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1、一、设计目的.二、设计要求和设计指标 .三、设计内容.3.1 数字钟电路工作原理 .3.1.1 总体设计.3.1.2 秒脉冲发生器.3.1.3 定时器.3.1.4 控制器.3.1.5 译码电路.3.1.6 显示部分.3.2 仿真结果与分析.四、本设计改进建议.五、总结（感想和心得等）.六、主要参考文献 .七、附录.一、设计目的 为了熟悉XX课程,学习 proteus 软件的使用，以及锻炼自主动手能力能力，掌握多功能数字 钟的工作原理，掌握基本逻辑门电路、译码器、数据分配器、数据选择器、数值比较器、触发器、计数器、锁存器、555 定时器等常用数字电路的综合设计方法，熟悉用 Proteus 软件进
2、行数字电路 仿真设计的方法。二、设计要求和设计指标（1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。（2）当主干道允许通行亮绿灯时，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，主干道每次放行 25s、支干道 25s。设计 25s 和 25s 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。三、设计内容 本交通灯设计主要由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路组成。秒脉冲发生器由 NE555 产生脉冲，定时器由 74LS160 实现，控制器由 74LS153 和 74LS74 组成，译码电路采用 7
3、4LS48 和七段数码管来显示。控制器通过 ST 信号对定时器进行控制，从而显示红黄绿灯的转换。设计分 析如下：（1）组装调试秒脉冲电路。（2）进行定时电路的组装和调试。当输人 1Hz 的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增 计时到 25 时，能输电有效的定时时间到信号。（3）调试交通灯控制器以及显示部分。（4）判断各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。3.1 数字钟电路工作原理 用数电电子技术来实现交通灯控制：交通灯控制系统的原理框图如图 1-1 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
4、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=0b TY:表示黄灯亮的时间间隔为 5 秒。定时时间到，TY=1,否则，TY=Q 显示部分仿真结果与分析四本设计改进建议五总结感想和心得等六主要参考文献七附录一设计目的为了熟悉课程学习软件的使用以及锻炼自主动手能力能力掌握多功能数字钟的工作原理掌握基本逻辑门电路译码器数据分配器数据选方法二设计要求和设计指标用红绿黄三色发光二极管作信号灯当
5、主干道允许通行亮绿灯时支干道亮红灯而支干道允许亮绿灯时主干道亮红灯主支干道交替允许通行主干道每次放行支干道设计和计时显示电路在每次由亮绿灯变成亮红器译码显示电路组成秒脉冲发生器由产生脉冲定时器由实现制器由和组成译码电路采用和七段数码管来显示制器通过信号对定时器进行制从而显示红黄绿灯的转换设计分析如下组装调试秒脉冲电路进行定时电路的组装和调试当输人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个工 作状态的定时。图 1-1系统的原理框图 3.1.2 秒脉冲发生器 秒脉冲发生器由 NE555 电路及外围电路组成，其中 R8=15K R9=68K,C3=10uF勺电
6、阻电容值决 定了脉冲宽度。既 T=(R8+2R9)C2In2当 T=1S 即可凑出 R8 R9 C3 其中 C3=0.01uF 是为了保持输 出的波形的稳定。如图 1-4所示，R9=68K、C3=10uF 组成一个串联 RC 充放电电路，在 NE555 的 7 脚上输出一个方波信号，C3 上得到一个三角波。此三角波送到 NE555 的 2 脚输入端。由 NE555 内部的比较器和门电路共同作用，维持 7 脚上的方波信号和 3 脚上的输出方波。图 1-4 秒脉冲发生器原理图 秒脉冲还可以由芯片 CD406C 和 74LS74 及其外围电路构成如图 1-4-4，该电路选用石英晶体结 构成振荡器，在
7、经过分频电路得到秒脉冲。振荡器的频率越高，计时精度越高。如果精度要求不高 也可以采用集成逻辑门与 RC 组成的时钟源振荡器以及由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡 器。因此，该设计选着由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器来产生秒脉冲。图 1-4-4 石英晶体和分频器构成的秒脉冲发生器 3.1.3 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 ST 作用下，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增 1 计数，向控制器 提供模 5 的定时信号 TY 和模 25 的定时信号 TL。计数器选用集成电路74LS
8、160 进行设计较简便。74LS16 0 是 10 进制同步加法计数器，它具有异 步清零、同步置数的功能。74LS160 功能表如表 4-1所示。表 4-1 CLK RD LD EP ET 工作状态 X 0 X X X 置零 显示部分仿真结果与分析四本设计改进建议五总结感想和心得等六主要参考文献七附录一设计目的为了熟悉课程学习软件的使用以及锻炼自主动手能力能力掌握多功能数字钟的工作原理掌握基本逻辑门电路译码器数据分配器数据选方法二设计要求和设计指标用红绿黄三色发光二极管作信号灯当主干道允许通行亮绿灯时支干道亮红灯而支干道允许亮绿灯时主干道亮红灯主支干道交替允许通行主干道每次放行支干道设计和计时
9、显示电路在每次由亮绿灯变成亮红器译码显示电路组成秒脉冲发生器由产生脉冲定时器由实现制器由和组成译码电路采用和七段数码管来显示制器通过信号对定时器进行制从而显示红黄绿灯的转换设计分析如下组装调试秒脉冲电路进行定时电路的组装和调试当输人T 1 0 X X 预置数 X 1 1 0 1 保持 X 1 1 X 0 保持（C=0 1 1 1 1 计数 表中 RD 是低电平有效的同步清零输入端，LD是低电平有效才同步并行置数控制端，EP ET 是计 图 1-3交通灯的 ASM 图数控制端，CO 是进位输出端，D 旷 D3 是并行数据输入端，Q 旷 Q 3 是数据输出端。设计如图 1-5 图 1-5 交通灯定
10、时器 其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲 CLK 分别送给两个 74LS160 的清零端 9 处。如图 所示：输入端分别接地。U1 的 7 和 10 由 U2 的 11、14 经过与门相与后相连。即：只有当时 11、14 处产生一个高电平脉冲时才能触发 U1 中的 14 产生脉冲。当 U13C74LS0的 ST 信号分别送给 U1 和 U2 的LOAD 就可以得到 TY 和 TY 非是秒脉冲的 5 倍；TL 和 TL 非的结果是秒脉冲的25 倍。除此，还可以用 74LS163 来实现这个定时器。但是由于该芯片不是十进制的计数器，因此在进 位时要加上一个与门，设计如下图 1-5-5。因为该
11、电路与 1-5的定时电路多用了一个与门，因此不 选用。图 1-5-5 由 74LS193 构成的定时电路 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 1-6所示。选用两个 D 触发器 74LS74 做为时序寄存器产生 4 种状态，控制器状态转换的条件为 TL 和 TY,当控制器处于 Q1n+1Q0n+壬 00 状态时，如果 TL=0，则控制 器保持在 00 状态；如果，则控制器转换到 Q1 n+1Q0n+丰 01 状态。这两种情况与条件 TY 无关，所 以用无关项X表示。其余情况依次类推，就可以列出了状态转换信号 ST。表 1-6
12、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 Q1n+1、Q0n+1和 ST 为 1 的项所对 应的输人或状态转换条件变量相与，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 74LS153 来实现每个 D 触发器的输入函数，将触发器的现态 值加到 74LS153 的数据选择输入端作为控制信号即可实现控制器的功能 控制器原理图如图 1-7所示。图中 R C 构成上电复位电路。由两个双多路转换器 74LS153 和 一个双 D 触发器 74LS74 组成控制器。触发器记录 4 种状态，多路转换器与触发器配合实现 4
13、 种状 态的相互显示部分仿真结果与分析四本设计改进建议五总结感想和心得等六主要参考文献七附录一设计目的为了熟悉课程学习软件的使用以及锻炼自主动手能力能力掌握多功能数字钟的工作原理掌握基本逻辑门电路译码器数据分配器数据选方法二设计要求和设计指标用红绿黄三色发光二极管作信号灯当主干道允许通行亮绿灯时支干道亮红灯而支干道允许亮绿灯时主干道亮红灯主支干道交替允许通行主干道每次放行支干道设计和计时显示电路在每次由亮绿灯变成亮红器译码显示电路组成秒脉冲发生器由产生脉冲定时器由实现制器由和组成译码电路采用和七段数码管来显示制器通过信号对定时器进行制从而显示红黄绿灯的转换设计分析如下组装调试秒脉冲电路进行定时
14、电路的组装和调试当输人交换。图 1-7 交通灯控制器 其原理为：CLK 分别送给 U6A 和 U6B 的 3 和 11 的清零端。将 TY 接入 U4 的 5 和 U5 的 4 和 5；TY 非接入 U4 的 4。如上图所示：74LS74 两个 D 触发器作为时序寄存器产生 4 种状态。选用数据选 择器 74LS153 来实现每个 D 触发器的输入函数，将触发器的的现态值加到 74LS153 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 6 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
15、如表 1-8所示。表中 A、B 代表 甲、乙车道。表 1-8 控制器状态编码与信号灯关系表 Q Q 0 AG 绿灯 AY 黄灯 AR 红灯 BG 绿灯 BY 黄灯 BR 红 灯 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 由秒脉冲发生器产生了周期性变化的 CLK 脉冲，一部分送给了定时器的 74LS160 芯片，另一 部分送给了控制器的 74LS74 芯片。在脉冲 ST 同时加到定时器 74LS160 芯片的情况下，通过芯片 74LS10将会输出 TY、TY 非；TL、TL 非。即 TY 和 TY 非放大的结果
16、是秒脉冲的 5 倍；TL 和 TL 非放大的结果是秒脉冲的 25 倍。前者输出的信号是后者的 1/5。将定时器输出的 TY。TY 非;TL。TL 非分别作用于控制器的芯片 74LS153 中，在 CLK 脉冲置于芯片 74LS74 中会输出高低变化的电 平。控制器中的信号在送给由芯片 74LS08 组成的译码器后再通过电路中的指示灯和 200 欧的电阻 从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。电路图设计如图 1-9 图 1-9译码器部分原理图 显示部分由 74LS48 和共阴极七段数码管组成，74LS48 作为译码器，对 74LS160 的输出信号进 显示部分仿真
17、结果与分析四本设计改进建议五总结感想和心得等六主要参考文献七附录一设计目的为了熟悉课程学习软件的使用以及锻炼自主动手能力能力掌握多功能数字钟的工作原理掌握基本逻辑门电路译码器数据分配器数据选方法二设计要求和设计指标用红绿黄三色发光二极管作信号灯当主干道允许通行亮绿灯时支干道亮红灯而支干道允许亮绿灯时主干道亮红灯主支干道交替允许通行主干道每次放行支干道设计和计时显示电路在每次由亮绿灯变成亮红器译码显示电路组成秒脉冲发生器由产生脉冲定时器由实现制器由和组成译码电路采用和七段数码管来显示制器通过信号对定时器进行制从而显示红黄绿灯的转换设计分析如下组装调试秒脉冲电路进行定时电路的组装和调试当输人行译码
18、，然后通过七段数码管显示出 74LS16 0 的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计如图 1-9 图 1-9 由 74LS48 和数码管组成的电路 3.2 仿真结果与分析 最终调试如下：接上电源,便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为 25 秒，甲车道方 向绿灯亮，行人车辆都可自由通行；乙车道方向车道的红灯亮，车辆禁止通行。时间显示 器从预置的 0秒，以每秒增 1，增到 25 到 0 时，甲道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。从增至 5 秒又到 0 后时甲车道的黄灯转换为红灯；乙车道的红灯转换为绿灯。如此循环下 去。仿真结果如下：四、本设计改进建议 交通灯的状态转换和计时时间的显
19、示，基本能实现甲、乙道路直行的显示功能。但交 通灯中没有右转灯，用的器材太多，计时显示不是倒数计时。五、总结（感想和心得等）开始拿到题目的时候，不知道怎么去做,因为自己对这门课的设计都不是很会，对很多 器材的功能都不是很清楚，所以做得特别认真。从收集资料到设计电路再到仿真一共用了 三天的时间。连接仿真电路一共用了一天多的时间才做好。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，虽然花了很多的时间，但学到了很多东西。做课程设计的时候,自己把整个书本都看了几遍，再加上查阅相关资料和询问老师及同学，增强了自己对知识的理解，很多不是很懂的问题 现在都已经一一解决了。在课程设
20、计的过程中，我想了很多种方案，对同一个问题（像计数 器的接法）都想了很多种不同的接法，最后还是采取了最后选择的这种方法进行连接。熟悉 了仿真软件的使用，培养了我对数字集成电路应用方面的综合实践技能，掌握综合运用理 论知识以解决实际问题的能力。通过电路设计、安装、调试、整理资料、答辩等环节形成 独立思考问题的能力，并培养了我的创新能力和自主学习的能力：如查阅资料、懂得如何 根据需要选择器件显示部分仿真结果与分析四本设计改进建议五总结感想和心得等六主要参考文献七附录一设计目的为了熟悉课程学习软件的使用以及锻炼自主动手能力能力掌握多功能数字钟的工作原理掌握基本逻辑门电路译码器数据分配器数据选方法二设
21、计要求和设计指标用红绿黄三色发光二极管作信号灯当主干道允许通行亮绿灯时支干道亮红灯而支干道允许亮绿灯时主干道亮红灯主支干道交替允许通行主干道每次放行支干道设计和计时显示电路在每次由亮绿灯变成亮红器译码显示电路组成秒脉冲发生器由产生脉冲定时器由实现制器由和组成译码电路采用和七段数码管来显示制器通过信号对定时器进行制从而显示红黄绿灯的转换设计分析如下组装调试秒脉冲电路进行定时电路的组装和调试当输人等。六、主要参考文献 1 数字电子技术基础教程，阎石 主编，清华大学出版社 2 康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，1999年 3 罗杰等编.电子技术基础试验.北京：高等教育出版社，2008 年
22、4 金唯香等编.电子测试技术.长沙：湖南大学出版社，2004 年 七、附录 总原理图如下所示：显示部分仿真结果与分析四本设计改进建议五总结感想和心得等六主要参考文献七附录一设计目的为了熟悉课程学习软件的使用以及锻炼自主动手能力能力掌握多功能数字钟的工作原理掌握基本逻辑门电路译码器数据分配器数据选方法二设计要求和设计指标用红绿黄三色发光二极管作信号灯当主干道允许通行亮绿灯时支干道亮红灯而支干道允许亮绿灯时主干道亮红灯主支干道交替允许通行主干道每次放行支干道设计和计时显示电路在每次由亮绿灯变成亮红器译码显示电路组成秒脉冲发生器由产生脉冲定时器由实现制器由和组成译码电路采用和七段数码管来显示制器通过信号对定时器进行制从而显示红黄绿灯的转换设计分析如下组装调试秒脉冲电路进行定时电路的组装和调试当输人