湖南文理学院课程设计报告

1、湖南文理学院课程设计报告课程名称：数电课程设计系部：电气工程系专业班级：学生姓名：李辉指导教师：王 丽 娟完成时间：年月日报告成绩：评阅意见：评阅教师日期目录一、 课程设计目的及要求 二、 设计原理与参考电路 三、 调试过程中出现的问题及解决方法四、 心得体会及建议五、 参考文献2 / 13交通信号灯控制器一、 课程设计目的及要求. 设计目的数字电子电路是中央电大理工科开放专科电子信息技术专业必修的技术基础课。该课程不仅具有自身的理论体系且是一门实践性很强的课程。 本课程的任务是解决电子技术入门的问题， 使学生掌握数字电子电路的基本工作原理、 分析方法和基本技能，为深入学习后续课程和从事有关电

2、子技术方面的实际工作打下基础。数电的鲜明特点是强调实践性教学， 注重工程素质培养和专业基本训练。 因此加强实践环节和实验课改革， 是数电课程建设的重要任务之一。 实践是学习电子线路知识和培养电子线路能力的最有效的途径， 实验是对理论学习的强化和补充。国外许多学校电子线路的教学重点在实验室而不在教室， 国内许多学校加强实验采取实验单独设课，这些做法都是有益的。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状， 结合实验阐述了交通灯控制系统的工作原理，设计出一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。. 设计要求设计一个十字路口的交通灯控制电路， 要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，甲车

3、道（主干道）放行秒，乙车道（支干道）通行时间为秒；在每次由绿灯变成红灯的转换过程中间， 要亮秒的黄灯作为过度， 以使行使中的车辆有时间停到禁止线以外；由于主干道车辆较多而支干道车辆较少， 所以主干道处于常允许的状态， 而支干道有车辆来时才允许通行。 当主干道允许通行亮绿灯时， 支干道亮红灯。 而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯。二、设计原理与参考电路分析系统的逻辑功能，画出其框图3 / 13交通灯控制系统的原理框图如图所示。 它主要由控制器、 定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。 秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号， 经驱动电路后驱

4、动信号灯工作，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。图中：: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，否则，。：表示黄灯亮的时间间隔为秒。定时时间到，否则，。：表示定时器到了规定的时间后， 由控制器发出状态转换信号。 由它控制定时器开始下个工作状态的定时。甲车定时器道 信号灯秒脉冲发生译码器器控制器乙车图道信号灯（）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮满规定的时间隔时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。（）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通

5、行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮满规定的时间间隔时， 控制器发出状态转换信号， 转到下一工作状态。（）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。 黄灯亮满规定的时间间隔时，控制器发出状态转换信号，系统又转换到第（）种工作状态。4 / 13交通灯以上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、，并分别用、表示，则控制器的工作状态及功能如表所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯

6、的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：（ 1） 图甲车道绿灯亮， 乙车道红灯亮。 表示甲车道上的车辆允许通行， 乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔时， 控制器发出状态信号， 转到下一工作状态。（）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔时， 控制器发出状态转换信号， 转到下一工作状态。（）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通

7、行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行， 已过停车线的车辆停止通行， 已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔时， 控制器发出状态转换信号， 系统又转换到第 （）种工作状态。交通灯以上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、，并分别用、表示，则控制器的工作状态及功能如表所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：表 控制器工作状态及功能控制状态信号灯状态车道运行状态（）甲绿乙红 甲车道通行，乙车道禁止通行（）甲黄乙红 甲车道缓行，乙车道禁止通行（）甲红、乙绿甲车道禁止通行，甲车道通行（）甲红，

8、乙黄甲车道禁止通行，甲车道缓行甲车道绿灯亮乙车道绿灯亮甲车道黄灯亮乙车道黄灯亮甲车道红灯亮5 / 13乙车道红灯亮、逻辑总图如所示图交通灯控制电路总逻辑图、单元电路的设计（）秒脉冲发生器秒脉冲发生器由电路及外围电路组成，其中的电阻电容值决定了脉冲宽度。图秒脉冲发生器原理图6 / 13如图所示，、组成一个串联充放电电路，在的脚上输出一个方波信号，上得到一个三角波。此三角波送到的脚输入端。由内部的比较器和门电路共同作用，维持脚上的方波信号和脚上的输出方波。（）定时器定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号作用下， 首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下， 计

9、数器从零开始进行增计数，向控制器提供模的定时信号和模的定时信号。计数器选用集成电路进行设计。是位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。其功能表如表所示。图中，是低电平有效的同步清零输入端，是低电平有效才同步并行置数控制端， 、是计数状态选择端，是进位输出端，是并行数据输入端， 是数据输出端。表功能表其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲分别送给两个的清零端处。如图所示：输入端 3.4.5 分别接地 . 。的和与的相连。 . 即：只有当时处产生一个高电平脉冲时才能触发中的产生脉冲同时和中的下作用产生脉冲。在中共同作用下将信号分别送给和的。可以得到和非是秒脉冲的倍；和非的结果是秒脉冲

10、的7 / 13图定时器部分的工作图（）控制器控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。列出控制器的状态转换表，如表所示。选用两个触发器、做为时序寄存器产生 种状态，控制器状态转换的条件为和， 当控制器处于 状态时，如果 ，则控制器保持在状态；如果，则控制器转换到 状态。这两种情况与条件无关，所以用无关项 表示。其余情况依次类推， 同时表中还列出了状态转换信8 / 13号。控制器原理图如图所示。图控制器原理图表 控制器状态转换表根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将、和 为的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中 用原变量表示， 用反变量表示，

11、9 / 13然后将各与项相或，即可得到下面的方程：根据以上方程，选用数据选择器来实现每个触发器的输入函数，将触发器的现态值加到的数据选择输入端作为控制信号即可实现控制器的功能。 图中、构成上电复位电路。控制器原理图如图所示。由两个双多路转换器和一个双触发器组成控制器。触发器记录种状态，多路转换器与触发器配合实现种状态的相互转换。其原理为：分别送给和的和的清零端。将接入的和的和；接入的。如上图所示：。两个触发器作为时序寄存器产生种状态。 选用数据选择器来实现每个触发器的输入函数， 将触发器的的现态值加到的数据选择端作为控制信号， 即可实现控制器的功能。（）译码器译码器的主要任务是将控制器的输出、

12、 的种工作状态， 翻译成甲、 乙车道上个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表所示。表中、代表甲、乙车道。控制器状态编码与信号灯关系表10 / 13图译码器部分原理图由秒脉冲发生器产生了周期性变化的脉冲，一部分送给了定时器的芯片，另一部分送给了控制器的芯片。 在脉冲同时加到定时器芯片的情况下， 通过芯片将会输出。；。即和放大的结果是秒脉冲的倍；和放大的结果是秒脉冲的倍。前者输出的信号是后者的。将定时器输出的。；。分别作用于控制器的芯片中，在脉冲置于芯片中会输出高低变化的电平。 控制器中的信号在送给由芯片组成的译码器后再通过电路中的指示灯和欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电

13、路， 这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。四、调试过程中出现的问题及解决方法电路图设计出来后， 接下来的工作变是仿真实验操作， 按图接好后开始验证设计电路的准确性，也就是进行调试。刚开始的时候， 电路没有反应， 根本不能实行灯的控制功能， 找过来几个同学，但是都没有解决问题，看上去电路实在没怎么出错，但就是有错误找不出。于是无奈之下跑到图书馆借了相关的参考书，看了好半天也没得到结论。 正当我11 / 13焦头烂额之时，老师发现了我的一出错误：芯片管角接错了。我摸着头，这才发现错误原来这么简单， 自己竟然没找出来， 不过我很快反应过来， 找到了解决的办法：找来了书进行参考。完成了第一个调

14、试任务后， 我又发现，红绿灯的控制不是太符合要求。 当然，理论上错误应该出在设计思路。 于是我很自然的想到查看自己的思路有没有不对的地方，但令我失望的是理论上再也找不出错误。仔细看着图，思索良久，老师讲过逻辑电路的“型”冒险与“型”冒险，那么说问题可能出在通电由于不稳定竞争导致电路瞬间出现逻辑错误，后来证实确实是这样，解决办法如下：代数法消除冒险；卡诺图法消除冒险；加选通门；加吸收电容。最后还面临了一次调试，那就是电路不稳定所引起的灯忽暗忽明。解决的办法就是尽可能的选取直流稳压电源稳定性能好的， 再就是选择干扰信号少一点的环境来做。四、心得体会及建议选题过程：指导老师经过充份的思考和考虑我们的

15、学习情况以及个人兴趣等等，建议我们选定了“ 交通灯控制电路 ”这个题目。这题目可以让我们认识和学习软件这方面知识查找教材，资料，相应软件，为了这次课程设计，我们在图书馆查找了大量的相关资料，终于被我找全了和本次课程设计相关的不懂问题。根据所分析的系统的电路原理图， 结合系统的设计要求， 在环境下进行元器件之间的连线和编译与仿真，及时检查元器件的放置、连线是否有错误。根据交通灯系统的控制要求， 经过实验，排除所有实验中的错误并实现了预定的功能。在老师的指导下， 通过学习交通灯系统控制器的设计的实验，学习一种设计电子的软件，增加了我们对电子设计的了解。随着电子自动化技术的不断发展，通过电路设计来制

16、定其芯片的内部功能，所用到的就是可编程器件。 可编程器件其功能之卓越和成熟已经令当今的电子工程师们赞叹不已，它不但容量大， 更突出的是其芯片的在系统可编程技术。也就是技术，技术打破了产品开发时必须先编程后装配的惯例，而可以先装配后编程。技术使得系统内硬件的功能象软件一样被编程配置，可以说可编程器件真正的做到了硬件的“软件化”自动设计，这就是当今的电子设计自动化技术。可以毫不夸张的说由于可编程器件的出现，传统的数字电路设计方法和过程得到了一次革命和飞跃。通过这次课程设计我们对于技术多多少少有了一些了解， 技术发展迅速， 有着广阔的应用前景，设计面广，内容丰富，它用软件的方法设计硬件；用软件方式设

17、计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；在设计过程中可用有关软件进行各种仿真；系统可现场编程， 在线升级； 整个系统可集成在一个芯片上，体积小，功率低，可靠性高。技术以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方法，以计算机， 大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件， 自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译，逻辑化简，逻辑分割，逻12 / 13辑综合及优化，逻辑布局布线，逻辑仿真，直至特定目标芯片的适配便宜，逻辑映射，编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。其中大规模可编程器件是利用技术进行电子系统设计的载体， 硬件描述语言是利用技术进行电子系统设计的主要表达手段， 软件开发工具是利用技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具， 实验开发系统则是利用技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。此次实验不但提高了我们实践的能力和理论水平， 而且对于我们认识掌握各种操作技巧具有重大意义， 使我们的综合素质得到了很大的提高。 当然，通过这次实习，对我的影响远不只以上这些， 它对我在以后的学习和生活中将会起到不可估量的作用。 因此，学校安排的这次课程设计的目的显然会在我们这些