交通灯控制器222.docx
- 文档编号:8816192
- 上传时间:2023-02-01
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:303.67KB
交通灯控制器222.docx
《交通灯控制器222.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《交通灯控制器222.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
交通灯控制器222
电路实践系列讲义
交通灯控制器
2013-4-18
交通灯控制器(理论设计部分)
交通灯控制信号的应用非常广泛。
本电路设计一个交通灯控制器,需要达到的目的如下;
一个周期64秒,平均分配,前32秒红灯亮,后32秒绿灯亮。
在红灯亮的期间的后8秒与红灯在一起的黄灯闪烁(注意:
红灯同时亮)。
为了显示效果明显,设计闪烁频率为1。
在绿灯亮的期间的后8秒与绿灯在一起的黄灯闪烁(注意:
绿灯同时亮),为了显示效果明显,设计闪烁频率为1。
在黄灯闪烁期间,数码管同时倒计时显示,在此期间以外,数码管不亮。
为了完成交通灯控制电路的设计,方案考虑如下:
一个脉冲信号发生器,一个二进制加法计数器,一个十进制减法计数器,红灯与绿灯以及黄灯是否亮是由二进制加法计数器的输出端状态来决定的,因此,设计一个组合逻辑电路,它的输入信号就是二进制加法计数器的输出信号,它的输出就是发光二极管的控制信号,因此,需要一个组合逻辑电路,六个发光二极管(二个红色发光二极管,二个绿色发光二极管,二个黄色发光二极管)电路,一个数码管显示电路。
结构图如下:
脉冲信号发生器由定时器555构成。
二进制加法计数器由七位二进制加法计数器4024构成。
十进制减法计数器由74LS193可逆可预置十进制计数器构成。
组合逻辑电路根据其输入输出的逻辑关系后再确定电路芯片。
驱动器选用4511。
从以上讨论可知,需要对所采用的芯片有比较详细的了解。
下面对以上几种芯片的基本知识和基本特性进行介绍。
555定时器
555定时器是一块常用的集成电路,电路符号如左图所示,8为电源端VCC,1为公共端GND。
所加电源电压范围:
4.5V 内部电路原理图如右图所示,内部有三个相同的分压电阻,每个电阻上的电压都为1/3VCC。 两个比较器C1和C2,C1的比较电压为2/3VCC,C2的比较电压为1/3VCC,当比较器“+”端电压大于比较器“-”端电压时,比较器输出高电平(其状态用1表示),当比较器“+”端电压低于比较器“-”端电压时,比较器输出低电平(其状态用0表示)。 G1,G2两个与非门构成基本RS触发器,G3为输出缓冲反相器,起整形和提高带负载能力的作用。 T为泄放三极管,为外接电容提供充放电回路。 利用555定时器设计电路时,主要是考虑如何让2和6的电位发生变化(外接信号或利用电容器的充放电过程实现)而让定时器的输出状态发生变化,而设计成各种具有不同功能的电路。 实际555器件如小图所示,有小圆点对应的脚为1脚,依逆时针方向依次为2,3,4,5,6,7,8号脚。 555应用: 多谐振荡器(产生连续矩形波信号),电路原理如图所示(4脚为高电平时,电路振荡,4脚为低电平时,电路不振荡)。 开始时,内部泄放三极管由于其基极输入为低电平,是截止的,电源通过R2和R1对电容器C充电,2,6脚电位开始上升,当上升到2VCC/3时,电路状态发生翻转,内部泄放三极管由于其基极输入为高电平,所以饱和导通,电容器通过R1放电,2,6脚电位又开始下降,直至降到VCC/3,电路状态再次发生翻转,内部泄放三极管截止,电源再次对电容器充电。 这样周而复始,输出连续的矩形波信号,由3脚输出。 一般取C1为103电容。 理论推导: 理论推导的依据是电容器的充电时间和放电时间的讨论。 充电时间的计算: 从前面对芯片555的了解可知,在“7”脚内部所接的泄流三极管截止时,电容器充电,充电电压从VCC/3充至2VCC/3,此时是电源通过R2+R1电阻向电容充电,由此可以利用电容器的电压与充电时间的函数关系计算出电容充电时间;函数关系式可由中学物理知识或大学电路分析课程中给出: 在充电过程中,R=R1+R2 因此 分别计算出t1和t2,则充电时间为 T1=t2-t1 放电时间的计算: 从前面对芯片555的了解可知,在“7”脚内部所接的泄流三极管饱和导通时,电容器放电,放电电压从2VCC/3放至VCC/3,此时是电容通过R1电阻向电容充电,由此可以利用电容器的电压与放电时间的函数关系计算出电容放电时间;函数关系式可由中学物理知识或大学电路分析课程中给出: 在放电过程中,R=R1 因此 分别计算出t1和t2,则放电时间为 T1=t2-t1 由以上计算出的充电时间和放电时间之和就是周期,周期的倒数就是频率。 最后得到的结果: 振荡器的频率由电阻R1,R2和电容C决定。 脉冲波的占空比由电阻R1和R2决定,结果为 可见,当R2越小时,占空比接近50%。 本电路555多谐振荡器的频率的确定,因为信号灯的状态时间是以秒来计量的,因此计数器的计数状态应以秒为单位来计数最为方便,即指定计数器的最低位定为Q2(不一定是计数器的最低位,本项目的计数器的最低位用作其它用途),因状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2共有64个状态,每个状态对应时间为1秒(频率为1),即1秒钟状态变化1次,而每一个状态对应Q1端一个脉冲,因此,Q1端是1秒钟产生1个脉冲,所以555的振荡频率就应该为2(因为经过计数器计数后在计数器的最低位Q1进行了1/2分频)。 七位二进制计数器4024 七位二进制计数器4024各脚功能如图所示,14脚为电源端,所接电源电压范围: +3V--+15V,7脚接地GND。 2脚为复位端(清零端),高电平有效。 1脚为脉冲信号输入端,下降沿有效(即计数器在脉冲下降沿时刻计数)。 Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1是七个数据输出端,Q7为最高位,Q1为最低位。 当输入脉冲信号后,计数器输出端的状态变化: 0000000—1111111。 本电路中的组合逻辑电路的输入信号为二进制计数器的输出信号Q7Q6Q5Q4Q3Q2,设计Q2信号频率为1,而输出应为六个表示路口交通灯信号的发光二极管(一方为红绿黄灯DR1,DG1,DY1;另一方为红绿黄灯DR2,DG2,DY2)的控制信号,分别用LR1,LG1,LY1和LR2,LG2,LY2表示,但注意到DR1和DG2状态相同,DG1和DR2状态相同,DY1和DY2状态相同,所以实际上只要三个输出信号即可,分别用L1,L2,L3表示。 本电路因为控制周期是64秒,所以只需要64个状态,因此只要用4024输出端的6个输出端就可以了,本人决定用状态Q7,Q6,Q5,Q4,Q3,Q2。 组合逻辑电路的输出信号L1,L2,L3与电路的输入信号Q7,Q6,Q5,Q4,Q3,Q2的关系的讨论: 信号灯的定义,L1表示红灯,L2表示绿灯,L3表示黄灯。 对于其中一路信号灯来说,前32秒(对应的4024计数器输出状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2为000000—011111)红灯1亮,绿灯1不亮。 而在这32秒时间内,前24秒(对应的4024计数器输出状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2为000000—010111)黄灯不亮。 后8秒(对应的4024计数器输出状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2为010111—011111)黄灯亮。 另一路的灯亮状态分析与上一路的分析完全相同。 综上所述, 用如下真值表表示: 编号 Q7Q6Q5Q4Q3Q2 L11L12L13L21L22L23 说明 0--15 00xxxx 100010 红1绿2亮 16--23 010xxx 100010 红1绿2亮 24--31 011xxx 101011 红1绿2黄12亮 32--47 10xxxx 010100 红2绿1亮 48--55 110xxx 010100 红2绿1亮 56--63 111xxx 011101 红2绿1黄12亮 从以上可知 , ,需要低电平有效时, , ,需要低电平有效时, 考虑到黄灯需要闪烁,可以让L3信号和Q1信号(频率为1HZ的脉冲波)加到一个二输入的与非门的两个输入端,输出信号为L4, 当L3为0时, 当L3为1时, 可见,需要L4低电平有效,这样,L3为0时,黄灯不亮,L3为1时,黄灯闪烁。 由以上讨论可知,需要二个二输入的与非门,三个非门,为节约器件,三个非门中的二个非门用与非门实现,另一个非门用三极管实现。 这样,需要四个二输入的与非门,正好可以用芯片74LS00,一个三极管构成的非门。 74LS00外形为DIP14,74LS00是一块四-二输入的数字集成芯片,内有四个完全一样的二输入的与非门,14脚接VCC(+5V),7脚接地GND。 它们中的四个二输入的与非门如图所示,其中A,B为与非门的两个输入端,Y为输出端。 额定拉电流4mA,额定灌电流8mA。 额定输出高电平电压3.6V。 下面讨论倒计时及显示电路。 可逆十进制计数器选用74LS193。 可预置二进制可逆计数器74LS193简介 74LS193外形结构为DIP16,其中(8)脚接GND,(16)脚接+5V电源。 1CU—加计数脉冲信号输入端。 2CD—减计数脉冲信号输入端。 注意: 用其中一个输入端时,另一个输入端接高电平。 3Q3,Q2,Q1,Q0--计数器数据输出端,Q3为最高位,Q0为最低位。 4P3,P2,P1,P0---计数器预置数输入端,当计数器处于预置数状态时,通过该输入端预置数,此时Q3Q2Q1Q0=P3P2P1P0。 5MR—复位信号输入端,上升沿有效,即当MR从0跳到1时,计数器复位,此时Q3Q2Q1Q0=0000。 当MR=0时,计数器处于计数状态。 6PL—预置数功能控制端,低电平有效,当PL=0时,计数器处于预置数状态,当PL=1时,计数器处于计数状态。 7TCU—加计数进位信号输出端。 8TCD—减计数借位信号输出端。 根据设计要求,预置数为8,P3=1,接高电平(电源),P2=P1=P0=0,接低电平(地GND)。 黄灯不亮,即L3=0时,计数器需要处于预置数状态,即PL=0,黄灯亮,即L3=1时,计数器需要处于计数状态,即PL=1。 可见,PL=L3. 作为减法器使用,CU接高电平,CD接脉冲信号Q2。 因计数器处于计数状态或预置数状态,不能处于复位状态,因此让MR=0. 从前面讨论可知,多谐振荡器振荡频率为2HZ。 以此确定多谐振荡器电路的电阻和电容。 附录: 数码显示电路 四线-七段译码器/驱动器74LS48(内带上拉电阻) 16脚接电源+VCC=+5V,8脚接地GND。 DCBA为8421BCD码数据输入端,D为最高位,A为最低位。 abcdefg(高电平有效,输出电流小于6mA)为7个输出端,分别接七段数码管的7个输入端abcdefg,所接数码管必须是共阴数码管。 灯测试输入端,低电平有效,即当此灯为低电平且 为高电平(或开路)时,输出全为高电平,数码管内所有发光二极管全亮。 消隐输入(低电平有效)/脉冲消隐输出(低电平有效),只要此端为低电平,输出全为低电平,数码管内所有发光二极管全不亮。 脉冲消隐输入端,低电平有效。 当此端为低电平且ABCD也同时为低电平时,输出全为低电平,数码管内所有发光二极管全不亮。 从以上结果知道,要让数码管正常显示0—9,3,4,5脚都要接高电平。 要让数码管显示1—9而不显示0,则3接高电平,5接低电平,4悬空(或电源通过电阻接4)。 这实际上就是消0,例于最高位的数码管就希望是这样。 四线-七段译码器/驱动器4511(内不带上拉电阻) 16脚接电源+VCC=+3V—15V,8脚接地GND。 DCBA为8421BCD码数据输入端,D为最高位,A为最低位。 abcdefg(高电平有效,输出电流小于6mA)为7个输出端,分别接七段数码管的7个输入端abcdefg,所接数码管必须是共阴数码管。 4511的使用与74LS48基本相同,但是有二点需要注意: 1 功能脚“5”的使用的区别,74LS48是高电平有效,而4511是低电平有效。 2 74LS48是内带限流电阻的,而4511是不带限流电阻的,因此,在使用4511时,4511的输出端与数码管的输入端之间是要串接限流电阻的。 组成数码管的七段实际上就是七个发光二极管,当这七个发光二极管中不同的二极管亮时,就显示0—9中不同的数字。 数码管的符号 数码管的输出引脚有两种形式,一种是上下排列,一种是两边排列,各引脚名称如下面两图所示。 61 105 数码管的符号 数码管的使用需要注意的是: 数码管有共阴数码管和共阳数码管之分,所谓共阴数码管就是公共端COM接地,所谓共阳数码管就是公共端COM接电源。 二是要注意数码管的电流大小,一般不要超过10mA。 三是要注意各管脚功能的确定。 在不清楚数码管的基本情况时,可用测量的方法确定。 电源负极接公共端,电源正极通过一个电阻(5V电源时,电阻可为500到1K,12V电源时,电阻可为1.5K到2K),再加到任一输入端,观察数码管的亮与不亮情况,判断数码管的类型各管脚。 整体电路解说: 由芯片NE555构成多谐振荡器,从前面的讨论可知,本电路振荡频率选用2HZ,本电路频率高低由元件R1,R2和C2决定。 按图选用其参数后,振荡频率为 计算结果为 多谐振荡器的输出信号(脉冲波)从555的”3”脚输出送到七位二进制计数器4024的输入端“1”脚。 当Q7端状态为低电平时(即前32个状态),通过非门U3C输出高电平,三极管饱和导通,接在这一路上的一红灯和一绿灯亮(即一个方向的红灯和另一方向的绿灯亮)。 而从U3C输出接到另一路的一红灯和一绿灯不亮。 所以在装配电路时,要注意红灯和绿灯的位置。 当Q7端状态为高电平时(即后32个状态),通过非门U3C输出低电平,三极管截止,接在这一路上的一红灯和一绿灯不亮(即一个方向的红灯和另一方向的绿灯不亮)。 而从U3C输出接到另一路的一红灯和一绿灯亮。 在Q6Q5同为高电平(11000-11111)共8个状态时,与非门U3B输出低电平,再通过非门U3A输出高电平,注意与非门U3D此时一个输入信号为高电平,另一个信号接4024的输出最低端,是一个振荡信号,所以此时接在这一路的二个黄灯闪烁。 在Q6Q5不全为高电平(除11000-11111以外的所有状态)时,与非门U3B输出高电平,再通过非门U3A输出低电平,注意与非门U3D此时一个输入信号为低电平,输出恒为高电平,所以此时接在这一路的二个黄灯不亮。 同时,在Q6Q5不全为高电平(除11000-11111以外的所有状态)时,与非门U3B输出高电平,再通过非门U3A输出低电平,这个低电平接在74LS193的PL端(注意PL端是低电平有效,是预置数功能端,PL=0,芯片处于预置数状态,PL=1,芯片处于计数状态),所以,此时芯片处于预置数状态,注意,预置数为8,同时,这个信号又接到4511R的BI端(BI为灭灯功能端,低电平有效),因此,此时数码管全不亮。 当Q6Q5同为高电平(11000-11111)共8个状态时,与非门U3B输出低电平,再通过非门U3A输出高电平,这个高电平接在74LS193的PL端,所以此时芯片处于计数状态,注意计数状态为减计数。 同时,这个信号又接到4511R的BI端(BI为灭灯功能端,低电平有效),因此,此时数码管正常工作。 数码管限流电阻的计算: 4511输出高电平5V,发光二极管的导通压降为1.8V—2.0V,若设计发光二极管电流为3—10mA,则限流电阻为300欧姆到1K欧姆。 本电路选用1K。 交通灯控制器(实践制作测试部分) 仔细研究电路原理图,集成块LM555构成多谐振荡器,分析振荡器频率由什么元件决定,是什么关系。 本电路的振荡器频率不能太高,否则闪烁太快或根本就观察不到闪烁;当然频率也不能太低,否则闪烁太慢。 当然也会使得通行时间以及停车时间也不恰当。 集成块4024就是一个计数器。 本电路的关键是由集成块74LS00构成的组合电路,它是确定发光二极管状态与4024状态关系的电路。 三极管的作用是驱动发光二极管发光,因为74LS00输出拉电流要小于4mA,所以不能直接驱动本电路的二个发光二极管,用三极管扩大带负载能力。 而74LS00输出灌电流要小于8mA,所以可以直接驱动本电路的二个发光二极管,不需要用三极管扩大带负载能力而直接驱动。 本制作将时间显示部分电路省略,因为这部分电路的工作情况大家非常熟识。 当以上问题弄清以后,试设计电路的时间分配为40秒和24秒,将其讨论过程以及设计过程写入报告中。 仔细研究印刷电路板,在本印刷电路板上将要装配的器件有: 普通1/4W电阻器,瓷片电容器,发光二极管,三极管,集成块555,集成块4024,集成块74LS00,输入和输出接口等等。 仔细研究印刷电路上的图形或符号,确定各位置所装配的是何种元件。 若是发光二极管,还要弄清板上的对应“+”极和“-”极,若是三极管,弄清板上对应的“e”“b”“c”,对于集成块,要弄清楚各脚在印刷板上的相应位置。 仔细研究元器件,各电阻器及其阻值,精度,功率,电阻阻值可从电阻上所标的色码直接读出,或者用万能表的欧姆档直接测量确定。 各瓷片电容的电容量(标注在电容上)。 各发光二极管及其”+””-“极。 三极管上对应的“e”“b”“c”,集成块的脚编号的确认。 附: 元器件表 编号 规格 编号 规格 编号 规格 编号 规格 编号 规格 R1 1M R9 1K U1 555 LED 红 R2 3M R10 1K U2 4024 LED 红 J1 2P接口 R3 10K R11 1K U3 74LS00 LED 绿 2P接线 R4 1K R12 1K U4 74LS193 LED 绿 R5 1K R13 1K U5 4511 LED 黄 R6 1K R14 1K Q 9013 LED 黄 R7 1K R15 1K 数码管 C1 103 R8 1K R16 1K C2 104 元器件汇总 贴片电阻 1M1个; 3M 1个; 10K 1个; 1K 11个。 直插电阻 1K2个。 电容1034个; 104 1个。 芯片555,4024,4511,74LS00,74LS193各1片。 IC座 8P 1个;14P2个,16P2个。 数码管 1个。 三极管 90131个。 发光二极管 红 2个; 绿 2个; 黄 2个。 印刷板(ZTED-13A) 1块。 2P接口 1个; 2P接线 1根; 焊锡丝 1根。 认真焊接。 按照印刷板上器件编号找到相应的元件,按以下顺序焊接: 电阻,IC座,瓷片电容,发光二极管,接口。 焊接过程中注意以下问题: 1 各发光二极管”+””-“极。 三极管上对应的“e”“b”“c” 2 集成块的脚在印刷板上的对应位置。 3 J1要与前续电路的输入输出电源接口方位相一致,因此要注意其方位。 仔细观察各焊接点,检查有无短路现象和虚焊现象。 认真测量。 在观察所焊接的电路板处于正常状态后,将5V电源接入到J1接口。 观察: 设计表格并将实验测量状态,理论状态记录在表格中。 电路学习任务: 实践部分: 1画电路原理图。 2查阅主要器件(555,4024,74LS00,74LS193)的技术资料。 3辩认套件中所有电子元器件以及印刷电路板。 4焊接。 5测试: 观察红,绿,黄灯的状态以及数码管的状态情况,并测量各状态下的时间。 6分析故障和排除故障,并将分析和排除过程记录下来。 理论部分: 要求电路的时间分配为40秒和24秒,请重新设计电路。 报告部分: 1课程设计题目,时间,地点,指导老师。 2课程设计目的。 3电路工作原理。 4参数确定与计算过程。 5测试数据表格。 6数据处理与说明。 7故障处理过程与体会。 8器件清单与电路原理图。 考察与评分 作品是否整齐与美观。 测量数据方法与结果是否正确。 元器件是否会辨认及元器件特性是否掌握。 理论计算方法与原理是否掌握。 报告内容是否真实,全面,认真等等。 贴片电阻的焊接: 本实践项目中有多个贴片电阻需要焊接。 1贴片电阻的识别本项目贴片电阻的封装全是0805。 阻值的标注用的是数码法,如103就是在10后面加三个0,所以是10K电阻如222表示是22后面加二个0,所以是2200欧姆。 外形如图所示。 2贴片电阻的焊接 在焊接前应对要焊的PCB进行检查,确保其干净。 对其上面的表面油性的手印以及氧化物之类的要进行清除,从而不影响上锡。 手工焊接PCB时,用手固定PCB板,值得注意的是避免手指接触PCB上的焊盘影响上锡。 贴片元件的固定是非常重要的。 根据贴片元件的管脚多少,其固定方法大体上可以分为两种——单脚固定法和多脚固定法。 对于管脚数目少(一般为2-5个)的贴片元件如电阻、电容、二极管、三极管等,一般采用单脚固定法。 即先在板上对其的一个焊盘上锡。 然后左手拿镊子夹持元件放到安装位置并轻抵住电路板,右手拿烙铁靠近已镀锡焊盘熔化焊锡将该引脚焊好。 焊好一个焊盘后元件已不会移动,此时镊子可以松开。 焊接剩下的管脚 元件固定好之后,应对剩下的管脚进行焊接。 对于管脚少的元件,可左手拿焊锡,右手拿烙铁,依次点焊即可。 对于管脚多而且密集的芯片,除了点焊外,可以采取拖焊,即在一侧的管脚上足锡然后利用烙铁将焊锡熔化往该侧剩余的管脚上抹去,熔化的焊锡可以流动,因此有时也可以将板子合适的倾斜,从而将多余的焊锡弄掉。 值得注意的是,不论点焊还是拖焊,都很容易造成相邻的管脚被锡短路。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 交通灯 控制器 222