数字电子技术实训报告.doc

1 设计任务和要求 利用所学数字电路知识，设计简单交通灯控制电路。在由一条主干道和一条支干道汇合形成的十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每一个入口处设置红、黄、绿三色信号灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁止线外，以此实现红绿灯对城市交通的自动指挥。 （1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。 （2）当主道允许通行时绿灯亮，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。 （3）主支干道交替允许通行，主干道每次允许放行30S，支干道20S。设计30S和20S计时显示电路。 （4）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5S的黄灯作为过渡，设置5S计时显示电路。 2 系统模块功能关系设计本系统设计中，根据要求可以建立四个功能模块，分别是主控制器模块、时钟脉冲信号发生模块、计时器与时间显示模块、信号灯驱动模块。主控模块起到控制和联系其它各模块的作用，其它模块反过来作用于主控模块，实现整个系统的正常运行。经过最终设计与论证，得到个模块的关系如图2.1所示：图2.1 功能模块之间的关系3 电路设计计算与分析3.1 时钟脉冲信号的产生时钟脉冲信号由555定时器与相应大小的电阻和电容连接而成的多谐振荡器来产生。由于电路中需要的脉冲信号周期为1S，如果选用的电容分别是10UF和0.01UF，则根据周期计算公式T=(R1+2R2)CLN2，可得到R1+2R2的阻值为144K欧，因此我们令R1等于39K欧，R2等于51K欧，则连接而成的由555定时器构成的多谐振荡器如图3.1所示。图3.1 555定时器构成的多谐振荡器3.2 主状态控制电路的设计 主控电路是本系统的核心，它的输入信号来自主干道和次干道计时系统有进位输出时产生的脉冲，它的输出一方面经显示驱动电路控制主干道和次干道信号灯的状态，另一方面控制计时系统的置数，根据信号灯的不同状态，给主干道和次干道计时器置入时间信号，让计时器按照预定的时间间隔工作。主控电路属于时序逻辑电路，由于主干道和次干道各自的三种灯正常工作时只有四种可能，即四种状态：主绿灯和支红灯亮，主道通行；主黄灯和支红灯亮，主干道准备停车；主红灯和支绿灯亮，支干道通行；主红灯和支黄灯亮，支干道停车。因此，我们可以用双D触发器构成二进制加法器，实现四个状态的循环转换，关系图如图3.2所示。图3.2 主控制状态转换图3.3 信号灯驱动方程 主控制器的四种状态分别要控制主、支干道红黄绿灯的亮与灭。令灯亮为“1”，灯灭为“0”，主干道红黄绿灯分别为 R、Y、G，支干道红黄绿灯分别为 R、 Y、 G，则信号灯驱动电路真值表如表3.1所示：表3-1 信号灯驱动电路真值表输入输出Q1Q0RYGryg00001100010101001010000111100010 由以上真值表可得到各灯的逻辑表达式分别为： ; ; 3.4 计时器电路 计时器电路是本次设计中做复杂也最为关键的一部分，这一部分又可以分为输出和输入两部分。输入的信号除了秒脉冲时钟信号以外，更重要的是主控电路对其输入的置数信号。输出信号为三部分，分别是主次干道的计时显示电路、置数端开关控制信号、主控电路的脉冲控制信号。 （1）百进制计数器电路 这一部分我们选用两片十进制计数器芯片 74LS190D 级联而成。74LS190D 可以实现加计数和减计数，由 U/D 控制，当输入为低电平时进行加计数，反之则为减计数，本次设计选用减计数，因此 U/D 端输入始终为高电平。CTEN 端为扩展功能端，接入低电平时正常工作，级联接线如图 3.4 所示。 图3.4 计时器级联电路图 （2）置数端开关信号与主控器脉冲信号输出电路 当计数器每完成一个状态的计数后，需要打开自己的置数端接受主控器下一个状态的置数，同时输出脉冲送往主控器使其产生新的状态。由于每完成一个计数状态，计时器都会有一个低电平进位输出，我们可以将这个低电平送往置数端开关端口打开置数端，同时反向后送往主控器切换状态。但由于进位输出信号过于短暂，可能使主控器电路来不及反应就消失，造成电路不稳定。为了解决这一个问题，使进位输出信号有足够的宽度，我们想到用基本 RS 触发器组成反馈置数电路，由于进位输出信号是低电平，所以反馈电路可设计如图 3.5 所示。图3.5 基本RS触发器组成的进位输出电路 （3）由主控器状态控制的置数信号输入 按照设计要求，当主干道允许通行并亮绿灯时，主道计数器需置入 30S 信号，30S 计完以后输出进位信号和主控脉冲信号，主控电路进入下个状态，给主道计数器置入 5S 信号，同时主道黄灯亮起，开始 5S 计时，5S 计完以后输出进位脉冲和主控脉冲信号，置数端被打开，主控制器接到脉冲切换到下一个状态，给主计数器输入下一个置数信号；在此过程中，次道信号灯一直是红色禁止通行，计时器共计 35S 时间，因此，在主道开始亮绿灯允许通行时，支道计数器应该被主控器置入 35S 计数信号，30S 后尽管主控器状态发生变化，但次道仍然为红灯，次计数器没有进位输出，置数开关关闭，不允许置数，直到 35S 后有进位输出而打开置数端开关。35S 后，次道计数器和主道计数器同时送出进位输出，两个置数开关被打开，主控器接受脉冲切换状态，并送出新的置数信号，此时由于次道绿灯亮起允许通行，应该被置入 20S 计时信号，20S 后输出进位信号，置数端打开，同时送出主控器脉冲，使主控器切换到下一个状态，即次道黄灯亮起，接受 5S 置数信号，并开始计时，直到 5S 后再次输出进位信号，打开置数开关，接受新的置数，与此同时输出主控脉冲，使主控器状态变化。在次道这 25S 的绿黄灯过程中，主道一直是红灯禁止通行，因此主计数器在次道绿灯亮起的时刻应该被置入 25S 计时信号开始计时，直到 25S 后与次道同时输出进位信号和主控脉冲信号，进入下一个状态。至此，主次道以及主控器完成一次状态循环，具体关系如图 3.6 所示。图3.6 主控制置数3.5 计时器显示电路在本次设计中，主道和次道的计时显示电路我们仅仅用数码 显示管 DCD_HEX 来完成，用于计时状态的显示，主道于此道显示 器接法相同，如图 3.7 所示。图3.7 计时器显示电路连接图3.6 总电路图仿真图3.8 总装电路图 4 电路的实践（1）正面 ： 本设计采用手工焊接，根据总装电路设计原理图焊接。我们首先放置所有需要的元件，放在合适的位置，使得焊接步骤比较简单方便，进行手工调整，得到比较整齐的排列的形式，由于本次设计的元件过多，连线复杂，布局的时候有些缺陷，不过不会影响焊接的效果，则实际电路效果图如图4.1。 图4.1 实际电路正面（2）背面： 背面焊接时，主要采用导线和锡条进行连接，实现电路的导通。焊接时，由于线路比较多，我们在各个不同功能的线做了不同的标记，比如在电路板焊出一条接地线和一条接电源，以至于线路看起来不会太多。还有采用不同的颜色的导线连接不同的功能，以至于检查电路时，一目了然。则实际电路背面的效果图如图4.2。图4.2 实际电路背面5 电路设计总结与心得本次课程设计的交通灯控制电路基本实现了预期的功能，完成了设计的要求和任务，现将整个设计过程中遇到的问题和收获的成功总结出来与大家分享！通过这次课程设计，不仅加深了我对数字逻辑电路的理解，而且加强了我独立思考和合作交流及动手能力。通过对设计中的每个模块的设计巩固了对理论知识的掌握，而且感觉实践和理论并非同一回事，深深的认识的多动手的重要性。在这次实践中，加强了对各种元器件的认识，认识到多跟同学交流的重要性，这样不仅可以是自己设计出更好更简洁的电路，而且能使自己少走弯路，分享彼此在实践中中的遇到的问题，还可以使自己学到更多，对问题理解的更加透彻。比如刚开始时自己设计的电路用的元器件较多许多都找不多，看多同学的设计后，突然感觉方便多了，画电路图时网络节点的应用不仅可以少连很多线，关键是让自己的电路的逻辑一目了然。 通过本次实践，让我受益匪浅，虽然花了很多时间，但觉得还是值得的，即使完成的慢了些，中途还有想放弃的念头，但还是坚持在找错误，觉得耐心和遇到问题不放弃的坚持也很重要，如果没有坚持不会有现在对数电及仿真软件的深刻认识。还有我们在此次的实训过程中，还明白了团结合作的重要性。如果各个组之间都不互相探讨，也就不会知道出错的地方是一样的，也就没那么容易找出出错的地方了。参考文献1 阎 石.数字电子技术基础（第五版)M.北京:高等教育出版社,2005.2 郭海