交通灯控制系统.doc

数字逻辑课程设计报告 交通灯控制器 学院名称学院名称 电子工程学院 学生姓名学生姓名 专业名称专业名称 集成电路设计与集成系统 班班 级级 电路 1002 班 实习时间实习时间 2012 年 6 月 4 日 2012 年 6 月 15 日 课题 交通灯控制器课题 交通灯控制器 一 前言一 前言 随着电子技术迅速发展 有数字电路组成的数字控制系统 数 字测量系统 数字通信系统等广泛应用到各个领域中 交通灯控制 器是以高 低电平控制相应七段显示译码器对应管脚的亮灭 来自 动控制七段显示译码器循环显示红 黄 绿灯对应的倒计时 广泛 应用于实际中 实现交通灯控制 可采用 EPROM 可编程逻辑器 件 单片机等来实现大型交通灯控制系统 本课题是用 4 位二进制 计数器 74LS161 及双 D 触发器 74LS74 和一些必要的门电路来实现 的 二 课程设计的任务和要求 二 课程设计的任务和要求 1 在十字路口的两个方向上各设一组红黄绿灯 显示顺序为其中一方向是 绿灯 黄灯 红灯 另一方向是红灯 绿灯 黄灯 外部硬件电路包括 两组 红黄绿灯 配合十字路口的双向指挥控制 计时显示器 显示允许通行或禁止 通行时间 其系统外观示意图如下图所示 红灯 黄灯 绿灯 红 灯 黄 灯 绿 灯 2 设置一组数码管 以计时的方式显示允许通行或禁止通行时间 主绿灯 亮的时间是 30s 支干道绿灯亮的时间是 10s 主支干道黄灯亮的时间均为 4s 即如下图所示 3 选做 当任何一个方向出现特殊情况 按下手动开关 其中一个方向常 通行 倒计时停止 当特殊情况结束后 按下自动控制开关 恢复正常状态 三 实际目的 三 实际目的 1 掌握计数器的置位功能设计及两片计数器级联的方法 实现倒计 时 2 掌握计数器的计数 置数及清零功能的设计 3 了解面包板的组成和功能 方便电路的设计 控制器状态 S0 控制器状态 S1 控制器状态 S2 控制器状态 S3 支干道红灯亮主干道绿灯亮 支干道绿灯亮主干道黄灯亮 定时 30 秒 定时 4 秒 定时 10 秒 定时 4 秒 支干道绿灯亮 支干道黄灯亮 主干道红灯亮 主干道红灯亮 4 掌握 TTL 集成电路驱动 LED 的设计方法 5 掌握数字电路的设计 安装和调试 四 课题设计所需器件四 课题设计所需器件 CT74LS802 个 150k 1 个 CT74LS1613 个 4 7k 1 个 CT74LS041 个 0 1 F 1 个 CT74LS741 个 4 7 F 1 个 CT74LS482 个七段显示器2 个 CT74LS321 个虎口钳一把 555 芯片1 个发光二极管6 个 面包板1 个导线若干 五 总体方案 五 总体方案 首先用 555 定时器构成自激多谐振荡器 以实现 CP 脉冲的产生 接着用 74LS161 芯片级联并且与相关的门电路构成模为 29 的计数器 因为主干道的绿灯计数是从 29 00 的减法计数 故需用两片级联 然后将一片 74LS161 的四输入端接地 将其接成十六进制计数器 取其低两位 Q1Q0 则此两位就组成一个模为 4 的计数器 用这两个 端子控制倒计时电路两片 74LS161 的输入端 最后用一片 74LS74 用其 D2D1分别与 Q1Q0相连 此时 74161 与 7474 为同状态的模 4 计数 器 用 74LS74 来控制 6 个交通指示灯的亮灭 六 系统设计的框图 六 系统设计的框图 秒脉冲 发生器 倒计时控 制器 灯 控 制 器 主干道 指示灯 支干道 指示灯 倒计时 电 路 七 设计原理 七 设计原理 由四个状态 即 SO 00 S1 01 S2 10 S3 11 与置数和灯的亮 灭列出真值表 写出每个置数端和灯与状态的卡诺图 进而得其表 达式 最终 74LS161 和 74LS74 对灯和置数的控制功能可用相关的 门电路实现 模值的确定是由两片 74LS161 级联来控制的 脉冲用 555 来实现 八 功能的实现 八 功能的实现 1 模块化的设计 根据数字系统的总体设计方法 将总系统各个功能区域来实现 使每个区域构成必要的联系 形成具有更多功能的一个系统 模块 化设计是总体功能的分割 有利于实验的排查 2 子模块的设计 1 脉冲的实现 为了用同一频率的倒计时 必须用 定时器振荡器来实现 脉冲 如下图 2 倒计时电路 由两片 74LS161 器件级联来实现倒计数 采用同步计数的方法 两片 74LS161 的使能端 都接高电势 将两片器件 8 端都接地 将高低位片的 端均接 555 的 3 端输出脉冲 低位片的 ENT 和 ENP 均加高电平 将低位片的 CO 端同时送给高位片的 ENT 和 ENP 将高低位片的 CO 均用 74LS04 取反送给自己的 Load 最后 高低片的输出均取反通过 74LS48 驱动七段显示器 从而达到减法 计数的功能 具体实现电路如下所示 由于仿真的原因 图中未用 74LS48 3 灯的交替显示 易知 灯的显示有四种情况 如下表所示 灯的显示是由 74LS74 控制 控制状态信号灯状态车道运行状态 S0 00 主绿 支红主干道通行 支干道 禁止通行 S1 01 主黄 支红主干道缓行 支干道 禁止通行 S3 11 主红 支绿主干道禁止通行 支 干道通行 S2 10 主红 支黄主干道禁止通行 支 干道缓行 其对应的二进制码表示形式如下表 约定高电平为亮 低电平 为灭 控制状态 Q2Q1 主 绿 黄 红支 绿 黄 红 S0 00 1 0 0 0 0 1 S1 01 0 1 0 0 0 1 S2 10 0 0 1 1 0 0 S3 11 0 0 1 0 1 0 由此易得主干道绿灯为 Error 2Error 1 黄灯为 Error 2Q1 绿 灯为 Q2 支干道绿为 Error 2Q1 黄灯为 Q2Q1 绿灯为 Error 2 那么使用一片 74LSO8 就可以实现灯的控制 仿真图如下 4 置数控制 用第三片 74LS161 的 Q0Q1 来控制相应倒计时的置数 如下表所示 控制状态 Q1Q0 主 支高 位 片 D3 D2 D1 D0 低 位 片 D3 D2 D1 D0 S0 00 绿 红 30s 1 1 0 1 0 1 1 0 S1 01 黄 红 4s 1 1 1 1 1 1 0 0 S2 10 红 绿 10s 1 1 1 1 0 1 1 0 S3 11 红 黄 4s 1 1 1 1 1 1 0 0 易知高位片 D3 1 D2 1 D1 S0 S1 D0 1 低位片 D3 Q1 D2 1 D1 Error D0 0 仿真图如下图所示 总体仿真图如下 九 设计过程九 设计过程 1 首先需要将 555 震荡电路连出来以实现脉冲的这部分 因为脉冲 是实现此电路的前提 2 整理设计思路 分模块进行功能设计 然后在 Protues ISIS 上进 行仿真 3 仿真正确 达到实验要求后再搭其余的线路 再进行调试 使七 段显示器能自动的进行相应的红绿灯倒计时 十 遇到的问题及解决方法十 遇到的问题及解决方法 整个设计过程中遇到了很多麻烦及问题 第一 由于面包板有些插孔接触不良 所以每插一个芯片就要 检验保证其与面包板完全接触 此外 面包板上边围的正负接线口 是以三十个单位连通的保证芯片的正常供电 所以要引线将每一行 和列的正负衔接起来 另外 不能出现正或负首尾相接以造成电源 短接的情况 第二 在用 Protues ISIS 进行仿真时 要保证线路一次性接好 拉的线在端口处出现红色小方框后单击才算连通 否则就是断开的 而这时我们肉眼不易发现的 因此 细心很重要 我在搭 555 的时 候 就出现的此种情况 自己检查了好几遍觉得毫无问题 让舍友 帮忙检查也没有任何问题 最后才发现是 7 到 8 管脚的 4 7K 电阻没 接上 第三 设计电路应该模块化 这样一来有两便 一是使得设计 思路清晰 二是利于调试及检查 首先 搭的 555 秒脉冲发生器要 给倒计数及 74LS74 提供 CP 因此它是最基础的东西 其次 就是 用两个 74LS161 级联实现同步模为 29 的倒计时电路 看其是否能 完成这个功能 再者就是 再用一片 74LS161 取其低两位输出端组 成模 4 计数器 把输出拉到对应的 74LS74 的 D1D2 如此一来该 74LS161 与 74LS74 就是同状态的模 4 计数器 先该这片 74LS161 及 74LS74 加秒脉冲 当然要让这两芯片能工作 该接高的接高 该接地的接地 看主跟支干道的亮灯情况是否是自己设计的那样 若跟设计的一样 则用这片 74LS161 来控制高低位片 74LS161 的输 入端 该片 74LS161 的 CP 应由高低位片 74LS161 的输出端 CO 相 与来提供 因为这两片输出均为 1 时 也就是一次灯的倒计时结束 这是灯的状态需要跳变到下一状态 就需要这个 CP 来给该片 74LS161 一个上升沿 实践中出现过第三片 74LS161 明明使能了 却完成不了计数 这是由于芯片接触不良 之后把芯片换了一位置 就好了 十一 总结与分析十一 总结与分析 首先 这次的设计使我更好的理解了实践与理论相结合的重要 性 理论知识是实践的基础 以前总是觉得理论知识很是枯燥 现 在我觉得理论知识必须扎实 其次 一些细小的问题跟一些低级的错误应该引起我的足够重 视 比如没给芯片供电或者接线接错地了 俗话说 吃一堑 长一 智 只有不断总结才能养成严谨的学习作风 再者 设计很少能一次成功的 有了想法进行仿真是必要的 仿真可以实现功能 不一定一次性接线就能好 从检查电路的过程 中我们应该 顺藤摸瓜 哪里出错了就从哪里出发 逐级排查错误 而不是全盘检查 这样耗时而且效果不佳 针对性不强 排查错误 有助于我们更好更深刻的理解我们自己的设计 然后 以前只是知道做电路要尽量避免异步级联 没有理性的 认识 通过这次实习帮助班里同学排查错误时我真正的理解了书里 这样说的意思 譬如做置数模块时 若采用异步级联 将高低位片 的 CO 相与送给第三片 74LS161 的 CP 理论上说两片输出均为 1 时 第三片才有一个 CP 上升沿 可是实际上 低位片跟高位片的 CO 输 出由于差 1S 即低位片 CO 在下降沿时 高位片 CO 刚好是上升沿 这样容易造成两 CO 相与为 1 提前 10S 从而造成置数与灯的状态不 相符 最后 就是本次设计我遇到的最棘手的问题 不过经过思考后 终于克服了这个困难 第一次设计的时候我只用一片 74LS74 做成一 个模 4 计数器 试图用它既控制置数又控制灯的状态 这样的出入 出在了每次倒记数至 00 时 下一状态的灯就亮了 分析得知 这是 由于高地位片输出为 1 时 即计数至 00 时 74LS74 就有了一上升 沿 它就转换至下一状态 即 00 时下一状态灯就亮了 可是 只有 再过 1S 下一状态的数才能置进来 这是由于置数功能需要上升沿 的缘故 也就是说灯和置数不是受同一个 CP 控制 这就是错误原因 所在 我采用的应对方法是用一片 74LS161 对其使能使其能工作 四个输入端均接地 那么其再用一片 74LS161 取其低两位输出端组 成模 4 计数器 把输出拉到对应的 74LS74 的 D1D2 如此一来该 74LS161 与 74LS74 就是同状态的模 4 计数器 给 74LS74 的 CP 直 接接 555 的三端输出 用第三片 74LS161 控制置数 用 74LS4 控制 灯的状态 因为我由灯的表达式可看出其需要的非较多 而 74LS74 恰好有 Q 也有Error 如此一来 灯的状态跟置数都受同一个秒发 生器控制 这样每一的状态开始倒计时时其对应的灯也就亮了 从 而克服了置数与灯变化相差一秒的矛盾 总之本次的实习使我受益匪浅 提高了我对本专业的认识和兴 趣 尽管期间花了过多的时间跟精力做电路和帮同学排查错误 可 我觉得这都是很值得的 十二 参考文献十二 参考文献 1 王锍银编 数字电路逻辑设计 高等教育出版社 西安邮电大学西安邮电大学 数字逻辑课程设计数字逻辑课程设计 过程考核及成绩鉴定表过程考核及成绩鉴定表 学生姓名学生姓名班级班级 学号学号电路 1002 班 05106045 承担任务实验室 单位 承担任务实验室 单位 电路与电子技术基础 教学部 所在部