数字系统设计实习报告

数字系统设计实习报告交通灯控制器的设计指导教师班级学号姓名目录软件介绍摘要关键词一、交通信号灯的设计目的以及要求二交通信号灯基本原理及设计方法三、主控制器3174LS90引脚排列图与逻辑图3274LS90的功能表及引脚功能四、计数器41计数器的作用42计数器的工作情况43控制信号灯的译码电路的真值表44置数电路45状态译码电路五译码显示电路六、交通灯信号灯控制总体框图总结参考文献交通信号灯控制系统的设计软件介绍MAXPLUSII或写成MAXPLUS2,或MP2是ALTERA公司推出的的第三代可编程逻辑器件的EDA开发系统ALTERA第四代PLD开发系统被称为QUARTUSII，主要用于设计新器件和大规模CPLD/FPGA使用MAXPLUSII的设计者不需精通器件内部的复杂结构。设计者可以用自己熟悉的设计工具（如原理图输入或硬件描述语言）建立设计，MAXPLUSII把这些设计转自动换成最终所需的格式。其设计速度非常快。对于一般几千门的电路设计，使用MAXPLUSII，从设计输入到器件编程完毕，用户拿到设计好的逻辑电路，大约只需几小时。设计处理一般在数分钟内内完成。特别是在原理图输入等方面，MAXPLUS2被公认为是最易使用，人机界面最友善的PLD开发软件，特别适合初学者使用。摘要随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯红、黄、绿三种标志于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调，多值化方向发展随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的全部有数字电路组成,比较以前的方案更为精确。关键词控制器计数器信号灯译码电路一、交通信号灯的设计目的以及要求十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。实现红绿灯的自动指挥是城市交通自动化的重要课题。本课题利用数字电路的基本知识和设计方法，设计一个简单的交通灯控制系统要求。1掌握系统设计的一般步骤和方法，掌握一个大的系统中各子系统之间的相互作用和相互制约关系；2运用数字电路理论知识自行设计并实现一个较为完整的小型数字系统。通过系统设计、电路安排与调试、写设计论文等环节，初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平；3学会用中规模器件设计一个符合要求的系统，并熟悉常用中规模器件的用法。4学会按照电路图在面包板上合理布局使各器件在系统中的连线更简单，清晰；5掌握连接实物图的一般步骤和方法，学会系统安装与调试的一般步骤和方法。6在实践中运用理论知识，培养实际动手能力；7主干道（A方向）的通行时间长于支干道（B方向）的通行时间；8每次由绿灯变为红灯或由红灯变为绿灯的前5秒四个路口要亮黄灯以提示过往车辆及行人注意路灯变化，安全通行；9设计正计时50S、30S计时数码实现电路，要求每秒钟改变一次数字；10在一个主支干道的十字路口，东西和南北方向各设置一个红，黄，绿三种颜色的交通灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行。在绿灯变红灯时先要求黄灯亮5秒钟，以便让后来车辆准备停车。由于主干道车辆较多，支干道车辆较少，所以要求主干道处于通行状态的时间要长一些，为50秒；而支干道通行时间为30秒。所以主干红灯35S，支干红灯55S。11特殊情况时计数器停止计数，两方向红灯均亮，之后恢复正常。二交通信号灯基本原理及设计方法十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一个主干道和一个支干道的十字路口如图31所示。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。主主主主主主主主主主主主路口交通指挥系统示意图系统工作流程图如图所示。主干道绿灯亮，支干道红灯亮计数器由0到50递增计数主干道黄灯亮，支干道红灯亮计数器由0到5递增计数主干道红灯亮，支干道绿灯亮计数器由0到30递增计主干道红灯亮，支干道黄灯亮计数器由0到5递增计S1S2S3S0系统工作流程图要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路等几部分组成，整机电路的原理框图如图所示。四个路口设有红、黄、绿三色灯和两位8421BCD码的计数、译码显示器。显示器译码器计数器时钟信号支干道信号灯信号灯译码驱动电路主干道信号灯主控电路交通信号灯控制原理电路框图十字路口车辆运行情况只有4种可能1）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为50S。2）50S后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5S。3）5S后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为30S。4）30S后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为5S。5S后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电路也有4种状态，设这4种状态依次为S0、S1、S2、S3。状态转换图如图所示。S0S1S2S350S后5S后30S后5S后状态转换图三、主控制器3174LS90引脚排列图与逻辑图十字路口车辆运行情况只有4种可能，实现这4个状态的电路，可用两个触发器构成，也可用一个二十进制计数器或二进制计数器构成。我采用二十进制计数器74LS90实现。采用反馈归零法构成4进制计数器,即可从输出端QBQA得到所要求的4个状态。图4174LS90管脚排列图,逻辑图如图所示。为以后叙述方便，设X1QB,X0QA。74LS90管脚排列图主控制器设计图仿真波形图注实现四进制计数功能，从0到3，依次对应S0到S3。3274LS90的功能表及引脚功能74LS90功能表输入输出清0置9时钟R01、R02S91、S92CP1CP2QDQCQBQA功能11000000清000111001置91QA输出二进制计数1QDQCQB输出五进制计数QAQDQCQBQA输出8421BCD码十进制计数0000QDQAQDQCQB输出5421BCD十进制码计数11不变保持如表74LS90功能表74LS90逻辑功能为1计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。2计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。3若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。4若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。5清零、置9功能。A异步清零当R01、R02均为“1”；S91、S92中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA0000。B置9功能当S91、S92均为“1”；R01、R02中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA1001。四、计数器41计数器的作用计数器的作用有二一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行50S、30S、5S3种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。42计数器的工作情况计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的工作情况为计数器在主控制器进入状态S0时开始50S计数；50S后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S1，计数器开始5S计数；5S后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S2，计数器开始30S计数；30S后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S3，计数器又开始5S计数；5S后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态S0，开始新一轮循环。根据以上分析，设50S、30S、5S计数的归零信号分别为A、B、C，则计数器的归零信号L为LABC因为5（0101）BCD,30011BCD所以其中AS0QC2QA2QC2QA2BS2QB2QA2QB2QA2CS1QC1QA1S3QC1QA1X0QC1QA1考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将L取反后送到主控制器的CP端作为主控制器的状态转换信号。可选用集成异步十进制加法记数器74LS90。计数器设计图图计数器利用74LS90正计数功能仿真波形图43控制信号灯的译码电路的真值表主控制器的4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为1，灯灭为0，则控制信号灯的译码电路的真值表。表控制信号灯的译码电路的真值表主控制器状态主干道支干道X1X0红灯R黄灯Y绿灯G红灯R黄灯Y绿灯GS000S101S210S311001010100100100100001010由真值表得灯控函数逻辑表达式RX1RX1_YX1_X0YX1X0GX1_X0_GX1X0_44状态译码电路根据灯控函数逻辑表达式,可画出由与门和非门组成的状态译码器电路,如图所示。将状态控制器，状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路，如图所示。三色信号灯逻辑控制电路设计五译码显示电路译码显示电路主要是由共阳极共阳极LED七段数码管，74LS138及相应译码器组成。在试验箱内部，在此不做详细说明。51共阳极共阳极LED七段数码管数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接低电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接高电平的字段发光。图共阳极数码管引脚图图共阳极数码管接法图段数码显示器管脚接法六、交通灯信号灯控制总体框图根据设计各部分功能可画出交通信号灯控制系统总体框图显示电路图交通信号灯控制系统总体框图仿真波形图总结通过此次交通控制信号灯的分析和设计，我深深感到学好数字逻辑电路的重要性。这一次设计对我来说，感触最深的就是要想做好一个设计课题首先要对每一部分所涉及的知识点掌握好，只有这样才能对设计做的得心应手。这次实习锻炼了我的分析、设计动手的能力，培养我思考问题的全面性。这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如74LS90、74LS138等。同时也发现自对数电知识和电子设计软件掌握得不够。我进一步熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。我认识到数电设计每一步都要细心认真，因为任何一步出错的话，都会导致后面的环节发生错误。在设计过程中遇到了一些问题，使得我查找各种相关资料，在增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能力。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会在整个设计的过程中我学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就