数子电路课程设计

1、西安邮电学院数字电路课程设计报告书交通灯控制器学院名称：电子工程学院学生姓名：杨城露（08）专业名称：光电信息工程班 级：0901实习时间：2011年12月19日 2011年12月30日交通灯控制器的设计一、课程设计题目与实习目的（1）题目：交通灯控制器（2）实习目的：1掌握时序逻辑电路的设计方法，灵活运用理论知识。2提高学生的数字系统设计能力和实际动手能力。3进一步了解如何将数字电路设计应用到自动控制系统中，从而提高解决实际问题的能力。4为学习和使用计算机打下良好的基础。二、任务和要求一个主干道和支干道所组成的路口，每边都设置红、绿、黄 三个交通灯，主干道车通行30秒，支干道车通行20秒。为

2、了确保十字路口的车辆顺利畅通地行驶，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。通过设计数字逻辑电路，在面包板上模拟交通灯信号控制系统。要求分主干道和支干道，每条道上安装红（主：R,支：r）绿（主：G，支：g）黄（主：Y，支：y）三种颜色灯，由四种状态自动循环构成（GràYràRgàRy）。在交通灯处在不同的状态时，设计以倒计时方式显示的计时器实现倒计时功能提示，并要求不同状态历时分别为：Gr:30秒，Rg:20秒，Yr,Ry:5秒。三、总体方案的选择(1).设计原理因为主干道和

3、支干道的红，黄，绿有以下几种情况：序号主干道支干道1红红2红黄3红绿4黄红5黄黄6黄绿7绿红8绿黄9绿绿但是根据交通灯控制的要求，只有以下四种情况可能出现：状态主干道支干道状态1（00）绿红状态2（01）黄红状态3（11）红绿状态4（10）红黄系统框图：主控电路倒计时系统脉冲发生器数码管显示交通灯相关材料（器件）：序号器件名称数量174LS1613274LS482374LS1391474LS042574LS001655517数码管28电阻59电容2工具：镊子，钳子各一个；数字万用表一台，若干导线（2）.实现方案的选择1.方案一实验原理：通过一个驱动三个计时电路。这时译码电路和数码管只有一个对应

4、的同步显示计时内容。当这个时间段计完后，给状态控制电路输出脉冲。这时状态向后变化一个。同时又通过控制器的输出端控制红绿灯电路，又根据状态确定那个计时器工作。这样就完成了一个计数单元的工作周期。方案总结：优点就是原理上易于实现，因为计数器分为三个，在原理逻辑上更直接。但缺点也很明显，就是浪费了大量的元器件，来重复实现一个模块的功能，这是一种浪费。在工程上是绝不允许的，而且，元器件多了，连接电路时易发生错误。2.方案二 秒脉冲提供电源让计时器工作。计时器的作用是实现30秒、20秒、5秒等三个计时，同时用译码器和数码管组成的显示电路来显示时间。在计完一个时段后计时器发出一个脉冲，驱动状态控制电路，使

5、之状态发生改变。进而红、绿、黄灯亮暗改变，又完成了对计数器的置数。从而进行30秒、20秒、5秒的自动切换。到此一个工作状态结束，进入下一个状态。方案总结：这是对方案一的优化，把三个计数器和而为一，换句话说就是用一个计数器实现三个计数功能。这是利用置数智能的对电路进行计数选择。这样做的好处就是能更好地利用原有电路的元器件和设计模块，使系统高度集成化。如此既能节约成本，又可降低连接时的错误概率。 在置数方面是利用灯的亮暗，会更直接。这完全符合设计思想和工程的设计原则，所以我选择这种方案。3.方案三还有一种方案就是利用循环一个周期的时间。如本实验是60秒，做一个计数器，把它截成四个时间段：30秒、2

6、0秒和两个5秒。这样在整个周期上单独的分离每个状态所需的时间、状态以及红绿灯的变化，进而完成一个周期而循环工作。方案总结：这种方案虽然原理上更简单，但是在实现起来会使用很多的器件。因为在整个时间段上截取，就必须加上状态判断部分。所以这种方案就没有过多的考虑。四 .单元电路的设计时钟信号发生器产生一个CP脉冲，计数器74161接受CP脉冲，实现同步计时。两片74161，实现计数功能，并通过非门产生倒计时。计数器的输入端用主控制器实现其模值循环。利用同步置数端，当高位输入为1101、低位输入为0110时实现模30的计数器；当高位输入为1111、低位输入为1011时实现模5的计数器；当高位输入为11

7、10、低位输入为0110时实现模20的计数器。然后主控电路，74控制161输入端。当74的输出Q2、Q1（令其为“A” “B” ）为00时实现模30的计数器，此时主干道的绿灯和次干道的红灯亮起来；当AB为01时实现模5计数器，此时主干道的黄灯和与次干道的红灯一起亮而主干道的绿灯熄灭；当AB为10时实现模20的计数器，此时主干道的红灯和次干道的绿灯亮起来；当AB为11时，实现模5计数器，此时次干道的黄灯与主干道的红灯一起亮，而次干道的绿灯熄灭；然后AB在回到00状态，这样就实现了交通灯的循环且实现了主次干道通车时间不同的功能。 倒计时显示：十位倒计时显示，将161的输出端通过非门接入48，利用它

8、的反码输出在数码管上实现倒计时。再利用74的输出来控制08与门的输入，而08的输出接发光二极管，从而实现红绿灯的变化。这样便实现了该电路的所有功能。各部分功能的具体说明：1. 时钟信号发生器：通过555芯片按一定的线路接上不同的电阻和电容就可产生周期不同的方波脉冲，即不同的频率脉冲。课程设计需要秒脉冲，利用2个电容，2个电阻，产生稳定的“秒”脉冲（f=1Hz）信号，确保整个电路装置同步工作和实现定时控制。555振荡器产生的矩形脉冲周期为：T = 0.7(R1+R2)C;占空比为：q=(R1+R2)/(R1+2R2);根据这两个公式，选用5.1K的R1、150K的R2及4.7uF的C即可产生占空

9、比为50%的秒时钟信号。2.主控制器用74LS74控制红绿黄灯的实现。根据计时器送来的信号，保持或改变电路的状态，以实现对主、支干道车辆运行状态的控制。Q2Q1主红(AR)主黄(AY)主绿(AG)支红(BR)支黄(BY)支绿(BG)00001100010101001010000111100010灯连接的电路图如下：3. 计时器：设计要求对不同的状态维持的时间不同，而且要以十进制倒计时显示出来。用两个74LS161完成计时器状态产生模块设计。设计思路：要以十进制输出，而又有一些状态维持时间超过10秒，用两个74LS161分别产生个位和十位的数字信号。显然，计数器能够完成计时功能，我们可以用74L

10、S161设计，并把它的时钟cp接秒脉冲。74LS161计数器是采用加法计数，要想倒计时，则在74LS161输出的信号必须经过非门处理后才能接入数码管的驱动74LS48，而在显示是最好以人们习惯的数字0-9显示计时，故在设计不同模值计数器确定有效状态时，以0000，0001，0010-1111这些状态中靠后的状态为有效状态。例如：有效状态10111100110111101111取非 01000011001000010000即 4-3-2-1-0 实现模5的倒计时。在将74LS161改装成其他模值时既可以采用同步清零法，也可采用异步置数法，但0000不可能为有效状态，所以采用异步置数法完成不同模值

11、转化的实现。首先对控制个位输出的74LS161设计按要求对系统的状态不同，即红绿灯的状态不同，个位的进制也就要求不同。用系统的状态量Q1,Q0控制74LS161的置数端D0D1D2D3。当系统处在Gr或Rg状态时，个位的进制是十（模10），即逢十进一，当系统处在Yr或Ry状态时，个位的进制是五（模5），即逢五进一，模10时，有效状态为0110，0111，1000，-1111，置D3D2D1D0为0110，模5时有效状态为1011，1100，1101，1110，1111，置D3D2D1D为1011，由此有，Q1Q0D3D2D1D0000110011011100110111011所以,D3=D0=

12、Q0,D2=Q0 ,D1=1 当状态为1111时，74LS161的状态必须跳到进入下一个循环，此时进位输出为1，我们可以把它的CO非接入置数端LD。再对控制十位输出的74LS161设计同设计控制个位输出的74LS161基本类似，用系统状态量Q0Q1控制十位74LS161的置数端D3D2D1D0。当系统处于Gr状态时置D3D2D1D0为1101，当系统处于Yr或Ry时置D3D2D1D0为1111，当系统处于Rg时置D3D2D1D0为1110，有，Q1Q0D3D2D1D0001101011111101110111111故，D3=D2=1 D1=(Q1Q0) D0=(Q1Q0)同理我们将CO2非接入

13、置数端LD对一些级联的处理当计数超过10秒时，个位需向十位进位，此时十位计数，其它时间其保持不变，当个位需进位，C01变为1，把个位的CO1置入十位的CP2。即完成一次循环，十位开始计数，其他时刻CO1=0，CP2=0，十位保持。设计时把CO1,CO2的分别接入主控电路的ENT端，ENP端。当完成一次计时，个位和十位同时完成循环，此时CO1=CO2=1,系统跳到下一个状态，红绿灯转换，计时器开始下一次计时。30、20、5秒倒计时显示电路：4. 数字显示的实现通过7448与数码管的连接实现数字显示，原理图如下：设计的总体电路图五、调试过程1.第一次画好电路图连接电路时，没注意到面包板的线路是否连

14、通，结果连接完一个分支电路却实现不了功能，后来发现面包板有一处不连通，问题解决。而后面我每完成一个分支电路都要用万用表测试一下该单元电路的连通性和正确性，以免同样的错误再次发生。2.调试电路前，首先要检查一下各个芯片是否完好，我就为了一个坏掉的7474浪费了好长时间。3.在从555接出脉冲时，发现显示灯一直在亮，也就是电路并不像原来预计的那样产生秒脉冲，多次检查电路，并没发现错误。断定是元件位置有错位，于是把两个4.7微法的电容和0.1微法的电容给对换了，秒脉冲就出现了，显示灯一闪一闪的。把555接出的脉冲接到74LS74时，发现状态变化正确，但不稳定，断定接线不牢，重新插接后，故障排除。4.

15、当把灯的部分接上后，发现显示不正常。灯显示的顺序没有错，但是显示的时间并不按设计的那样，红灯偏长，黄灯偏短，检查了电路多遍，完全正确。请教了老师断定是有一个74LS161接入电路可能接触不好，结果把那部分先拔了再接，一切都恢复正常。5.实验中还遇到了其他的一些小问题，但最后都在老师和同学的帮助下得到了完美的解决。六、实验总结经过这两周的课程实习，我收获最大的就是很好的复习了一下数字电路所学的内容，同时也提高了自己的动手实践能力。既然是动手实践就会遇到各种问题，本次实习最大的感触是，做实验遇到问题要有耐心，有毅力，沉着冷静的思考，才会发现问题的根源以及找到解决的途径。特别是在做计数那部分时，计数

16、不正常，我们就很容易出现浮躁。但那时解决不了问题的，认真分析，才是正确的选择。在老师、同学的帮助以及自己的努力下，提前完成了实验，比较圆满，看着自己的作品，甚为欣慰，也更加明白好的结果是靠努力换来的，而解决问题是靠冷静思考的。感谢这次实践，感谢组织我们这次实践的老师，感谢在实践中给予我帮助的所有人！七、参考文献1数字电路逻辑设计 高等教育出版社 王毓银2数字系统设计数字电路课程设计指南 北京邮电学院出版社 高书莉3电子技术实验与课程设计 机械工业出版社 毕满清八、过程考核表和成绩鉴定表西安邮电学院 数字电路课程设计 成绩鉴定表学生姓名 杨城露班级/学号光电0901（08号）承担任务实验室（单位）电路与电子技术基础教学部所在部门电子工程学院实施时间2011年12月19日 2011年12月30日