北京理工大学数字电路-课程设计交通灯控制器预习报告

本科实验报告实验名称： 交 通 灯 控 制 器 课程名称：课程设计II（数字电路）实验时间：第19周任课教师：张延军实验地点：4-333实验教师：田东实验类型： 原理验证 综合设计 自主创新学生姓名：倪正超学号/班级： 组 号：学 院：徐特立学院同组搭档：专 业：徐特立英才班成 绩：课程设计II 交通灯控制器一、实验目的1. 巩固所学数字电路与系统设计知识，学习数字系统设计方法；2. 用中小规模集成电路设计、安装、调试一个小型数字控制系统：交通灯控制器；3. 使用MULTISIM对所设计系统进行仿真；4. 掌握数字系统的调试方法：应该学会用示波器来进行测试。二、实验原理1. 数字系统的概念数字系统是指对数字信息进行存储、传输、处理的电子系统。它的输入和输出都是数字量。通常把门电路、触发器等称为逻辑器件；将由逻辑器件构成，能执行某单一功能的电路，如计数器、译码器、加法器等，称为逻辑功能部件；把由逻辑功能部件组成的能实现复杂功能的数字电路称数字系统。数字系统和功能部件之间的区别之一在于功能是否单一。一个存储器尽管规模很大，可以达到数兆甚至G字节，但因其功能单一，只能算是逻辑部件；而由几片MSI构成的交通灯控制器却可称为系统。数字系统和功能部件之间的区别之二在于是否包含控制电路。一个数字电路，无论其规模大小，只有在具有控制电路的情况下才能称之为系统。2. 数字模块与数字系统的设计思路自顶向下的设计方法自顶向下的设计方法是从整体系统功能出发，按一定原则将系统划分为若干子系统，再将每个子系统分为若干功能块，再将每个模块分成若干较小的模块直至分成多基本模块实现。数字电路与系统设计课程中我们接触到的数字模块有：多路选择器、译码器、计数器、移位寄存器、状态机等等。一个数字系统可看成由若干数字模块组成的。进行设计时可以先将系统分解为若干个子系统（模块），每个子系统完成某一功能。将每个子系统设计完毕后，再由子系统构成整个系统。仿真、安装、调试时可逐个模块进行，再将它们连接起来进行调试。3. 交通灯控制器的原理设计（1）交通灯功能概述交通灯示意图如下所示，其中传感器的作用为判断支路是否有车辆通过（或等候），若支路无车，则主路绿灯常亮。其中主路绿灯时间为TM=16s，支路绿灯时间为TB=12s，黄灯时间为TY=3s，支路传感器信号为VS（支路有车，则VS为高电平）。图1 交通灯示意图（2）交通灯系统框图框图结构如下：图2 交通灯系统的组成框图（左）及实现框图（右）其中，定时器用74LS163计数器，BCD-七段显示译码器用74LS248，驱动电路中的触发器用D触发器，使用双D触发器74LS74。值得注意的是74LS163为加法计数器，但在交通灯控制器中所需要的是倒计时功能，即实现减法计数器，故需将74LS163计数器的输出反相，并采用预置法实现模M计数。（3）交通灯控制器状态图交通灯控制器状态转换示意图如下。（注：在状态图中，TL=1代表主路绿灯时间已倒计为0，TY, TS同；VS=1表示支路有车）。图3 交通灯控制器状态转换图状态方程：从状态方程可以看出，用4-1MUX实现较为简单。状态个数为4，故所需D触发器个数为2，其驱动方程即为状态方程。（4）定时器的设计主路绿灯时间为TM=16s，支路绿灯时间为TB=12s，黄灯时间为TY=3s.在每个状态下所需预置的数不同，列表如下：Q1Q0下一状态持续时间DCBAS000TY 0 0 1 11101S101TB 1 1 0 00100S211TY 0 0 1 11101S310TM 1 0 0 0 00000从表中可得：故采用4-1MUX实现以上逻辑函数较为简单，且实现D，C逻辑函数即可。（5）时钟CLK的发生原理用555定时器构成多谐振荡器，产生频率为1Hz的时钟信号。三、元件清单1. NE555555定时器1片2. 74LS00四 2 与非门 2片3. 74LS04六 非门1片4. 74LS08四 2 与门3片5. 74LS32四 2 或门1片6. 74LS74双 D触发器1片7. 74LS153双 4-1多路选择器2片8. 74LS1634位二进制同步计数器1片9. 74LS248BCD-七段显示译码器1片10. 74LS1383-8 译码器1片11. LED6个12. 七段显示器1或2片13. 电阻、电容、导线若干四、实验内容和主要步骤1. 时钟信号的发生用555定时器构成多谐振荡器，原理图如右图所示，用MULTISIM仿真结果可得其振荡频率为1Hz。图4 时钟信号的发生原理图2. 定时器和控制器的设计图5 定时器和控制器的设计原理图用MULTISIM仿真结果如下：A闭合时（即TS=1，支路有车时），波形图如下：图6 输出波形图（从上至下依次为163输出QDQCQBQA，预置端DCBA，进位ROC，状态Q1Q0）A断开时（即TS=0，支路无车时）仿真结果为Q1Q0=00，与状态图相符。3. 时间显示电路的设计从上波形图可以看出，163为加法计数器，则为实现红绿灯倒计时功能，需在计数器输出端加反相器。同时将输出转换为BCD码，当时，加0110，用加法器实现之，则输入端输入为：其中B3B2逻辑函数的实现可由画卡诺图得到：0000000011110011电路图如下：图7 时间显示电路