西安邮电学院数电课程设计13.doc

西安郵電學院数字电路课程设计报告书 题目：交通灯控制系统系部名称：通信工程系学生姓名：胡先莹（11）专业名称：通信工程班 级：通工0502时间：07年12月10日至07年 12月21日交通灯控制器一、任务要求：为了确保十字路口的车辆顺利畅通地行驶，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。 设计一个十字路口交通信号灯控制器，其要求如下：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定时5秒定时20秒定时5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1. 设南北方向的红、黄、绿灯分别为r，y，g；东西方向的红、黄、绿灯分别为R，Y，G，满足图1 的工作流程并且可以并行工作：g（R）r（G），黄灯用于闪烁提示绿灯变为红灯。图1：时序工作流程2. 满足两个方向的工作时序：东西方向红灯亮的时间应等于南北方向黄、绿灯亮的时间之和；南北方向红灯亮的时间应等于东西方向黄、绿灯亮的时间之和。其中东西方向为主干道，绿灯亮30秒，红灯亮20秒，黄灯5秒；南北方向为支干道，绿灯20秒，红灯30秒，黄灯5秒。3. 十字路口要有数字显示装置，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体要求为：当某方向绿灯亮时，置计数器为某一个数值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，进入另一个方向的工作循环。例如：当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为19，并使数显计数器开始减“1”计数，当减法计数到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数码管显示的数值应为4，当减法计数到“0”时，黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数码管的显示为29。二、总体方案：在一个有主次两个干道的十字路口，东西和南北方向各设置一个有红、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。在绿灯变为红灯之前先要求黄灯亮5秒，以便让后来的车辆准备停车。由于主干道车辆较多，所以要求主干道处于通行状态的时间长一些，为30秒；而次干道通行时间为20秒。本次课程设计我的课题是“交通灯控制器”。这个系统的主要功能是：1. 实现红绿灯的交通管制功能；2. 在红绿灯交换的前5秒钟，有亮的黄灯提示司机注意，此时绿灯已灭；3. 可适应主次干道不同的车流量的需要，拟设计主干道的车辆通行时间为30秒，次干道的车辆通行时间为20秒；4. 另有数字倒计时装置，提示司机和行人剩余时间。时钟信号发生器555产生稳定的“秒”脉冲信号，确保整个电路装置同步工作和实现定时工作。两个74LS161级联作为计数器，其输出端通过与非门与74LS48相连，在数码管上实现倒计时。由于输出端输出不变，所以用74LS74控制输入端的输入信号，使其实现模30、模20、模5的转化。而74LS74自身也有一个循环，使74LS161的模值按所需的要求变化。而六个灯由74LS74的输出端通过门电路直接控制。下图为简单的原理图：主干道灯次干道灯译码驱动电路计数器数字显示器 时钟信号主控制器时钟信号发生器产生一个CP脉冲，计数器74LS161接受CP脉冲，实现同步计时。两片74LS161，实现技术功能，并通过非门产生倒计时。计数器的输入端用主控制器实现其模值循环。利用同步置数端，当高位输入为1101、低位输入为0110时实现模30的计数器；当高位输入为1111、低位输入为1011时实现模5的计数器；当高位输入为1110、低位输入为0110时实现模20的计数器。然后主控电路74LS74控制74 LS161的输入端。当74 LS74的输出Q2、Q1（令其为“A”、“B”）为00时实现模30的计数器，此时主干道的绿灯和次干道的红灯亮起来；当AB为01时实现模5计数器，此时主干道的黄灯和次干道的红灯一起亮而主干道的绿灯熄灭；当AB为10时实现模20的计数器，此时主干道的红灯和次干道的绿灯亮起来；当AB为11时实现模5计数器，此时主干道的红灯和次干道的黄灯一起亮，次干道的绿灯熄灭；然后AB再回到00状态，这样就实现了交通灯的循环且实现了主次干道通车时间不同的功能。倒计时显示：十位倒计时显示，将74 LS161的输出端通过非门接入74 LS48，利用它的反码输出在数码管上实现倒计时。在利用74 LS74的输出来控制发光二极管，从而实现红绿灯的变化。这样便实现了该电路的所有功能。交通灯以4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表1所示，控制器应送出主、支干道红、黄、绿灯的控制信号。如下：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，支干道缓行表1 控制器工作状态及功能三、单元电路设计1秒脉冲产生电路通过555芯片按一定的线路接上不同的电阻和电容就可产生周期不同的方波脉冲，即不同的频率脉冲。课程设计需要秒脉冲，利用的2个电容：，2个电阻。 脉冲产生电路图如下：2、计时部分：记时器状态产生模块： 设计要求对不同的状态维持的时间不同，而且要以十进制倒计时显示出来。限于实验室器材本人采用两个74LS161完成计时器状态产生模块设计。要以十进制输出，而又有一些状态维持时间超过10秒，则必须用两个74LS161分别产生个位和十位的数字信号。显然，计数器能够完成计时功能，我们可以用74LS161设计，并把它的cp端接秒脉冲。74LS161计数器是采用加法计数，要想倒计时，则在74LS161输出的信号必须经过非门处理后才能接入数码管的驱动74LS48，而在显示是最好以人们习惯的数字0-9显示计时，故在设计不同模值计数器确定有效状态时，本人以0110-1111这些状态为有效状态。例： 有效状态 0110-0111-1000-1001-1010-1011-1100-1101-1110-1111取非 1001-1000-0111-0110-0101-0100-0011-0010-0001-0000 即 9-8-7-6-5-4-3-2-1-0 a) 实现模10的倒计时。首先对控制个位输出的74LS161设计按要求对系统的状态不同，即红绿灯的状态不同，个位的进制也就要求不同。本人利用系统的状态量Q1,Q2控制74LS161的置数端D0，D1，D2，D3。当系统处在Gr或Rg状态时，个位的进制是十（模10），即逢十进一，当系统处在Yr或Ry状态时，个位的进制是五（模5），即逢五进一，模10时，有效状态为0110，0111，1000，-1111，置D3，D2，D1，D0为0110，模5时有效状态为1011，1100，1101，1110，1111，置D3，D2，D1，D0为1011，由此有，Q1Q2D3D2D1D0000110011011100110111011所以，D3=B D2=B! D1=1 D0=B当状态为1111时，74LS161的状态必须跳到进入下一个循环，此时进位输出为1，我们可以把它的CO非接入置数端LD。再对控制十位输出的74LS161设计同设计控制个位输出的74LS161基本类似，本人用系统状态量Q1,Q2控制十位74LS161的置数端D3，D2，D1，D0。当系统处于Gr状态时置D3，D2，D1，D0为1101，当系统处于Yr或Ry时置D3，D2，D1，D0为1111，当系统处于Rg时置D3，D2，D1，D0为1110，有，Q1Q2D3D2D1D0001101011111101110111111故，D3=D2=1 D1=Q1+Q2 D0=Q1！+Q2同理我们将CO2非接入置数端LD，当计数超过10秒时，个位需向十位进位，此时十位计数，其它时间其保持不变，本人通过控制十位的ENT2,ENP2端实现这一功能，把个位的CO1接入ENT2,ENP2接1，当个位需进位，即完成一次循环，CO1为1，则ENT2=ENP2=1,十位开始计数，其他时刻CO1=0,则ENT2=0,ENP2=1，十位保持。设计时把CO1,CO2的与非接入主控电路的双上升沿D触发器的cp，当完成一次计时，个位和十位同时完成循环，此时RCO1=RCO2=0,（其它时刻为1）cp出现一下降沿，触发器计时，即系统跳到下一个状态，红绿灯转换，计时器开始下一次计时。b) 数字显示模块： 我们用数码管将计时器产生的信号以数字形式显示出来，其中包括接数码管的驱动74LS48。用74LS161实现，由于74LS161的输出端按00011011一直循环下去，所以可以利用QB、QA作为状态输出端。如图4： 图4：状态控制电路倒计时电路： 用 74LS161，74LS48 ， 7404，数码管，电阻。如图5：当每一状态发生变化时，置入的数据将跟着变。数码管显示秒数： 主干道 支干道S0：绿灯 290 红灯（30秒）S1：黄灯 040 红灯（5秒）S2：红灯 190 绿灯（20秒）S3：红灯 040 黄灯（5秒） 图5：倒计时电路3 红绿灯显示电路： 红绿灯显示也是表示电路所处状态，其必然与主控电路的状态一一对应，受到主控电路控制，即主控电路的输出（Q1和Q2）决定了主干道和支干道的红绿灯的亮灭情况。如亮用1表示，灭用0表示，则有，Q1Q2主红(R)主黄(Y)主绿(G)支红(r)支黄(y)支绿(g)00001100010101001010000111100010所以， R=Q1, Y=Q1！Q2 G=Q1！Q2！ r=Q1! y=Q1!Q2 g=Q1Q2我们可以用门电路实现(如与门,与非门,非门等)但是这些电路不稳定,容易出现错误,如果能够用中规模器件的话,我们尽量用中规模器件来实现,因为中规模器件不仅较小规模器件稳定,而且接线也教小规模器件简单.上面红绿灯的状态完全由Q1和Q2控制,我们可以用74LS74双上升沿D触发器来实现.红绿灯接线及主控电路接线如下: 四、总体电路图：图7：交通灯总体电路图五、各单元电路波形图：六、实验仪器设备1 集成电路74LS74 1片，74LS04 2片，74LS00 1片，74LS48 2片，74LS161两片，555 1片, 74LS86 1片, 74LS08 1片。3 电阻 150K 1只，1003只,4.7K1只4 电容 4.7Uf 1只,0.1Uf一只5 发光二极管7只,数码管2只。七、调试过程中的问题：1、第一次画好电路图连接电路时，没注意到面包板的线路是否连通，结果接完一个分支电路却实现不了功能，后来先查发现面包板有一处不连通，问题解决。而后面我也每完成一个分支电路都要用万用表测试一下该单元电路的连通性和正确性，以避免同样的错误再次发生。2、第一次接好电路由于没能结合面包板的连通性，致使最终所的的电路模型相当的杂乱，而且出现了几处错误都不好检查。后来我拆了重连，这次由于有了上次的经验，使得电路的布局大大简化，而且还精简了原电路图，使用的芯片更少，功能更强，结构简单了，检查电路也方便的多了。3、调试电路前，首先要检查一下各个芯片是否完好，我就为了一个坏掉的7474而浪费了2个小时的时间。在调试的时候，我的电路总是在记数的时候发生错误，经检查新片和电路均未有错误，我试着换了一个电源，一切正常，所以电源的稳定很重要，要注意检查。4、由于是在一小块面包板上完成一个集成电路，所以电路的连线比较繁琐，接线的时候要特别注意芯片的管脚，同时注意一下芯片是否插紧，导线是否松弛等等。5、实验中还遇到了其他的一些问题，但最后都在老师或同学的帮助下得到了完美的解决。八、设计分析总结：两周实习，让我锻炼的动手的能力，让我受益非浅。它让我们了解自身知识的局限性。实习就是将理论付之于实践的过程，如何能更好地用自己的知识来实现实验的要求的功能，这不仅看我们所学的知识更重要的是如何运用在实际电路中去。如果一个人的动手能力很差即使理论知识学得再怎么好也只是空谈，这次实验就是很好的说明例子。它留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，不仅要有理论知识而且要有动手的意识与能力。所以在做实验时一定要细心，必须要有耐心，要有坚持的毅力，这是一个艰苦的过程。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上。功能的完善、电路的简便以及设计模块的简洁美观，这些都需要事先计划好的。接线时时先布局好就会达到事半功倍的效果。当然在实验中遇到的问题也很多，这是自己知识掌握得不够牢固及动手实践不够的原因，但是经过努力还是解决了。通过动手，理论与实践的结合使得我们的理论知识更加牢固，也能更好得理解书本知识，这对于数字电路的学习有很大的帮助。在实验中我们遇到很多困难，但通过查资料，请教老师和同学后一一地解决了。在这次两周的学习过程中，我相信一定有很多同学和我有同样的感觉，那就是收获多多。以后我们要面临的挑战会更多，要解决的问题也会更多，我相信只要我们脚踏实地，认真对待总会有办法解决的。 这次实验让我们又一次巩固并复习我们所学的数字电路与逻辑设计这一门课程的知识，也为以后的学习做一个良好的开端。是一次提升自我的实验。经过这两周的实习，我收获最大的就是很好的复习了一下数电所学的内容，同时也提高了自己的动手实践能力，在实践中去检验自己的知识，要比只看书本记得更牢，理解的更深。在连接电路上，我前前后后一共花了一周的时间，中间又拆了重连，虽说电路不复杂，但要把那么多细小的导线一根根按顺序连起来也并非一时半会儿能弄好的，导线要横平竖直，尽量不要交叉，不能从芯片上走线等等，这又给了我一次布线的机会。一个作品完成了，作品的好坏要从作品的质量上看，而质量就从作品（交通灯）的功能性和稳定性来考虑，看它是否达到了设计所要求的目标。这次实习不仅仅是一次动手能力的实践，也是锻炼我们思维能力和意志力的实践，我们从书上学到的是死知识，但通过实习，活跃了我们的思维，也给了我们一个发挥自己创新能力的机会，书本和实践相结合，就是最终的作品。既是动手实践就会遇到各种问题，也会面对重重困难，不畏艰难，知难而进就是我们解决问题的方法。感谢这次实践，感谢给我们安排这次实践的老师，感谢在实习中给予我帮助的老师和同学。九、参考文献：1、数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路 第三版） 王疏银 主编 高等教育出