数电课程设计综述

1、2011-2012 学年第二学期数字电子技术基础课程设计学院 材料与能源学院姓名专业班级指导教师 陈国鼎2012 年 6 月 22 日交通灯控制电路设计、设计目的1. 掌握交通灯控制电路的设计、组装与调试方法。2. 熟悉数字集成电路的设计和使用方法。二、设计任务与要求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，主干道亮绿灯时间为30 秒。而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯，支干道亮绿灯 20 秒。3. 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。主干道亮黄灯的时候支道亮红灯，同样，支干道亮黄灯的 时

2、候主干道亮红灯。4. 主干道和支干道分别设置 2组 LED数码管以倒计时的方式显示当前灯亮的 时间。三、原理电路和程序设计（1）方案比较方 案 一 ： 用数字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 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=0

3、。 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个工作状态的定时。主干道信号灯灯电路显示译码驱动时钟信号主控制器3 0 S , 2 S0 计时器图 1 系统的原理框图交通灯控制器（1）主干道绿灯亮，支干道红灯亮。表示主干道上的车辆允许通行，支干 道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔 TL 时，控制器发出状态信号 ST，转到下一 工作状态。（2）主干道黄灯亮，支干道红灯亮。表示主干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，支干道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔 TY时，

4、控制器发出状态转换信号 ST，转到下一工作状态。（3）主干道红灯亮，支干道绿灯亮。表示主干道禁止通行，支干道上的车 辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔 TL 时，控制器发出状态转换信号 ST，转到 下一工作状态。（4）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。表示主干道禁止通行，支干道上位过 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 TY 时，控制器发出状态转换信号 ST，系统又转 换到第（ 1）种工作状态。交通灯以上 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、S

5、2 表示，则控制器的工作状态及功能如表 1、2 所示，控制器应送出主、支干道红、 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： 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 AG=1主干道绿灯亮支干道通行 BG=1支干道绿灯亮支干道通行 AY=1主干道黄 灯亮主干道缓行 BY=1支干道黄灯亮支干道缓行 AR=1主干道红灯亮主干道禁止通 行 BY=1支干道红灯亮支干道禁

6、止通行。如表 1 。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AG=1主干道绿灯亮主干道通行BG=1支干道绿灯亮支干道通行AY=1主干道黄灯亮主干道缓行BY=1支干道黄灯亮支干道缓行AR=1主干道红灯亮主干道禁止通行BY=1支干支干道红灯亮支干道禁止通行表1图 2. 交通控 制灯电路设计如图 1 所示为交通控制电路设计方案图，根 据概述中的设计思想 及方法来实现下图的交通指示灯状态转换图中描述的指示灯的转换

7、及每种状态维持的时间。（2）方 案二 ： 用单片 机技术来 实 现交 通灯 控制采用单 片 机 AT89C51 来 设计 并制 作，这 种 方案 的硬 件较 少，基 本 上 设 计没什么难度，用 单片机来实现交通灯控制是最容易实 现的，而 且该 电路可 靠性 也很 高，但是 这是 要求 设计 者要 有单 片机 编程 的基 础 上才 能完成设计。由于单片机方面的知识还没学 ，故此方案缺乏知识基础。 综上所述，选择方案一。四、整体电路（ 画出必要波形图 ）；741000 6VU92）单元电路设计 ；1）主控制器主控电路是本课题的核心，主要控制 30s、 20s、 5s 三个定时器，它的输出 一方面

8、经译码后分别控制主干道和支干道的三个信号灯， 另一方面控制定时电路 启动。主控电路属于时序逻辑电路，可采用状态机的方法进行设计。，正常工作时，只有 4 种可能，主干道和支干道各自的三种灯（红、黄、绿）即 4 种状态：主绿灯和支红等亮，主干道通行， 主黄灯和支红灯亮，主干道停车， 主红灯和支绿灯亮，支干道通行， 主红灯和支黄灯亮，支干道停车， 启动 30s 定时器，状态为 S0； 启动 5s 定时器， 状态为 S1； 启动 20s 定时器，状态为 S2； 启动 5s 定时器，状态为 S3。四种状态的转换关系如图 5：已过5s未 过 5s未过 30s主绿灯支红灯支红灯支红亮灯S0主黄灯未过主红灯支

9、黄灯支黄亮灯S3主红S2已过 2图0s5 交通支灯绿控灯制状态转换图亮已过 5s未过 20ss本次设计使用 2 个 74LS112JK 触发器表达上述四种状态的分配和转换。它的管 脚图和逻辑功能图如下：2）计时器电路这些计时器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控器的状态的控制。例如 30s计时器应在主控器进入 S0状态（主干道通行）时开始计时，同样 20s 计时器 必须在主控器进入 S2状态时开始计数，而 5s计时器则要在进入 S1或 S3状态时 开始计数， 待到规定时间分别使计数器复零。 设计中计数器可以采用两个十进制 计数器级连成三十进制计数器，为使复零信号有足够的宽度，可采用基本RS触发

10、器组成反馈复零电路。按同样的方法可以设计出 20s 和 5s 计时电路，与 30s 计时电路相比，后两者只是控制信号和反馈信号的引出端不同而已。此次设计采用了 2 个 74HC190D 计数器级连成三十进制计数器来实现计时， 它的管脚图和逻辑功能如下：3）显示译码驱动电路（1）信号灯译码电路 主控器的四种状态分别要控制主、 支干道红黄绿灯的亮与灭。 令灯亮为“ 1”， 灯灭为“ 0”，主干道红黄绿等分别为 R、Y 、G，支干道红黄绿等分别为 r、y、g，则信号灯译 码电路真值表为：表 1 信号灯译码电路真值表输入输出SQ1Q0RYGrygS000001100S101010100S2101000

11、01S311100010由真值表进一步得到各灯的逻辑表达式，为了实现各灯的逻辑表达， 本次设计用了 2 个 74HC08D 实现四个与门功能和 2 个 74HC32D 实现两个 或门功能。2）计时显示译码电路计时显示实际是一个定时控制电路，当 在主支干道各自可通过数码管显示出当前的计数值， 用 BCD 码七段译码器驱动即可 它的管脚图和逻辑功能如下：30s、设计中，使用了20s、5s 任一计数器计数时， 计数器输出的七段数码显示2 个 74LS48D 译码器来实现。74LS48D 是由与非门、输入缓冲器和 7 个与或非门组成的 BCD-7 段译码 器 /驱动器。输出是高电平有效。 7 个与非门

12、和一个驱动器成对连接，以产生可 用的 BCD 数据及其补码至 7 个与或非译码门。剩下的与非门和 3 个输入缓冲 器作为试灯输入端、 灭灯输入 /动态灭灯输出端及动态灭灯输入端。 该电路接受 4 位二进制编码十进制数（ BCD）输入，并根据辅助输入的状态，将这些数据译 成驱动其它元件的码。 LS48 有前、后沿自动灭零控制。当端处于高电平时，试 灯可以在任何时刻去进行。电路并有灭灯输入，可用来控制灯亮度或禁止输出。 LS48 在应用中可以驱动共阴极的发光二极管或灯缓冲器。4）时钟信号发生器电路555 组成的多谐振荡器可以用作各种时钟脉冲发生器， 此次设计就是 555 定 时器构成多谐震荡器，震

13、荡频率为：f=1.43/（R1 +2R2）C电路图如下图：秒脉冲产生器4）说明电路工作原理 ;5）元件选择。元件购买清单如下：74ls112d 174ls08d 174ls32d 174ls04d 174ls190d 274ls48d 25101as 共阴数码管 2 红黄绿三色 LED 6300 欧姆电阻 14 杜邦线、导线 若干 万用板 1NE555芯片 1电容 10uF 、0.01uF 各 1 个2k 电位器 1 个47k 欧姆电阻 6 个四、电路和程序调试过程与结果：1、根据题目的要求，整个交通灯控制系统需要有 2 个时间显示器， 6 个交通信 号灯。2、电路默认把通车时间设为 30 秒

14、，打开总开关，主干道的绿灯亮；支干道的红 灯亮，示波器显示时间为 30 秒；然后黄灯以每一秒的速度闪亮，主干道的绿灯 转换为黄灯，而且黄灯每秒闪一次，其余灯都不变。再过 5 秒后，电路又转换成 预置的 20 秒，主干道的黄灯转换为红灯，支干车道的红灯转换为绿灯。如此循 环下去。具体时间见下图：支干道主干道时间（S）绿灯黄灯红灯绿灯黄灯红灯100001300100015001100200010105.。五、总结本次课程设计让我获益良多， 加强了我的动手， 思考和解决 问题的能力，巩固数字逻辑电路的理论知识， 方案总共只用了九个 芯片，对 1190 计数器更加了解，懂得它的功能与其它芯片替换等 . 使 JK 触发器从书本上的理论知识联系到实际 , 让我更加了解它的功 能. 还有如何利用 555芯片产生秒