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1、数字电子技术课程设计实验报告书课程名称：数字电子技术 课题：交通灯定时控制系统学生姓名：杜康华学号： 2009550619 班级：2009级通信工程一班指导教师：王永才2011年11 月交通灯控制电路设计一、设计目的1. 掌握、训练数字系统的综合设计方法；以及对各基本电路的功能运用和测试方法。2. 学习掌握各个基本电路之间级连和应当注意的事项；熟悉各基本电路的输入与输出应满足的条件。正确阐述电路中各参数的意义。3. 学会在数字系统中正确使用数字集成电路。学会查阅、读懂数字集成电路手册。二、设计指标设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运
2、行，每次通行时间都设为25秒。（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。选做扩展功能：（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数；（5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在099s内任意设定。三、总体框图设计1.总体框图交通灯控制系统的原理框图如下图所示：定时器甲车道信号灯 TL TY ST译码器控制器乙车道信号灯 图1 交通灯控制系统原理框图它主要由控制器、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，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系
3、统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中：TL ：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则TL=0。TY ：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。ST ：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一个工作状态的定时。2. 画出交通灯控制系统的ASM（算法状态机）图一般十字路口的交通灯控制系统的工作状态及其功能如表1： 表1控制器状态信号灯状态车道运行状态S0(00)S1(01)S3(11)S2(10)甲绿，乙红甲黄，乙红甲红，乙绿甲红，乙黄甲车道通行，乙车道禁止通行甲车道
4、缓行，乙车道禁止通行甲车道禁止通行，乙车道通行甲车道禁止通行，乙车道缓行控制器应送出甲、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：AG=1：甲车道绿灯亮；BG=1：乙车道绿灯亮；AY=1：甲车道黄灯亮；BY=1：乙车道黄灯亮；AR=1：甲车道红灯亮；BR=1：乙车道红灯亮。由此得到交通灯的ASM图，如图2所示：AR BYSTAG BR01TYTL010011STTLAR BGSTTYAY BRST图2交通灯控制系统的ASM图四、功能模块设计1. 定时器定时器应与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态转换信号ST作用下
5、，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行加1计数，向控制器提供5秒的黄灯定时信号TY和25秒的红灯或绿灯定时信号TL。图一 秒脉冲产生电路 图二 计数电路 秒脉冲产生电路图一为秒脉冲产生电路，其中CP由秒脉冲提供，ST由控制器提供，秒脉冲和计数器构成定时器。秒脉冲是此系统中的标准时钟信号，秒脉冲是由555定时器和电阻、电容等构成的多谐振荡器，由于在Multisim中进行系统仿真时时间很慢，故应把多谐振荡器的频率取得尽可能的高一点，以方便检查电路。取R1=R2=40k，C1=C2=0.01F，由电容的充放电可知(1)充电时间：T1=0.7(R1+R2)C2=0.7*(40k+4
6、0k)* 0.01F=5.610-4s， (2)放电时间：T2=0.7*R2*C2=0.7*40k* 0.01F=2.810-4s，(3)故其周期为：T=T1+T2=8.410-4s秒脉冲可以通过改变电阻和电容以改变其振荡周期，由于在Multisim中进行系统仿真时时间很慢，故应把多谐振荡器的频率取得尽可能的高一点，以方便检查电路。 计数电路图二为计数器的基本电路，计数器选用74LS160进行设计。74LS160是4位十进制同步计数器，它具有同步清零，同步置数的功能。74LS160的引脚如上图；定时器采用两片74LS160计数器来设计。74LS160的功能图如下;计数器可以利用CLR端复位计数
7、或LOAD端置位计数，在TL控制时形成25进制计数，在TY控制时形成五进制计数。在实际应用中，TL和TY通过控制器产生ST信号以控制计数器的复位或置位，因此计数器在秒脉冲和控制器的作用下，进行两轮计数，分别为25和5，以对整个电路进行定时，在不断电的情况下无限循环2. 控制器控制器是交通管理的核心，应该按照交通管理规则控制信号灯，能够满足控制系统的工作状态进行交通信号灯的状态转换。根据交通灯的工作状态流程图，可以列出控制器的状态转换表，见下表：选用74LS74（双D触发器）构成时序电路寄存器表2输 入输 出现 态状态转换条件次 态状态转换信号 TL TY ST0 00 00 10 11 11
8、11 01 00 X1 XX 0X 10 X1 XX 0X 10 00 10 11 11 11 01 00 001010101它们的输出作为控制器的状态转换的4种状态；控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器的输出状态处于状态时，如果TL= 0，则控制器保持在00状态；如果TL=1，则控制器转换到状态。但这两种情况与条件TY无关，所以用无关项“X”表示。同理可以推出其他几种情况的关系状态。同时根据交通灯的控制器状态转换表，可以推出方程和转换信号方程；即将控制器的输出状态、和ST为1的项所对应的输入或状态条件变量相与，其中“1”用原变量表示，“0”用反变量表示，然后将各与的项再相或，即有：根据
9、以上三个方程，我们选用4选一数据选择器(74LS153)来实现74LS74中两个D触发器的输入函数，将触发器的初始状态值、加到74LS153的数据选择端作为控制信号，这样即可实现控制器的功能。设计中考虑到上电（打开电源开关时）自动复位的问题，这里可以用R、C构成。 图三 置零端电路其中74LS153的功能表如下左 74LS74的功能表如下右 控制器的逻辑图如下：3. 译码器译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态翻译成甲、乙车道上的6个信号灯的工作状态。控制器的状态编号与信号灯控制信号之间的关系如表3所示。 表3Q1Q0AG AY ARBG BY BR000111101 0 0
10、0 1 00 0 10 0 10 0 10 0 11 0 00 1 0五、总电路图设计1. 系统电路 图四 总电路图交通灯整个控制点电路是由秒脉冲、计数器、控制器、声响点路组成，其中主干道和支干道的交通灯如图所示，D触发器和计数器的时钟信号均有系统中的标准时钟秒脉冲提供，为了提高电路的驱动能力同时消除电路的时间延迟，D触发器的时钟信号还要通过一个非门连接，整个控制电路的核心为控制器：其由D触发器和74LS153译码器组成，其输入输出有以下三个方程决定。2. 电路的工作原理分析设控制器的初始状态为Z0=00，主道绿，支道红，主道车通行，行人禁止横穿；支道禁止车通行，行人可横穿；当Z0的持续时间小
11、于25秒时，TL = 0，控制器保持Z0状态不变。当Z0的持续时间等于25秒时，TL = 1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z1=01，主道黄且其闪烁，人行道上的报警器随黄灯的变化而响鸣，支道红，主干道车缓慢行驶，支干道车禁止通行，行人准备通行；黄灯时间5秒到时TY = 1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z2=11，主道红，支道绿，主道禁止车通行，行人可横穿；支道车通行，行人禁止通行当绿灯亮足25秒，TL = 1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z3=10，主道红，支道黄闪烁，人行道上的报警器随黄灯的变化而响鸣，主干道车禁止通行，支干道车缓慢行驶，
12、行人准备通行；当五秒到时，TY = 1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z0=00，按照这种判断、分析，将这四种状态的转换无限循环（不断电的情况下）。六、实验仪器和元件1. 实验设备示波器、可调电源发生器、脉冲发生器、镊子、小剪刀，万用表等2. 使用元器件l 集成电路芯片：74LS160 2片；74LS48 2片；74LS00 2片；74LS04 2片； 74LS02 1片；74LS153 2片；74LS74 2片；74LS138 1片；l 电阻、电容：47K 2个；0.01uf 2个；3. 其他七段共阴极数码管2个；导线若干； 七、实验心得体会在用的长达一周的时间后，终于将数电
13、课程设计给攻克了。在刚开始拿到课题时，感觉很困难，看到给出的芯片型号，对很多芯片的功能都不是很清楚，数电课上学的东西很多都忘记了，唯一值得欣慰的我对Mutilsim软件玩的还算多，不用花时间去熟悉软件。通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。现在设计已经做好了,自己感觉还是比较好的，花了很多的时间,但学到了很多东西，而且可以顺便复习了数字电子技术基础这门课程，增强了自己对知识的理解,很多以前不是很懂的问题现在都已经一一解决了。在课程设计的过程中，同样也遇到过一些问题。仿真时数码管没显示或者报错，在查资料后给它加上上拉电阻后就可以正常工作了；在仿真图仿真成功的基础上去焊板子时，结果
14、无法达到理论效果后，按着原理图连线用万用表一根根去测试，再次没有效果后就更换了芯片后实验取得成功，这种情况很多同学都有。这个问题暴露了一个问题，我们很多人都没有检查芯片或者数码管好坏的习惯，一定要等到最后没出结果才会想到可能是芯片出了问题，芯片检查有时是一个设计的非常关键的一步，这不可以忽略。这次的实验也是对我综合能力的一次锻炼。从最初的构图，到最后的焊接电路板，然后检查电路，这一路让我学到了很多课堂上学不到的东西，掌握了本专业的一些专业技能，第一次有了解决实际问题的经验，同时也让我明白了做任何事都要认真的去做，不然的话，你会花更多的时间去做好。本次设计也让我认识到了理论联系实际的重要性，实践才能真正的考察你的能力，我们学习始终是要运用到实际的。我认为这次实习不仅仅学习了软件知识，还提高了我们专业素质同时也丰富了我们的业余生活,提高我们对知识的理解能力。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。