课程设计-智能裁判辅助系统设计

沈阳航空航天大学课程设计（说明书）智能裁判辅助系统设计班级学号学生姓名指导教师

沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称数字逻辑课程设计课程设计题目智能裁判辅助系统设计课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标设计一个可应用于智能车大赛的智能裁判辅助系统，技术指标如下：此智能裁判辅助系统可根据要求选择单车圈速计时模式或双车竞速计时模式；单车模式下，利用一组数码管给出单车完成一圈所耗时间；双车模式下，用两组数码管分别给出每车所耗时间，比赛完成后利用一位数码管明确给出胜利车辆信息（如A车胜利显示A，B车胜利显示B）；时间要求精确至0.01秒；赛道开始线与停止线为同一条线，赛车通过开始线开始计时（即智能裁判辅助系统在此存在传感器）；赛车通过停止线停止计时；所有赛车完成比赛后给出声音提示；下次比赛开始前，裁判可手动将智能裁判辅助系统复位；根据智能车大赛要求，车辆通过停止线30CM范围内完全静止，超过30CM范围完成静止的车辆加罚时5秒，因此要求智能裁判辅助系统可以自行完成车辆停止状态监测，对于违规车辆可以自行进行加时处罚，并在其对应所有数码管上显示最终成绩。二、设计要求1．在选择器件时，应考虑成本。2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。三、实验要求1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。2．进行实验数据处理和分析。四、推荐参考资料1.童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：高等教育出版社，2006年五、按照要求撰写课程设计报告成绩评定表：序号评定项目评分成绩1设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）2设计结果可信（例如：系统分析、仿真结果）（15分）3态度认真，遵守纪律（15分）4设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（25分）5答辩（30分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：2016年7月3日一、概述智能车辆作为智能交通系统的重要组成部分，能够提高驾驶安全性，降低日趋严重的交通事故发生率，大幅改善公路交通效率，在某种程度上缓解能源消耗和环境污染等问题。这是一个能够将汽车产业、交通系统和信息产业紧密结合起来的新型领域。在欧州、美国和日本等发达国家，智能车的发展大步向前，国内的实际差距还不是很大，所以一定要抓住机遇来发展智能车产业。目前在我国发展智能车会遇到一些问题，比如高投入、长周期、缺人才、淡理念等等，国内主机厂参与高校的智能车比赛中，实际涉及的核心技术不多，原因之一是主机厂对无人车的技术前景、技术储备认识不足，要解决淡理念的问题，就要深入对智能车的理解。智能车大赛将成为今后推广智能车的一个重要途径。此次课设的要求是设计一个可应用于智能车大赛的智能裁判辅助系统。智能裁判辅助系统的存在，首先可以帮助裁判完成对比赛结果的鉴定，既可以使智能车大赛的比赛公平公正，又不失效率。可以帮助裁判计时，公布结果，以及监测一些车辆的停车状态。给裁判带来方便，今后在实际中可以得到广泛的应用，有着很好的发展前景。考虑到智能裁判辅助系统可以选择单车圈速计时模式和双车竞速计时模式，所以至少需要两组计时器来显示时间。总体分为三大模块：第一先做出计时器系统；第二做出比赛操作系统；第三做出加时处罚系统。做出的仿真图中最核心的就是计时器部分，主要应用了74LS160集成同步十进制加法计数器，可以作为分钟部分和秒钟部分的个位计数，以及毫秒部分的十位和个位计数，也可以通过置数端引入六进制，作为分钟部分和秒钟部分十位计数。时间精确度要求是0.01s，所以要控制好脉冲源的频率，采用555定时器组成的多谐振荡器的输出信号来给计时器电路提供脉冲源是一种较好的选择。比赛操作系统部分主要是通过人为的两组换路开关来表示赛车比赛的开始和结束。手动复位时，使用74LS160引脚的置零端，无论是单车模式还是双车模式，都可以改变该引脚的高低电平信号来进行手动清零。加时处罚部分中，主要是利用74LS183全加器将需要加罚5秒的车辆一圈用时时间增加5秒。这份报告中将详细的说明这三大模块是如何实现的，包括方案的论证，具体的子功能图的设计和性能的测试。最后将实现所有功能。二、方案论证在概述中所提到的三大模块，是做出总电路图的整体思路，在其基础上又添加了一些详细的子功能图。整个系统总体的原理框图如下图1所示：图1智能裁判辅助系统电路的原理框图在所完成电路的仿真图中，这些功能图都能很好的实现，其中，最重要的一大模块就是计时器系统，也是本课设题目的核心部分。智能裁判管理系统是由一些小电路组合起来进而实现整体，这些子功能的原理叙述如下：脉冲产生用555定时器构成多谐振荡器，产生的信号稳定且周期为0.01秒，产生的脉冲信号直接加在毫秒部分74LS160的CLK端即可。555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，使用灵活、方便，性价比比较高。计时器的毫秒部分显示一般是由0~99然后向前一位进1，使用十进制计数器74LS160，同步计数功能，将低位片的进位端接入高位片的ENT,ENT端，低位片每当到9（1001），进1，向前给ENP,ENT传递一个高电平信号，开始计数增加1，此时低位片又从0开始计数，ENP,ENT恢复低电平，输出端保持不变，这样依次变化。再将其输出的二进制数接入译码器74LS47输入端，在输出端接入七段数码管即可显示由0到9。计时器的分钟秒钟部分，秒钟的个位数是由0（0000）到9（1001），向十位进1，十位数是由0（0000）到5（0101）向分钟个位进1，六进制的计数可以通过置数端来实现。分钟部分的十位与个位与秒钟原理相同，只是个位接受了秒钟十位的进位。显示胜利车辆部分，选择了左数第一个数码管显示器来显示胜利车辆（1车或2车）信息，首先比较两车用时时间的长短，使用多位数值比较器74LS85，进行输出端两位二进制数的比较，输出的大于等于以及小于的高低电平信号传递给左数第一个数码管的置数输入端。比赛操作系统部分的单车和双车模式的选择是通过两个换路开关连接脉冲源来控制的计数来实现的，如果选择单车模式就将其中任意一个开关换路到脉冲源电路，则一组数码管开始计数；如果选择双车模式就将两个换路开关都切换到脉冲源电路，则两组数码管都开始计数，当两车都到达终点后，会触发报警系统，蜂鸣器发出声音。比赛操作系统部分的手动复位清零电路是通过74LS160芯片的清零端连接单刀单掷开关再连接VCC，开关闭合时正常计数，开关断开后数码管示数都为0，赛车通过开始线和停止线是由换路开关接脉冲源人为控制其是否进行计数来实现的。加时处罚系统，采用的是全加器74LS183实现两位二进制数的相加。选择将5（当违规时选择5）或者0（未违规时选择0）和计数器的输出端数值相加。判断是否违规时，分别通过两个单刀双掷开关人为来决定。这种全加器电路结构简单，在运算速度要求不高的设备中，这个加法器不失为一种可取的电路。三、电路设计1、脉冲源产生电路脉冲信号发生器是由555定时器组成的多谐振荡器，信号产生后，连接到毫秒部分十位和个位计数器的CLK端。子功能图如图2所示。接通电源后，输出假定是高电平，电容C1充电。充电回路是VCC—R1—R2—C1—地，按指数规律上升，当上升到2Vcc/3时，输出翻转为低电平。Vo是低电平，C1放电，放电回路为C1—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到VCC/3时，输出翻转为高电平，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡。电路的振荡周期T的计算公式为：（1）本次课设需要的周期是0.01s，在公式（1）中将T代入0.01，计算出较为稳定的电阻电容值为：R1=100Ω,R2=20Ω,C1=100μF,C2=0.01μF。图2脉冲信号产生电路2、毫秒部分电路主要使用的芯片为计数器74LS160，它的功能如表1所示。表174LS160功能表图2中脉冲信号产生电路的输出端，接入计数器74LS160的CLK端，为了保证计数器的正常计数，将~CLR（置零端）和~LOAD（置数端）接无效的高电平及电源VCC，数值输出端QD、QB、QC、QA分别接入译码器的D、C、B、A端，具体电路图如图3所示。在图3中，右边的计数器是低位片，输出由0（0000）到9（1001）循环计数，当输出为9（1001）时，RCO进位输出端由低电平跳变成高电平，此时，左边的计数器ENP和ENT端由0跳变成1，CLK同步于右边的计数器，参考表1得知，满足计数条件，在原来数值基础上计数增加，然后低位片又从0000开始计数，RCO跳变成低电平，所以左边的计数器计数只增加1，就继续保持输出的数值，等待下一个RCO的高电平信号时才实现加1。计数器输出的二进制数将通过译码器和数码管，在数码管上显示十进制的数值。可以实现毫秒部分功能，最终显示数值由0~99。与非门的两个输入端接左边计数器输出端的QA和QD，输出端连接了秒钟部分个位CLK端。当左边计数器输出数值达到1001时，A、D与非之后得0，输出端将输出0；当左边计数器输出数值0000到1000时，与非之后得1，输出端一直为0。该输出端为CLK端提供脉冲信号。图3毫秒部分电路3、分钟、秒钟部分电路分钟秒钟部分电路如图4所示，图中的左边两组是分钟部分的十位和个位，右边两组是秒钟部分的十位和个位，分钟部分和秒钟部分原理相似，所以只介绍秒钟部分。秒钟部分个位想要实现从0（0000）到9（1001）的计数，当到达9（1001）时，秒钟十位增加1，十位要从0（0000）到5（0101）计数。这样数码管可以显示到秒钟部分是由0到59，然后分钟部分增加1。图4分钟秒钟部分电路图图3中的输出端接入了秒钟部分个位计数器的CLK端，参考表1计数器的功能表，CLK由0到1跳变（及上升沿到达）时，进行计数，所以每当毫秒十位为9（1001）时，CLK信号会发生跳变，秒钟个位增加1。秒钟个位计数由0（0000）到8（1000）时，个位的与非门输出端一直为1，只有当秒钟个位计数到9（1001）时，十位CLK获得0信号，在0恢复1的过程中，满足获得上升沿计数条件，输出数值增加1。秒钟十位计数由0（0000）到4（0100）时，十位的与非门输出端一直为1，只有当秒钟十位计数到5（0101）时，与非门的输出端跳变成0，也就是其本身的~LOAD端在十位计数0101时，接入了有效的低电平信号，置零，实现了十位由0（0000）到5（0101）的显示。分钟部分的电路与秒钟部分原理相同。分钟部分CLK端和秒钟部分的CLK端、~LOAD端通过或门连接，或门输出端只有在秒钟个位为9（1001）并且十位为5（0101）时，才由高电平跳变成低电平，恢复高电平时CLK会产生上升沿信号，计数器加1，然后等待下一个上升沿信号到来。4、显示胜利车辆信息部分首先比较两组计时器输出数值的大小，子功能图如图5所示，图中左数第二三两片计数器74LS160分别为两辆车计时毫秒部分对应的低位片，将其输出端的二进制数连接到74LS85的两组输入端A（包括A3、A2、A1、A0）与B（包括B3、B2、B1、B0、），比较输出两个二进制数的大小，输出端由上到下分别为大于、等于和小于，关系成立对应输出为1，其余为0。图中的两个换路开关是与计时器部分的监测车辆到达终点同步控制的，表示车是否到达终点。其中，左边一组是开关控制LOAD’端置数，另一组开关控制CLK端脉冲源。左边一组开关，图中的状态时，两路为并联关系，只要有其中任意一路接通，LOAD’都接1，进行正常计数，另一路为串联关系，只有当两个开关都换路到另一边时，LOAD’接0置数。右边一组开关，图中的状态时，CLK端连接的是来自地位片的正常计数信号，只有两个开关同时换路时，才接通时钟脉冲。参考表1，此时满足计时器置数条件：脉冲上升沿到达且LOAD’端接低电平，所以进行置数。显示的胜利车辆信息为1或者是2，显示1车时，输入端DBCA接0001，显示2车时，输入端DBCA接0010。电路中每一辆智能车车用六个数码管来显示其用时时间，所以一共需要六个数值比较器，电路中只连接了一个比较器比较最低位作为原理示范，由于这个电路中总体所用芯片较多，最后运行时，传输延迟时间长，使得计时器部分变化较慢，不易运行，所以我只用了一个比较器来比较毫秒部分的用时时间来代表整个用时时间，如果将六个数值比较器接入电路，原理同一个的相似，只是将输入端依次接入其他几个计时器的输出端，然后依次按照高低位片串行即可。图5显示胜利车辆信息部分电路图5、单双车模式选择功能单双车模式的选择通过一组换路开关人为按键控制，换路开关加在了毫秒部分电路和脉冲产生电路之间。具体子功能图如图6所示。选择单车圈速计时模式时，在图6中，按1键（或者2键）切换到另一路，接通了2车及右侧一组计时器（或者1车）的脉冲产生电路，右侧一组数码管（或者左侧数码管）开始计时，到达一圈时再按1键（或者2键），此时将停止计时，所显示的时间则为智能车行驶一圈所用时间。图6单车、双车模式选择电路图选择双车竞速计时模式时，在图6中，运行之后可以直接进行计时，哪个智能车到达终点按对应的按键即可显示行驶一圈用时时长，1车、2车都到达终点后，两组数码管将显示其对应的时长。这时，蜂鸣器将发出声音。因为另一路将电源通过换路开关接入了与非门串非门的蜂鸣器一端，有并且只有当两个车都到达终点时，与非门的输入端都接入1，输出0，通过非门转换成1，蜂鸣器一端输入高电平信号1，另一端接地，蜂鸣器发出声音，否则任意一个开关换路蜂鸣器都不会工作的。使用与非门接非门，而不直接使用与门，是因为与非之后再非的传输延迟时间要比直接与门的短，提高电路运行效率。6、手动复位操作裁判通过空格键来手动复位，电路图如图7所示。参照表1，该部分的设计主要是使用一个单刀单掷开关将所有计数器的置零端通过开关连接到电源VCC，当开关断开时，置零端接入有效低电平，将计数器置零，所有数码管上显示都为0；当开关闭合时，置零端接入无效高电平，计数器可以进行正常计数。图7手动清零电路图7、加时处罚系统该部分功能图如图8所示。利用一个人为控制的单刀双掷开关来监测车辆的停止状态，当开关处于图中状态时，表示车辆在停止线30cm范围内完全静止，当按键4后，开关换路，将在其该组数码管显示上加时5秒。74LS183芯片为全加器。其真值表如表2所示。实现加5（0101）功能，使用四位全加器串行，组成四位串行进位加法器，如图7所示，最右边为低位片，由右到左依次为高，将B端的四个引脚接入74LS160芯片的输出端，A端的四个引脚的左数第一和三接地，将剩余两个通过单刀双掷开关一路接地一路通过非门再接地。当车辆停车未违规，也就是图中开关的状态，A端的四位二进制数为0000即十进制数的0，与74LS160芯片输出的数相加后不变，传递给译码器进行显示，当车辆停车违规，图中开关换路，A端的四位二进制数为0101即十进制数的5，74LS160芯片输出的数加上5，再传递给译码器进行显示。表2全加器74LS183真值表此部分的电路采用的是强制性选择将数码管加5的显示方式，因为题目中要求显示最终成绩。加的5秒加在秒钟显示部分。图中所用四位串行加法器电路，每一位的相加结果都必须等到地位的进位产生之后才能建立起来，最大的缺点是运算速度慢，在最不利的情况下，做一次加法运算需要经过四个全加器的传输延迟时间才能得到稳定可靠的运算结果，但是考虑到串行进位加法器的电路结构比较简单，选择这种加法器来实现处罚加时部分电路也是较好的。图8加时处罚部分电路四、性能的测试1、脉冲信号产生电路的测试在脉冲信号产生电路的输出端接入一个示波器，观察到的波形如图9所示：图9脉冲信号产生电路的测试图在图9中可以观察到，555定时器构成的多谐振荡器输出端已经输出了方波信号，图中横轴表示时间，单位为ms，纵轴表示电压，幅度为5V。将T1轴和T2轴放在方波相邻两个下降沿上，可以看到下面显示的T2与T1的差值值为10.795ms，即0.0175s。与计算的预期值0.01s相差不多，则该脉冲发生电路可以为毫秒部分提供脉冲信号。2、毫秒部分的测试测试结果如图10所示。由左至右每两个数码管为一组，最右边的一组数码管显示的就是毫秒的计数。由测试结果图可以看到，毫秒部分一已经达到99，如果继续测试，左数第二组数码管示数将增加1变为4，而左数第三组数码管即毫秒计数将变成0。成功实现了毫秒显示功能。图10毫秒测试结果图3、分钟、秒钟测试测试结果如图11所示，由左至右每两个数码管为一组，左数第一组为分钟显示，左数第二组为秒钟显示，左数第三组为毫秒显示。图中的左数第二组数码管已经计时到59，继续仿真之后分钟部分会增加1，示数为2，而秒钟部分会变成00，重新开始循环计数。实现了0~59的循环计数。图11分钟秒钟测试结果图4、显示胜利车辆信息功能和单双车模式功能测试首先进行选择单车圈速计时模式和双车竞速计时模式，通过按键1和2来控制（由于芯片较多，无法正常像秒表速度一样计时）。单车圈速计时模式时，只按1键（或者只按2键）来选择是2车（或者1车）计时，开始比赛后，一组数码管从零开始计时。当到达终点时，按2键（或者1键）数码管即可停止计时，此时该组数码管示数即为智能车行驶一周所用时间，。双车圈速计时模式时，两辆车到达终点后会给出声音提示，而且会通过第一个数码管部分给出胜利车辆信息部分，如图12所示。正面看图的左侧数码管显示为1车用时时间，右侧数码管显示为2车用时时间，1车用时0.14s，2车用时0.37s，1车用时较短，1车胜利，所以在左数第一个数码管上显示了1的信息描述。成功实现了胜利车辆信息的显示。图12双车竞速模式测试结果图5、手动复位操作测试测试如图13所示。主要使用空格键进行手动清零，开关断开后，所有计数器的清零端为低电平信号，所有数码管清零。不管原来数码管显示多少数，都可以很快进行清零复位，闭合后可以继续进行计数。图13比赛操作手动复位测试结果图6、加时处罚系统的测试加时测试如图15所示。图14加时处罚系统测试结果图两车都到达终点，在图2仿真图中，1车到达终点使用了14s，2车到达终点用了37s。然后人为来控制车是否违规，如图14所示，假设1车违规，按键3，然后会发现1车加时5秒，由原来的0.14s增加到5.14s，2车时间不变。如果2车违规的话，按键4，然后会发现2车加时5秒。五、结论本次的数字逻辑电路的课程设计，基本完成了题设所有要求的内容。可根据需要选择单车圈速计时模式或双车竞速计时模式；单车模式下，利用一组数码管给出另外单车完成一圈所耗时间；双车模式下，用两组数码管分别给出了每车所耗时间，比赛完成后利用一位数码管明确给出胜利车辆信息（1车胜利显示1，2车胜利显示2）；时间精确到了毫秒位。在操作系统中，赛车通过开始线开始计时；赛车通过停止线停止计时；所有赛车完成比赛后给出声音提示；下次比赛开始前，裁判可手动将智能裁判辅助系统复位；在违规加罚系统中，符合智能车大赛要求，车辆通过停止线30CM范围内完全静止，超过30CM范围完成静止的车辆加罚时5秒，智能裁判辅助系统可以完成车辆停止状态监测，对于违规车辆可以自行进行加时处罚，并在其对应所有数码管上显示最终成绩。在所完成电路中还存在一些不足之处，第一，芯片使用较多，延迟时间较长，使得电路的计时器无法像秒表一样显示，但是在理论上来说是可以完成秒表的计时的。第二，在实际应用中，开始线处存在传感器，由传感器来监测车辆是否通过开始线以及是否通过停止线，在停止线30cm处继续设置一个传感器，来监测车辆