向亮红灯的时间应等于南北向亮黄、绿灯时间之和,南北方向亮红灯的时间应等于亮黄、绿灯时间之和。
时序工作流程图如图1.1所示。
时序图1.1
假设每个单位时间为5s,则南北、东西向绿、黄、红灯亮时间分别25,5,30s,一次循环为60s。
其中,红灯亮的时间为绿的灯、黄灯亮的时间之和,黄灯是间歇闪耀。
(3)十字路口要有数字显示,作为时间提示,以便人们更直观的把握时间。
当某方向绿灯亮时,置显示器为某值,然后以每秒减一的计数方式工作,直至减到为“0”。
十字路口红绿灯交换,一次工作循环结束,在进入下一步某方向的工作循环。
例如:
当南北方向从红灯转换成緑灯时,置南北向数字显示为“30”,并使数显计数器开始减“1”计数,当减到緑灯灭而黄灯亮(闪耀)时数显值应为5,当减到“0”时,此时黄灯灭,而南北方向的红灯亮;同时,使得东西向的绿灯亮,并置东西向的数显为“30”。
(4)可手动调整和自动控制,夜间为黄灯闪耀。
改进或扩展:
1)设某一方向(如南北)为十字路口主干道,另一方向(如东西)为次干道;主干道由于车辆、行人多,而次干道的车辆、行人少,所以主干道绿灯亮的时间,可选定为次干道緑灯亮的时间的1.5倍或2倍。
2)用LED发光二级管模拟汽车行驶电路。
当某一方向緑灯亮时,这一方向的发光二极管接通,并一个一个向前移动,表示汽车在行驶;当遇到黄灯亮时,移位发光二极管就停止,而过了十字路口的移位发光二极管继续向前移动;红灯亮时,则另一方向转为绿灯亮,那么,这一方向的LED发光二极管就开始移位(表示这一方向的车辆行驶)。
1.2备选方案设计与比较
1.2.1方案一
1.2.2方案二
1.2.3各方案分析比较
第一方案:
此方案的倒计时电路用的是74LS168,这个芯片不常用,此电路的计时部分是只记绿灯时间,东西计时南北停,南北计时东西停,不符合常规。
第二方案:
此方案用的芯片都是学过的,倒计时电路符合常规。
通过比较,我选择第二个方案
第二部分设计方案
2.1总体设计方案说明
根据设计任务和要求,参考交通灯控制器的逻辑电路主要框图如图2.1所示,设计方案从以下几部分进行考虑。
1秒脉冲和五分频器
因十字路口每个方向绿、黄、红灯所亮时间比例分别为5:
1:
6,所以,若选5s为一单位时间,则计数器每计5s输出一个脉冲。
2交通灯控制器
由波形图1.1所示可知,计数器每次工作循环周期为12个单位,可以选用12进制计数器。
计数器可以用单触发器组成,也可以用中规模集成计数器。
这里选用中规模74LS190同步可逆十进制计数器。
根据状态表,可列出东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式如下:
由于黄灯要求闪耀几次,所以用时标1s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。
3显示控制部分
显示控制部分是一个定时控制电路。
当绿灯亮时,使减法计数器开始工作(用对方的红灯信号控制),每来一个秒脉冲,使计数器减一,直到计数器为“0”而停止。
译码显示可用CD4511BCD七段显示器译码器,显示器用LED显示器,计数器可预置加、减法计数器。
4手动/自动控制夜间控制
用选择开关进行。
置开关在手动位置,输入单次脉冲可使交通灯处在某一位置,开关在自动位置时,则交通信号灯按自动循环工作方式运行。
夜间时,将夜间开关接通,黄灯闪亮。
5汽车模拟运行控制
用移位寄存器组成汽车模拟控制系统,当某一方向緑灯亮时,则緑灯亮“G”信号,使该路方向的移位通路打开,而当黄、红灯亮时,则使该方向的移位停止,为南北方向汽车模拟控制电路。
2.2模块结构与方框图
图2.1交通灯控制器框图
第三部分电路设计与器件选择
3.1功能模块一(时钟模块)
3.1.1模块电路及参数计算
图3.1单脉冲产生电路
输出振荡信号的时间参数为:
T=tw1+tw2,tw1≈0.7(R1+R2)tw2≈0.7R2Cf=1/T≈1.43/(R1+2R2)C
代入R1=R2=4.7KC=100uF得f=1Hz
3.1.2工作原理和功能说明
用555定时器构成多谐振荡器产生单脉冲信号,多谐振荡器是一种无稳态电路,接通电源以后,无须外加触发信号,利用电源通过R1、R2向电容C充电,即C通过R2向放电端Ct放电,是电路产生震荡。
电容C在Vcc/3和2Vcc/3之间充电和放电,555多谐震荡器的波形图如图3.2所示.
图3.2
在设计电路时,一般要求R1和R2大于或等于1K,但R1+R2应小于或等于3.3M.振荡频率的稳定性取决于外接阻容元件的稳定性。
555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率,具有较强的功率输出能力,因此这种电路简单、价廉、性能优良,得到了广泛的应用。
3.1.3器件说明(含结构图、管脚图、功能表等)
电阻R:
4.7K2个电容C:
0.1uF100uF
NE555(TimerIC)定时器为8脚时基集成电路
主要特点:
1.只需简单的电阻器、电容器,即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广,可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源范围极大,可与TTL,CMOS等逻辑电路配合,也就是它的输出电平及输入触发电平,均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。
3.其输出端的供给电流大,可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳,且价格便宜。
参数功能特性
·供应电压4.5-18V ·供应电流3-6mA
·输出电流225mA(max) ·上升/下降时间100ns
NE555结构图NE555管脚图
NE555定时器功能表
3.2功能模块二(分频模块)
3.2.1模块电路及参数计算
用74LS90和门电路产生五分频信号如图3.3
图3.3五分频信号发生电路
3.2.2工作原理和功能说明
74LS90是异步十进制计数器。
若以CLK0为计数输入端、Q0为输出端,即得到二进制计数器(或二分频器);若以CLK1为输入端、Q3为输出端,则得到五进制计数器(或五分频器);若将CLK1与Q0相连,同时以CLK0为输入端、Q3为输出端,则得到十进制计数器(或十分频器)。
3.2.3器件说明(含结构图、管脚图、功能表等)
74LS90有两个时钟输入端CP0和CP1,其中,CP0和Q0组成一位二进制计数器;CP1和Q3Q2Q1组成五进制计数器;若将Q0与CP1相连接,时钟脉冲从CP0输入,则构成8421BCD码十进制计数器;若将计数脉冲从CP1输入,Q3接CP0,就构成5421BCD码十进制计数器。
74LS90还有两个清零端R0
(1)和R0
(2),两个置9端S9
(1)和S9
(2)。
功能表如下图,当两个清零端都为1,而两个置9端至少一个为0时,计数器就被置为0;当两个置9端都为1时,两个清零端中至少有一个为0时,计数器就被置为9.
二-五-十进制异步计数器74LS90
74LS90功能表
R0
(1)
R0
(2)
S9
(1)
S9
(2)
Q0
Q1
Q2
Q3
1
1
0
×
0
0
0
0
1
1
×
0
0
0
0
0
0
×
1
1
1
0
0
1
×
0
1
1
1
0
0
1
×
0
×
0
计数
×
0
0
×
计数
0
×
×
0
计数
0
×
0
×
计数
3.3功能模块三(显示控制模块)
3.3.1模块电路及参数计算
3.3.2工作原理和功能说明
此模块为单脉冲控制的异步置数模块。
,74LS190为TTLBCD同步加减计数器,当U/D端接高电平时,芯片实现减法计数功能。
高电位把D0、D1接高电平,D3、D4接低电平,低点位把D0、D1、D2、D3都接低电平,当电源打开时,显示管显示为三十,当输入一个脉冲时,显示管显示减一。
当南北(东西)方向显示管上的示数从三十减到五时,交通灯控制模块上的绿灯亮,从五减到零时,交通灯控制模块上的黄灯亮。
东西(南北)方向显示管上的示数从三十减到零时,,交通灯控制模块上的红灯亮。
Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5通过刘输入的或门接到PL端,当其中有一个为高电平时,PL为高电平,电路实现减法,当其都为低电平时,PL为低电平,电路实现异步置数功能。
如此,该模块实现循环减法计数,达到预计功能。
3.3.3器件说明(含结构图、管脚图、功能表等)
74LS190十进制同步加/减计数器,190为可预置的十进制同步加/减计数器。
190的计数是同步的,靠CP加在4个触发器上而实现。
当计数控制端(CT)为低电平时,在CP上升沿作用下Q0~Q3同时变化,从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
当计数方式控制(U/D)为低电平时进行加计数,当计数方式控制(U/D)为高电平时进行减计数。
只有在CP为高电平时CT和U/D才可以跳变190有超前进位功能。
当计数溢出时,进位/错位输出端(CO/BO)输出一个低电平脉冲,其宽度为CP脉冲周期的高电平脉冲;行波时钟输出端(RC)输出一个宽度等于CP低电平部分的低电平脉冲。
利用RC端,可级联成N位同步计数器。
当采用并行CP
控制时,则将RC接到后一级CT;当采用并行CT控制时,则将RC接到后一级CP。
引出端符号CO/BO进位输出/错位输出端CP时钟输入端(上升沿有效)CT计数控制端(低电平有效)D0~D3并行数据输入端LD异步并行置入控制端(低电平有效)Q0~Q3输出端RC行波时钟输出端(低电平有效)U/D加/减计数方式控制端。
74LS190引脚图
CD4511:
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BCD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。
其中abcd为BCD码输入,a为最低位。
LT为灯测试端,加高电平时,显示器正常显示,加低电平时,显示器一直显示数码“8”,各笔段都被点亮,以检查显示器是否有故障。
BI为消隐功能端,低电平时使所有笔段均消隐,正常显示时,B1端应加高电平。
另外CD4511有拒绝伪码的特点,当输入数据越过十进制数9(1001)时,显示字形也自行消隐。
LE是锁存控制端,高电平时锁存,低电平时传输数据。
a~g是7段输出,可驱动共阴LED数码管。
另外,CD4511显示数“6”时,a段消隐;显示数“9”时,d段消隐,所以显示6、9这两个数时,字形不太美观图3是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路,若要多位计数,只需将计数器级联,每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。
所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的,在应用中应接地。
限流电阻要根据电源电压来选取,电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。
引脚图
3.4功能模块四(交通控制模块)
3.4.1模块电路及参数计算
3.4.2工作原理和功能说明
该模块为交通灯控制显示模块。
此部分用到74LS164、74LS04、74LS08、74LS32、74LS11和红、绿、黄颜色的二极管。
此模块主要部分为74LS164,其为八位移位寄存器(串行输入,并行输出)。
其脉冲输入为秒脉冲五分频后的脉冲,其输入A、B同时接到输出Q5的非上。
接通电源后,Q0至Q5为低电平,Q5的非为高电平,则输入A、B为高电平,当输入一个脉冲时,Q0为高电平,在输入时,高电平向Q5移动。
当Q5为高电平时,其非为低电平,此时输入A、B为低电平,Q0为低电平,低电平向Q5移动,如此,该电路实现以秒脉冲为基础的六十秒的循环计数。
3.4.3器件说明(含结构图、管脚图、功能表等)
74HC164是高速硅门CMOS器件,与低功耗肖特基型TTL(LSTTL)器件的引脚兼容。
74HC164、74HCT164是8位边沿触发式移位寄存器,串行输入数据,然后并行输出。
数据通过两个输入端(DSA或DSB)之一串行输入;任一输入端可以用作高电平使能端,控制另一输入端的数据输入。
两个输入端或者连接在一起,或者把不用的输入端接高电平,一定不要悬空。
时钟(CP)每次由低变高时,数据右移一位,输入到Q0,Q0是两个数据输入端(DSA和DSB)的逻辑与,它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。
主复位(MR)输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效,同时非同步地清除寄存器,强制所有的输出为低电平。
引脚图74LS164真值表
74LS164结构图
功能模块五(汽车行驶模块)
3.5.1模块电路及参数计算
3.5.2工作原理和功能说明
此模块为车辆行驶模块。
利用74LS194的右移功能。
当黄灯和绿灯亮时,1管脚为低电平,电路为清0状态,通过非门使四个LED灯全亮。
当绿灯亮时,1管脚为高电平,电路开始工作,输入一个脉冲时,SR为0,因此从最下边的灯开始灭。
绿灯亮25秒,需五个脉冲,在的四个脉冲来时,车辆行驶完。
当绿灯灭时,车辆模拟灯全亮。
循环。
3.5.3器件说明(含结构图、管脚图、功能表等)
74LS194为4位双向移位寄存器当清除端(CLEAR)为低电平时,输出端(QA-QD)均为低电平。
当工作方式控制端(S0、S1)均为高电平时,在时钟(CLOCK)上升沿作用下,并行数据(A-D)被送入相应的输出端QA-QD。
此时串行数据(DSR、DSL)被禁止。
当S0为高电平、S1为低电平时,在CLOCK上升沿作用下进行右移操作,数据由DSR送入。
当S0为低电平、S1为高电平时,在CLOCK上升沿作用下进行操作,数据由DSR送入。
当S0和S1均为低电平时,CLOCK被禁止。
对于54(74)194,只有当CLOCK为高电平时S0和S1才可改变。
74LS194引脚图
74LS194功能表
3.6元件清单
74ls088个74ls112个
74ls322个74ls044个
七段译码器CD45116个0.5共阴极数码显示管6个
74hc272个555定时器2个
741642个742903个
741905个74ls1943个
1.5V压电式蜂鸣器
发光二级管:
红6个黄3个绿20个
电容C:
0.1uF2个100uF2个
电阻R:
4.7K2个1K2个25050个
单刀双掷开关单刀单掷开关
IC座:
[14引脚18个16引脚12个8引脚2个]
附;基本门电路功能及引脚图
74LS082输入四与门74LS04六反相器74LS11三输入与非门
74LS08引脚图74LS04引脚图74LS11引脚图
74LS322输入四或门74HC27三输入或非门
74LS32引脚图74HC27引脚图
第四部分安装调试与性能测量
4.1电路安装(推荐附整机数码照片)
4.2电路调试
4.2.1调试步骤及测量数据
交通灯电路分为5个模块。
第一次做好时只有秒脉冲和五分频电路是正确的。
交通灯控制电路不正确,倒计时端从三十记到零时,又从九十九开始倒计时,车辆模拟电路也有部分灯不亮,黄色交通灯一直亮,只有夜间模式正确。
4.2.2故障分析及处理
倒计时电路错误,经分析检测发现,电路的置数端没接好,接好后电路的倒计时电路计时正确。
车辆模拟电路由于部分线路没接好,才致使其不亮,黄灯一直亮,经检测后发现有线路接错了连接好后这个问题也解决了。
虽然在检测中每部分都没什么错误,但整体测试时发现有问题存在。
经过检测还是没有发现问题所在,我认为问题应该出在焊接点没焊好。
由于时间的问题,没有进一步的检测。
4.3整机性能指标测量(附数据、波形等)
555定时器产生单脉冲,经分频后产生五分频脉冲。
绿灯亮25秒,黄灯亮5秒,红灯亮30秒。
倒计时电路实现三十秒循环计时。
车辆模拟电路在绿灯亮时5秒灭一个灯,代表车辆剩余数和行驶方向。
第五部分 课程设计总结(心得体会)
本次课程设计自5月22日发放课题时开始,我们队即开始查阅资料设计电路,经过反复设计、调试使得此次课程设计软件部分圆满成功。
我们通过网购采购了所需芯片和器件,于6月4号正式进入硬件部分的焊接和调试。
通过这次课程设计,加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
在设计过程中,经常会遇到这样那样的情况,就是心里想老着这样的接法可以行得通,但实际接上电路,总是实现不了,因此耗费在这上面的时间用去很多。
我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强,对知识的运用。
认识来源于实践,实践是认识的动力和最终目的,实践是检验真理的唯一标准。
这次实践我受益匪浅。
在组装和焊接电路板时,细心、耐心、恒心才能做好,首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单,兼顾到方方面面去考虑是很需要的。
在画好原理图后的做电路实物时,由于有些点的接线太多而等势点有限,以至于开始焊接的点需要重新焊,造成很大麻烦,汲取了这个教训使后面焊接得以顺利进行。
由于我们这次选题为交通灯设计,电路图复杂使得焊接任务异常繁琐,焊完后不能实现功能经常出现,进行检修、补焊等使得正常,我们付出了艰辛的汗水。
这次课程设计过程曲折可谓一语难尽。
在此期间我们也失落过,也曾一度热情高涨。
从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情,点点滴滴无不令我回味无长。
通过实习,我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义,我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。
我想说,设计确实有些辛苦,但苦中也有乐,在如今单一的理论学习中,很少有机会能有实践的机会,但我们可以,而且设计也是一个团队的任务,一起的工作可以让我们有说有笑,相互帮助,配合默契,多少人间欢乐在这里洒下,大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作,我感觉我和同学们之间的距离更加近了,虽然很累,但当我们看到自己所做的成果时,心中也不免产生兴奋。
同时我认为我们的工作是一个团队的工作,团队需要个人,个人也离不开团队,必须发扬团结协作的精神。
对我们而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。
挫折是一份财富,经历是一份拥有。
这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!
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相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,这毕竟第一次做的,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。
此次课程设计,学到了很多课内学不到的东西,比如独立思考解决问题,出现差错的随机应变,和与人合作共同提高,都受益非浅,今后的制作应该更轻松,自己也都能扛的起并高质量的完成项目。
同时,对给过我帮助的所有同学和各位指导老师表示忠
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