数字逻辑课程设计报告——交通灯

1、交通灯设计一、红绿灯交通信号系统功能概述红绿灯交通信号系统为模拟实际的十字路口交通信号灯。外部硬件电路包括：两组红黄绿灯（配合十字路口的双向指挥控制）、一组手动与自动控制开关（针对交通警察指挥交通控制使用）、倒计时显示器（显示允许通行或禁止通行时间）。二、任务和要求：1在十字路口的两个方向上各设一组红黄绿灯，显示顺序为其中一方向是绿灯、黄灯、红灯；另一方向是红灯、绿灯、黄灯。2设置一组数码管，以倒计时的方式显示允许通行或禁止通行时间，其中一个方向上绿灯亮的时间是20s，另一个方向上绿灯亮的时间是30s，黄灯亮的的时间都是5s。3选做：当任何一个方向出现特殊情况，按下手动开关，其中一个方向常通行

2、，倒计时停止。当特殊情况结束后，按下自动控制开关，恢复正常状态。4选做：用两组数码管，实现双向倒计时显示。三、设计思路概述：1任务分析：交通灯控制器主要实现两部分功能：东西、南北双向通路的红、绿、黄灯控制；东西向主通路的倒计时显示。另外，在此设计中还实现了紧急情况下的强制中断功能。2. 系统外观示意图：倒计数计时器绿灯黄灯红灯红 黄 绿灯 灯 灯3具体功能分析：此电路为十字路口交通灯控制电路，要求东西向和南北向不能同时出现绿（黄）灯，发生“撞车”现象。即当某一方向为绿灯或黄灯时，另一方向必为红灯。东西向主通路有倒计时显示。设计时序如下：R30sY5sG20s东西向G25sY5sR25s南北向脉

3、冲输出部分计时控制部分数字显示部分彩灯控制部分彩灯显示部分4电路框图设计：说明：脉冲输出部分为555时基芯片构成的多次谐波振荡器，由其产生周期为1s的时钟脉冲信号。计时控制部分主要由两片74LS161（十六进制同步加法计数器）、74LS74（边沿D触发器）及逻辑门电路构成。产生30s、20s和5s的倒计时信号。彩灯控制部分将计时控制部分输出的信号通过逻辑门电路及74LS139（双24线译码器）产生控制信号，控制彩灯按照响应时序显示，并将74LS139的输出信号反馈回计时控制部分实现三种倒计时之间的切换。数字显示部分主要由74LS48（7段显示译码器）、74LS04（反相器）及8段共阴极数码管构

4、成，通过接入计时控制部分的信号实现倒计时显示。四、单元电路设计：1脉冲输出部分：脉冲输出部分为555时基芯片构成的多次谐波震荡器，电路原理图如右：其中器件参数分别为R1=4.7k，R2=150k，C1=4.7F，C2=0.01F。产生的时钟脉冲为周期T=1s的方波。电容C1充电时，暂稳态持续时间为tw1=0.7(R1+R2)C=0.7(150k+4.7k) 4.70.5s电容C1放电时，暂稳态持续时间为tw2=0.7R2C=0.7150k4.70.5s因此，电路输出矩形脉冲的周期为T= tw1tw21s输出占空比为q= tw1/T50%2计时控制部分：通过两片74LS161级联实现最大模值为2

5、56的加法计数功能，用低位片U2的输出口RCO控制高位片U3的使能端ENT，即低位片U2产生进位信号后高位片开始工作。由于主通路（东西向）交通灯时序为红灯30s、绿灯20s、黄灯5s，故此子系统应实现模30计数、模20计数和模5计数间的切换，亦即低位片模值为10105的切换，高位片模值为320的切换。在具体电路实现过程中，采用74LS74芯片控制高位片的数据置入，并利用彩灯控制部分的输出控制低位片数据的置入。由于数字显示部分要求倒计时显示，故置入数据时取数码管相应显示码值的反码，具体数据表格见数字显示部分。在此电路中，开关SW2、SW1分别控制高、低位片的强制置数，当SW2、SW1接低电平时，

6、若SW3接高电平，高位片被强制置入数据1111，低位片通过彩灯控制部分的反馈信号被置入数据1011。此时，将SW2、SW1接高电平，计数开始，进入有效循环前5s的偏离态。当低位片进位后，高、低位片进位端均为1，U9A输出端为1，U6C、U6D输出端为0，即高、低位片LOAD端为0，实现置数功能。高位片置入数据为 D0n+1=D1n,D1n+1=D0nD1n，当高低位片同时产生进位信号，74LS74产生上升沿，即每次倒计时完毕后进行置数。低位片置入数据由黄灯亮灭控制，当黄灯亮时置入数据为1011，黄灯灭时置入数据为0110。计时系统与东西向主通路交通灯亮灭情况真值表如下：低位片（U2）高位片（U

7、3）彩灯D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3D0D1D2D3Q0Q1Q2Q30110模10计数0111模2计数绿1101模5计数1111停止计数黄0110模10计数1011模3计数红3彩灯控制显示部分：彩灯控制部分分两路实现，东西向（主通路）彩灯由于时序与倒计时相同，故不需另加单独的计数电路，只需用门电路和译码器等器件将计数部分中的信号引致彩灯。南北向时序与东西向不同，故另外用一片74LS161控制，具体设计如下：.东西向：计数控制部分高位片的置数端D0、D1分别接到74LS139的A、B端子，其输出端Y1、Y2、Y3分别接红、绿、黄灯。当高位片置入数据为1110，低位片置入数据为0110，即倒计

8、时20s时，74LS139的A、B端分别为0、1，此时输出数据为1011，即绿灯亮。同理，当高位片置入数据为1111，低位片置入数据为1011，即倒计时5s时，74LS139的A、B端分别为1、1，此时输出数据为0111，即黄灯亮；当高位片置入数据为1101，低位片置入数据为0110，即倒计时30s时，74LS139的A、B端分别为1、0，此时输出数据为1101，即红灯亮。.南北向南北向彩灯由东西向彩灯和另一片74LS161（U12）单独控制。U12的ENP、ENT、LOAD全部接高电平，即禁止置数，MR端子接Q0（高）Q1（高）Y1（74LS39）相与的输出。设计思路如下：由时序图可知，当东

9、西向红灯亮且高位片为0，即南北向红灯倒计时至10s时，U12开始计数，当红东西向灯熄灭时计数停止，共计数10s，通过逻辑门电路组合可以实现使其前5s输出为1，后5s输出为0，即后5s时南北向黄灯亮。当10s计时结束后，南北向应变为红灯，而此时东西向先持续5s黄灯后持续25s绿灯，故南北向红灯接东西向黄、绿灯信号相与的结果。U12（74LS161）计数输出与南北向黄灯亮灭真值表如下：U12（74LS161）OUTPUTQ3Q2Q1Q000001000110010100111010010101001100011101000010010101001011011000110101110011110注：

10、OUTPUT=0时黄灯亮；OUTPUT=1时黄灯灭。化简得：OUTPUT=Q0Q1Q2Q3。实现电路如上图所示。南北向绿灯的控制信号为南北向红灯和黄灯的与非，即红灯和黄灯均不亮时绿灯亮。4强制中断系统：当出现紧急情况时，交通灯应具有强制某路通行或中断的功能。在此系统中，如出现紧急情况，断开“紧急中断”开关（见总电路图），即切断CP脉冲输入，计时停止，此时将SW4接高电平，SW5接低电平，东西向强制通行；反之，若将SW5接高电平，SW4接低电平，南北向强制通行。5数字显示部分：由74LS48（7段显示译码器）真值表可知，要实现90倒计时可通过置入0110取反后得到，真值表如下：74LS161（O

11、UTPUT）74LS48（INPUT）CharacterQ3Q2Q1Q0A3A2A1A00110100190111100081000011171001011061010010151011010041100001131101001021110000111111000006.元器件列表：型号名称数量74LS00与非门174LS04非门374LS08与门274LS48七段显示译码器274LS74双上升沿D触发器174LS139双二四线译码器174LS161四位二进制加法计数器3NE555时基芯片1100电阻64.7K电阻1150电阻10.01F电容14.7F电容17段数码管7段数码管2红、绿、黄发光

12、二极管6五、总体电路图：六、电路组装完成后，实际测量的各个单元电路的输入、输出信号波形：电路组装调试完成后，测得各单元电路输入输出如下：1脉冲输出部分：输入：+5V直流电压信号。输出：周期T1s，占空比q=50%的矩形波。2计时控制部分：输入、输出高电平时大于4V，低电平小于0.3V，符合要求，且无逻辑错误。3彩灯控制显示部分：输入、输出高电平时大于4V，低电平小于0.3V，符合要求，且无逻辑错误。4数字显示部分：输入、输出高电平时大于4V，低电平小于0.3V，符合要求，且无逻辑错误。5.重要电路波形：七、实验过程中遇到的问题及解决方法1、时钟信号产生电路连接后不知其是否正常工作。 把万用表调

13、到20V电压档，万用表负极接地，正极接555定时器“3”针脚，芯片通电后，看电压变化是否变化明显，大概在4.7V左右和0.3V左右两个数字变化。2、状态产生电路工作不正常 首先检查芯片供电是否正常，其次检查是否有脉冲信号输入，然后检查级联是否正确，用低位片的进位端“RCO”接高位片的“ENT”“ENP”端，每个芯片的进位端“RCO”取反后接各自置入端“LOAD”，检查置入的数字是否正确，最后用万用表检查输出端电压是否有明显变化。3、数码管不能正常显示 首先检查译码芯片74LS48是否接线正常，然后检查各针脚对应输出是否正确，最后检查数码管接线是否正确。4、数码管七段中某些段不亮 检查接线是否正

14、确，对应针脚电压是否变化八、实验心得及体会通过这两周的课程设计实习，使我感悟最深的是数字电路设计需要的是深厚的知识功底和严谨认真的科学态度。只有对所有的器件（譬如芯片）有很好的了解之后才能去选择正确的器件设计电路。好的电路设计不仅要求正确，而且是最简单的，这里说的最简单不是说要每个器件都要最简单的，如果那样我们也不必去选择器件，只需用门电路就可以设计了，我们要的是对整体电路来讲是最简的，尽量在功能齐全的前提下减少所用器件的数量。另外对于电路本身存在一个安全稳定性问题,所以在面包板上接线时，尽量用一根导线将输出和输入接通，因为导线中间每断一次都是电路的一个安全隐患。当觉得电路设计方案没有问题时就

15、可以在面包板上接线了，这期间不能马虎，一个管脚线接错都可能导致结果出不来。另外，我们还最好是接好一个模块后通电检测，有问题就检查修改电路，直到这一模块正常再对下一个模块接线。布线完成后，80%可能不会一次性成功，接下来就该调试电路，这是一个很重要的环节。结果错误的可能原因有很多，可能是设计本身或是接线问题或接触问题，也可能是所用器件问题。本人在设计过程中发现红绿灯状态与时间显示的状态错位这一异常现象，经过调试，原来我是将两片74161的与接到主控电路触发器的时钟上，当需改变系统状态时，两与为1，出现一个上升沿，而触发器却是下降沿触发，所以红绿灯提前一个状态，当把两的与非接入触发器的时，系统正常。另外，在调试过程