1、题目一：交通灯控制电路设计题目一：交通灯控制电路设计题目二：超声波测距仪题目二：超声波测距仪时间安排17周周五之前：设计出完整的电路图并让老师检查签字。仿真文件发送至：仿真文件发送至：cquyzkcqu.edu17周周六、周日：发电路元件，根据教师签字的电路原理图和教师拟订推荐元件表发元件。18周周六、周日：收设计报告和实物。提交的报告与实物要求提交的报告与实物要求1、报告：每人独立完成一份报告 如果是一个小组合作完成，需注明任务的具体分工，报告内容有侧重点。18周六上午交报告。2、实物 完成整机调试、波形记录与数据分析，需教师现场检查通过。18周六上午交实物装置。3、电路主要元器件的选型与参
2、数 介绍电路设计的思路与原理框图，阐述各模块电路的工作原理与功能要求，主电路的工作流程。1、引言 2、电路的设计介绍所设计电路的应用背景。阐述核心元器件的管脚、结构、性能参数和工作原理，以及外围元件。进行必要的电路计算与参数选择。课程设计报告的内容要求课程设计报告的内容要求5、硬件电路的安装与调试（部分小组）分别对各模块电路进行安装，测试，记录测试波形与数据。最后，完成整机的统调和测试。6、小结简述设计过程中的收获与体会。7、参考文献列举4-8篇文章、指导书或者网站。4、电路的仿真分析 对各模块电路进行仿真，提供仿真波形与数据分析课程设计报告的内容要求课程设计报告的内容要求课程设计实作的选拔条
3、件课程设计实作的选拔条件1、必须首先完成仿真、必须首先完成仿真 需要提供仿真电路并能正常运行，能够达到题目的要求，能够解释其工作原理，参数选择的依据等。2、设计有创新点的小组，机会优先、设计有创新点的小组，机会优先3、电路的仿真分析要求、电路的仿真分析要求 分别对各模块电路进行仿真，记录波形，并建立子电路。建议：总电路是多个子电路的调用和综合。便于检查问题、排除故障。1、掌握、训练数字系统的综合设计方法，以及对各基、掌握、训练数字系统的综合设计方法，以及对各基本电路功能的运用和测试方法。本电路功能的运用和测试方法。一、设计目的一、设计目的2、学习掌握各个基本电路之间级连以及应当注意的事、学习掌
4、握各个基本电路之间级连以及应当注意的事项；熟悉各基本电路的输入与输出应满足的条件；正确项；熟悉各基本电路的输入与输出应满足的条件；正确阐述电路中各参数的意义。阐述电路中各参数的意义。3、学会在数字系统中正确使用数字集成电路；学会查、学会在数字系统中正确使用数字集成电路；学会查阅、读懂数字集成电路手册。阅、读懂数字集成电路手册。交通灯控制电路的设计交通灯控制电路的设计1、设计一个十字交叉路口交通灯自动控制电路，要求、设计一个十字交叉路口交通灯自动控制电路，要求主干道和支干道两条交叉道路上的车辆交替行驶通过，主干道和支干道两条交叉道路上的车辆交替行驶通过，每次通行时间可任意设定。每次通行时间可任意
5、设定。二、设计任务与要求二、设计任务与要求3、采用数码管显示每个状态的时间。、采用数码管显示每个状态的时间。2、在黄灯亮过、在黄灯亮过5秒钟后，才能变换车辆秒钟后，才能变换车辆通行道路方向及行人允许通过道路的方通行道路方向及行人允许通过道路的方向。向。系统主要由秒脉冲信号发生器、控制器、定时器、译码器等部分组成。系统主要由秒脉冲信号发生器、控制器、定时器、译码器等部分组成。u 秒脉冲信号发生器是系统中定时器的标准时钟信号源。秒脉冲信号发生器是系统中定时器的标准时钟信号源。u 控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。u 译码器输
6、出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作。译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作。图图1 交通灯控制系统的原理框图交通灯控制系统的原理框图三、设计原理与分析三、设计原理与分析1分析系统的逻辑功能及其框图分析系统的逻辑功能及其框图TL表示绿灯和红灯亮的时表示绿灯和红灯亮的时间，在设定的时间内，间，在设定的时间内，TL=0，设定的时间到，设定的时间到，TL=1。TY表示黄灯亮的时间（表示黄灯亮的时间（5秒），在设定的时间内，秒），在设定的时间内，TY=0，设定的时间到，设定的时间到，TY=1。ST表示定时器到了规定的时间表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出的状态转
7、换后，由控制器发出的状态转换信号。由它控制定时器开始下信号。由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。一个工作状态的定时。2、交通灯控制器的工作流程、交通灯控制器的工作流程 主干道绿灯亮时，支干道红灯亮。（主干道绿灯亮时，支干道红灯亮。（Z0状态）状态）此时主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。绿灯亮足规定时此时主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。绿灯亮足规定时间间TL后，控制器发出状态转换信号后，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。，转到下一工作状态。主干道黄灯亮时，支干道红灯亮。主干道黄灯亮时，支干道红灯亮。（Z1状态）状态）此时支干道上的车辆禁止通行，主干道上已过停车线的车
8、辆允许通此时支干道上的车辆禁止通行，主干道上已过停车线的车辆允许通行，未过停车线的车辆禁止通行。黄灯亮足规定时间行，未过停车线的车辆禁止通行。黄灯亮足规定时间TY后，控制器发出后，控制器发出状态转换信号状态转换信号ST，转到下一工作状态。，转到下一工作状态。主干道红灯亮时，支干道绿灯亮。主干道红灯亮时，支干道绿灯亮。（Z2状态）状态）支干道上的车辆允许通行，主干道禁止通行。绿灯亮足规定时间支干道上的车辆允许通行，主干道禁止通行。绿灯亮足规定时间TL后，控制器发出状态转换信号后，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。，转到下一工作状态。主干道红灯亮时，支干道黄灯亮。主干道红灯亮时，支干道
9、黄灯亮。（Z3状态）状态）此时主干道上的车辆禁止通行，支干道上已过停车线的车辆允许通行，此时主干道上的车辆禁止通行，支干道上已过停车线的车辆允许通行，未过停车线的车辆禁止通行。黄灯亮足规定时间未过停车线的车辆禁止通行。黄灯亮足规定时间TY后，控制器发出状态转后，控制器发出状态转换信号换信号ST，转到第种工作状态。，转到第种工作状态。为了简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，即：为了简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，即：图图2 交通灯的工作状态流程图交通灯的工作状态流程图 AG=1AG=1：主干道绿灯亮；：主干道绿灯亮；BG=1BG=1：支干道绿灯亮；：支干道绿灯亮；AY=1AY
10、=1：主干道黄灯亮；：主干道黄灯亮；BY=1BY=1：支干道黄灯亮；：支干道黄灯亮；AR=1AR=1：主干道红灯亮；：主干道红灯亮；BR=1BR=1：支干道红灯亮；：支干道红灯亮；四、电路设计参考四、电路设计参考 本设计可采用本设计可采用555定时器组成秒脉冲信号发生器，定时器组成秒脉冲信号发生器，即利用即利用555构成周期为构成周期为1S的多谐振荡器。振荡周期的的多谐振荡器。振荡周期的计算公式为：计算公式为：T0.7(R1+2R2)C，合理设置电阻和电，合理设置电阻和电容的大小即可得到秒脉冲信号，具体参考电路如右图：容的大小即可得到秒脉冲信号，具体参考电路如右图：1、秒脉冲信号电路、秒脉冲信
11、号电路 采用采用555定时器要精确的输出定时器要精确的输出1Hz的脉冲，对电的脉冲，对电容值和电阻值的精度要求很高。因此，也可以采用容值和电阻值的精度要求很高。因此，也可以采用石英晶体振荡器构成秒脉冲信号发生器，如右图所石英晶体振荡器构成秒脉冲信号发生器，如右图所示为示为CMOS器件组成的晶体振荡电路。器件组成的晶体振荡电路。石英晶体频率为石英晶体频率为f0=32768Hz，CMOS门门1用于振用于振荡，荡，CMOS门门2用于缓冲整形。用于缓冲整形。Rf是反馈电阻，通是反馈电阻，通常在几十兆欧之间选取，一般选常在几十兆欧之间选取，一般选22M。R起稳定振起稳定振荡作用，通常取十至几百千欧。荡作
12、用，通常取十至几百千欧。C1是频率微调电容是频率微调电容器，器，C2用于温度特性校正。输出经用于温度特性校正。输出经14位位2进制计数进制计数器和器和1个个1位位2进制计数器进行分频即可得到秒脉冲。进制计数器进行分频即可得到秒脉冲。推荐选用推荐选用74LS163计数器进行设计。计数器进行设计。74LS163是是4位二进制同步计数器位二进制同步计数器，它，它具有具有同步清零，同步置数同步清零，同步置数的功能。建议定时器采用两片计数器的功能。建议定时器采用两片计数器74LS163来设计，来设计，下图为定时器参考电路图。下图为定时器参考电路图。74LS16374LS163 定时器由系统秒脉冲和同步计
13、数器构成，要求计数器在状态转换定时器由系统秒脉冲和同步计数器构成，要求计数器在状态转换信号信号ST作用下首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从作用下首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行加零开始进行加1计数，向控制器提供计数，向控制器提供5秒的黄灯定时信号秒的黄灯定时信号TY和红灯或和红灯或绿灯定时信号绿灯定时信号TL。2定时器定时器 控制器是交通管理的核心，它应该按照交通管理规则控制信号控制器是交通管理的核心，它应该按照交通管理规则控制信号灯，能够满足控制系统的工作状态进行交通信号灯的状态转换。根灯，能够满足控制系统的工作状态进行交通信号灯的状态转换。根据交通灯的工
14、作状态流程图，可以列出控制器的状态转换表如下：据交通灯的工作状态流程图，可以列出控制器的状态转换表如下：输输 入入输输 出出初始状态初始状态状态转换条件状态转换条件次次 态态状态转换信号状态转换信号TLTYST0 00 00 00 00 00 00 00 01 10 01 11 10 01 10 00 01 10 00 01 11 11 11 11 11 11 10 01 11 10 01 11 11 11 10 01 11 10 00 01 10 00 01 10 01 10 00 01 1nQ1nQ011nQ10nQ3控制器控制器 本设计推荐选用本设计推荐选用74LS74（双（双D触发器）
15、构成时序寄存器，它们触发器）构成时序寄存器，它们的输出作为控制器的状态转换的的输出作为控制器的状态转换的4种状态，控制器状态转换的条件为种状态，控制器状态转换的条件为TL和和TY。74LS74管脚图管脚图74LS74真值表真值表10101010nnnnnnnLLQQ Q TQ QQ Q T11101010nnnnnnnYYQQ Q TQ QQ Q T10101010nnnnnnnnTLYLYSQ Q TQ Q TQ Q TQ Q T11nQ10nQ 根据交通灯的控制器状状态态转换表，可以推出控制器方程和转根据交通灯的控制器状状态态转换表，可以推出控制器方程和转换信号方程；即将控制器的输出换信号
16、方程；即将控制器的输出 、和和ST为为1的项所对应的输入的项所对应的输入和状态条件变量相与，其中和状态条件变量相与，其中“1”用原变量表示，用原变量表示，“0”用反变量表示，用反变量表示，然后将各与项再相或，即有：然后将各与项再相或，即有：nQ1nQ0 本设计推荐选用本设计推荐选用4选一数据选择器（选一数据选择器（74LS153）来实现）来实现74LS74中两个中两个D触触发器的输入函数，将触发器的初始状态值发器的输入函数，将触发器的初始状态值 、加到加到74LS153的数据选择端的数据选择端作为控制信号，这样即可实现控制器的功能。作为控制信号，这样即可实现控制器的功能。显示电路包括数码管时间
17、显示电路和发光二级管模拟红绿灯两个显示电路包括数码管时间显示电路和发光二级管模拟红绿灯两个部分。数码管时间显示电路由定时器输出对应的时间经译码器驱动数部分。数码管时间显示电路由定时器输出对应的时间经译码器驱动数码管显示每个状态的时间。发光二级管模拟红绿灯电路跟控制器的输码管显示每个状态的时间。发光二级管模拟红绿灯电路跟控制器的输出信号有关，根据交通灯的工作状态流程图，可以列出红绿灯与控制出信号有关，根据交通灯的工作状态流程图，可以列出红绿灯与控制器输出信号的关系如下表：器输出信号的关系如下表：主干道主干道绿灯绿灯(AG)主干道主干道黄灯黄灯(AY)主干道主干道红灯红灯(AR)支干道支干道绿灯绿
18、灯(BG)支干道支干道黄灯黄灯(BY)支干道支干道红灯红灯(BR)0 01000010 10100011 10011001 0001010nQ1nQ010nnAGQQ10nnAYQQ10101nnnnnARQQQQQ主干道：主干道：10nnBGQQ10nnBYQQ10101nnnnnBRQQQQQ支干道：支干道：4.显示电路显示电路五、发挥部分五、发挥部分1、计数器可采用减法计数方式；、计数器可采用减法计数方式；2、主干道和支干道的通行时间可设置为不同；、主干道和支干道的通行时间可设置为不同；3、黄灯的最后、黄灯的最后3秒闪烁，且每秒钟闪烁两次。秒闪烁，且每秒钟闪烁两次。超声波测距仪超声波测距
19、仪语音语音/可视倒车雷达可视倒车雷达超声波传感器超声波传感器盲人手杖盲人手杖1、掌握便携式超声波传感器、波形发生电路的性能与应用；2、掌握常用运算放大电路、数字集成电路、555电路的功能和使用。一、设计目的一、设计目的超声波测距仪超声波测距仪1、应用于车辆倒车、盲人手杖等测距，携带方便。2、三位LED数字动态显示车与障碍物之间的距离，距离测量范围为0.3-5m，测量精度为1cm。发挥部分发挥部分 具有蜂鸣提示音，小于1m时具有报警提示功能。二、设计任务与要求二、设计任务与要求1 1、超声波传感器、超声波传感器 20kHz以上的声音称为超声波，音频范围为以上的声音称为超声波，音频范围为100Hz
20、20kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此可制成超声波传感器。另外，超声但反射能力越强，为此可制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为波在空气中传播的速度较慢，约为340m/s，这就使得超，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。超声波传感器的谐振频率声波传感器使用变得非常简单。超声波传感器的谐振频率(中心频率中心频率)有有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。变高。三、设计原理与分析
21、三、设计原理与分析 驱驱动动 电电路路 超超声声波波 发发射射器器 光光控控电电路路 三三位位 动动态态 计计数数器器 超超声声波波 接接收收器器 放放大大器器 译译码码器器 译译码码显显示示驱驱动动电电路路 振振荡荡器器 1 反反相相器器 振振荡荡器器 2 触触发发器器 比比较较器器 整整形形器器 2 2、工作原理及框图、工作原理及框图四、电路设计参考四、电路设计参考1.1.超声波发射电路的基本工作原理超声波发射电路的基本工作原理T/R-40-16便可发射出一串40kHz的超声波信号。工作电压9V，工作电流25mA，控制距离可达8m。超声波发射电路参考方案一超声波发射电路参考方案一:分立元件
22、构成的超声波发射电路分立元件构成的超声波发射电路 从555的3脚输出的40kHz的振荡脉冲驱动T-40-16工作，使之发射出40kHz的超声波信号。电路工作电压为9V，工作电流为4045mA,控制距离大于8m。超声波发射电路参考方案二超声波发射电路参考方案二:555555谐振电路构成的超声波发射电路谐振电路构成的超声波发射电路 用CMOS反相器和石英晶振产生一个频率稳定准确的32768z的方波信号，通过分频电路，实现40kHz超声波信号输出。超声波发射电路参考方案三超声波发射电路参考方案三:石英晶振构成的超声波发射电路石英晶振构成的超声波发射电路超声波发射电路推荐方案超声波发射电路推荐方案超声
23、波发射电路的信号波形分析超声波发射电路的信号波形分析2.2.超声波接收电路的基本工作原理超声波接收电路的基本工作原理 超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。路及波形变换电路三部分。由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦波信号需要变换为直流信号必须经放大电路放大。正弦波信号需要变换为直流信号以判断是否有回波及回波的大小。以判断是否有回波及回波的大小。超声波接收头超声波接收头波形变换波形变换放大电路放大电路 超声波接收电路参考方案一超声波接收电路参考方
24、案一:双稳态超声波接收电路双稳态超声波接收电路 超声波接收电路参考方案二超声波接收电路参考方案二:通用型超声波接收电路通用型超声波接收电路放大检波、比较电源超声波接收电路推荐方案超声波接收电路推荐方案峰值检波电路检波电路工作原理和波形分析检波电路工作原理和波形分析 超声波发射器向某一方向发射40kHz的超声波。在发射超声波的同时，计数器开始计数。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就会立即返回来。接收器收到反射波后就将回波信号送到比较器，计数器立即停止计数。计数器所计的时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间。超声波在空气中的传播速度设定为340m/s，根据计数器记录的时间t，就可以计算出发射点
25、距障碍物的距离s，即：s=340t/2。如何直接显示障碍物的距离s？3.3.超声波计数与显示部分超声波计数与显示部分清零、锁存清零、锁存振荡振荡-计时脉冲计时脉冲超声波计数与显示推荐方案超声波计数与显示推荐方案五、推荐电路总体介绍五、推荐电路总体介绍工作原理分析工作原理分析 一片3位十进制计数器，但只有1个输出端，要完成3位输出，采用扫描输出方式，通过它的选通脉冲信号，依次控制3位十进制的输出，从而实现扫描显示方式。引脚图Inputs 输入输入Outputs 输出输出MasterResetClock DisableLE000No Change 000Advance 进行进行0 x1xNo Ch
26、ange 010Advance 进行进行010No Change 00 xxNo Change 0 xxLatched 锁存锁存0 xx1Latched 锁存锁存1xx0Q0=Q1=0Q2=Q3=0CD4553/CC4553CD4553 3位数计数器时序图位数计数器时序图电路焊接注意事项电路焊接注意事项 （1 1）电烙铁使用前要上锡，具体方法是：将电烙铁烧热，待刚刚能熔化焊）电烙铁使用前要上锡，具体方法是：将电烙铁烧热，待刚刚能熔化焊锡时，涂上助焊剂锡时，涂上助焊剂(松香松香)，再用焊锡均匀地涂在烙铁头上，使烙铁头均匀的，再用焊锡均匀地涂在烙铁头上，使烙铁头均匀的吃上一层锡吃上一层锡(亮亮的薄
27、薄的就可以亮亮的薄薄的就可以)。（2 2）在进行普通焊接的时候）在进行普通焊接的时候(比如在万能板上焊接直插式元件比如在万能板上焊接直插式元件)，一手烙铁，一手烙铁，一手焊锡丝，靠近根部，两头轻轻一碰，一个焊点就形成了。一手焊锡丝，靠近根部，两头轻轻一碰，一个焊点就形成了。（3 3）在万能板上焊接直插元件时，要将引脚尽量插到底。）在万能板上焊接直插元件时，要将引脚尽量插到底。（4 4）焊接时间不宜过长，否则容易烫坏元件，必要时可用镊子夹住管脚帮）焊接时间不宜过长，否则容易烫坏元件，必要时可用镊子夹住管脚帮助散热。助散热。（5 5）焊接完成后，要用酒精把线路板上残余的助焊剂清洗干净，以防炭化）焊
28、接完成后，要用酒精把线路板上残余的助焊剂清洗干净，以防炭化后的助焊剂影响电路正常工作。后的助焊剂影响电路正常工作。（6 6）电烙铁应放在烙铁架上。）电烙铁应放在烙铁架上。1、正确使用电烙铁、正确使用电烙铁 宗旨：先难后易，先低后高，先贴片后插装；焊接方便，节省时间。宗旨：先难后易，先低后高，先贴片后插装；焊接方便，节省时间。先焊接难度大的，这主要是指管脚密集的贴片式集成芯片。如果先焊接难度大的，这主要是指管脚密集的贴片式集成芯片。如果把这些难度大的放于最后焊接，一旦焊接失败把焊盘搞坏，那就会把这些难度大的放于最后焊接，一旦焊接失败把焊盘搞坏，那就会前功尽弃。前功尽弃。先低后高，先贴片后插装。这
29、样焊接起来方便。如先把高的元件先低后高，先贴片后插装。这样焊接起来方便。如先把高的元件焊接了，有可能妨碍其他元件的焊接，尤其是高大的元件密集众多焊接了，有可能妨碍其他元件的焊接，尤其是高大的元件密集众多的时候。如果先焊接插装的元件，电路板就会在焊台上放不平，影的时候。如果先焊接插装的元件，电路板就会在焊台上放不平，影响焊接心情。响焊接心情。2、元件焊接顺序、元件焊接顺序3、电路板焊接总体要求、电路板焊接总体要求（1）元件布局合理美观，建议分功能模块进行布局；）元件布局合理美观，建议分功能模块进行布局；（2）导线长短取合适，不宜过长，一般紧贴于电路板表面；）导线长短取合适，不宜过长，一般紧贴于电路板表面；（3）双列直插元件不要直接焊在电路板上，建议插在座子上，以便于更换；）双列直插元件不要直接焊在电路板上，建议插在座子上，以便于更换；（4）设计中考虑到上电（打开电源开关时）自动复位的问题，这里可以用）设计中考虑到上电（打开电源开关时）自动复位的问题，这里可以用R、C电路构成。电路构成。
