数字电子技术课程设计报告(杜)

数字电子技术课程设计实验报告书课程名称：＿＿＿数字电子技术＿＿＿＿课题：＿交通灯定时控制系统＿学生姓名：＿＿＿＿杜康华＿＿＿＿＿学号：＿＿＿2009550619＿＿＿班级：＿2009级通信工程一班＿＿指导教师：＿＿＿＿王永才＿＿＿＿＿2011年11月交通灯控制电路设计一、设计目的1.掌握、训练数字系统的综合设计方法；以及对各基本电路的功能运用和测试方法。2.学习掌握各个基本电路之间级连和应当注意的事项；熟悉各基本电路的输入与输出应满足的条件。正确阐述电路中各参数的意义。3.学会在数字系统中正确使用数字集成电路。学会查阅、读懂数字集成电路手册。二、设计指标设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒。（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。选做扩展功能：（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数；（5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定。三、总体框图设计1.总体框图交通灯控制系统的原理框图如下图所示：TLTYST图1交通灯控制系统原理框图它主要由控制器、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。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一个工作状态的定时。控制器译码器定时器甲车道信号灯乙车道信号灯010101012.画出交通灯控制系统的ASM（算法状态机）图一般十字路口的交通灯控制系统的工作状态及其功能如表1：表1控制器应送出甲、乙车道红、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：AG=1：甲车道绿灯亮；BG=1：乙车道绿灯亮；AY=1：甲车道黄灯亮；BY=1：乙车道黄灯亮；AR=1：甲车道红灯亮；BR=1：乙车道红灯亮。由此得到交通灯的ASM图，如图2所示：图2交通灯控制系统的ASM图四、功能模块设计1.定时器定时器应与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态转换信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行加1计数，向控制器提供5秒的黄灯定时信号TY和25秒的红灯或绿灯定时信号TL。控制器状态信号灯状态车道运行状态S0(00)S1(01)S3(11)S2(10)甲绿，乙红甲黄，乙红甲红，乙绿甲红，乙黄甲车道通行，乙车道禁止通行甲车道缓行，乙车道禁止通行甲车道禁止通行，乙车道通行甲车道禁止通行，乙车道缓行AGBRSTTLARBYARBGAYBRTYTLTYSTSTST图一秒脉冲产生电路图二计数电路秒脉冲产生电路图一为秒脉冲产生电路，，其中CP由秒脉冲提供，ST由控制器提供，秒脉冲和计数器构成定时器。秒脉冲是此系统中的标准时钟信号，秒脉冲是由555定时器和电阻、电容等构成的多谐振荡器，由于在Multisim中进行系统仿真时时间很慢，故应把多谐振荡器的频率取得尽可能的高一点，以方便检查电路。取R1=R2=40kΩ，C1=C2=0.01μF，由电容的充放电可知(1)充电时间：T1=0.7(R1+R2)C2=0.7*(40kΩ+40kΩ)*0.01μF=5.6×10-4s，(2)放电时间：T2=0.7*R2*C2=0.7*40kΩ*0.01μF=2.8×10-4s，(3)故其周期为：T=T1+T2=8.4×10-4s秒脉冲可以通过改变电阻和电容以改变其振荡周期，由于在Multisim中进行系统仿真时时间很慢，故应把多谐振荡器的频率取得尽可能的高一点，以方便检查电路。计数电路图二为计数器的基本电路，计数器选用74LS160进行设计。74LS160是4位十进制同步计数器，它具有同步清零，同步置数的功能。74LS160的引脚如上图；定时器采用两片74LS160计数器来设计。74LS160的功能图如下;计数器可以利用CLR端复位计数或LOAD端置位计数，在TL控制时形成25进制计数，在TY控制时形成五进制计数。在实际应用中，TL和TY通过控制器产生ST信号以控制计数器的复位或置位，因此计数器在秒脉冲和控制器的作用下，进行两轮计数，分别为25和5，以对整个电路进行定时，在不断电的情况下无限循环A1GNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5VR140kΩR240kΩVCC2C10.01uFC20.01uF1304秒脉冲2.控制器控制器是交通管理的核心，应该按照交通管理规则控制信号灯，能够满足控制系统的工作状态进行交通信号灯的状态转换。根据交通灯的工作状态流程图，可以列出控制器的状态转换表，见下表：选用74LS74（双D触发器）构成时序电路寄存器表2输入输出现态状态转换条件次态状态转换信号nQ1nQ0TLTY11nQ10nQST00000101111110100X1XX0X10X1XX0X1000101111110100001010101它们的输出作为控制器的状态转换的4种状态；控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器的输出状态处于0001nnQQ状态时，如果TL=0，则控制器保持在00状态；如果TL=1，则控制器转换到011011nnQQ状态。但这两种情况与条件TY无关，所以用无关项“X”表示。同理可以推出其他几种情况的关系状态。同时根据交通灯的控制器状态转换表，可以推出方程和转换信号方程；即将控制器的输出状态11nQ、10nQ和ST为1的项所对应的输入或状态条件变量相与，其中“1”用原变量表示，“0”用反变量表示，然后将各与的项再相或，即有：根据以上三个方程，我们选用4选一数据选择器(74LS153)来实现74LS74中两个D触发器的输入函数，将触发器的初始状态值nQ1、nQ0加到74LS153的数据选择端作为控制信号，这样即可实现控制器的功能。设计中考虑到上电（打开电源开关时）自动复位的问题，这里可以用R、C构成。图三置零端电路其中74LS153的功能表如下左74LS74的功能表如下右U174LS153DMUXG032Y92C0102C1112C2122C313A14B2~1G11Y71C061C151C241C33~2G15U274LS153DMUXG032Y92C0102C1112C2122C313A14B2~1G11Y71C061C151C241C33~2G15Q1A74LS74D1D21Q5~1Q6~1CLR11CLK3~1PR4Q0A74LS74D1D21Q5~1Q6~1CLR11CLK3~1PR4C11uFR510kΩVCC5VSTQ1(n+1)Q0(n+1)VDD5VTLTYTLTL非TY非TY接秒脉冲控制器的逻辑图如下：3.译码器译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态翻译成甲、乙车道上的6个信号灯的工作状态。控制器的状态编号与信号灯控制信号之间的关系如表3所示。表3Q1Q0AGAYARBGBYBR00011110100010001001001001100010五、总电路图设计1.系统电路U1LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R147k¦¸67VCC5VU274LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2GND8VCC16U374LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2GND8VCC16U474LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U574LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U674LS138DY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16~G2A4~G2B5GND8VCC16U774LS153N2Y92C0102C1112C2122C313A14B2~1G11Y71C061C151C241C33~2G15GND8VCC16U874LS153N2Y92C0102C1112C2122C313A14B2~1G11Y71C061C151C241C33~2G15GND8VCC16U1074LS00D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3B3A4Y4B4AVCCU1174LS04D1A1Y2A2Y3A3YGND4Y4A5Y5A6Y6AVCCU1374LS74D1D21Q5~1Q6~1CLR11CLK3~1PR4GND7~2Q82Q9~2PR102CLK112D12~2CLR13VCC143129130198202122231424U14ABCDEFGCKU15ABCDEFGCK2526272829303132333435363738GNDGNDVCC5V001110U1774LS00D1A1B1Y2A2B2YGND3Y3B3A4Y4B4AVCCU1874LS04D1A1Y2A2Y3A3YGND4Y4A5Y5A6Y6AVCCLED2LED1LED3LED4LED5LED647394250GND404143464952VCCGND051444548VCC1R247k¦¸C2100nFC110uF0U974LS74D1D21Q5~1Q6~1CLR11CLK3~1PR4GND7~2Q82Q9~2PR102CLK112D12~2CLR13VCC141825XSC1ABExtTrig++__+_1615图四总电路图交通灯整个控制点电路是由秒脉冲、计数器、控制器、声响点路组成，其中主干道和支干道的交通灯如图所示，D触发器和计数器的时钟信号均有系统中的标准时钟——秒脉冲提供，为了提高电路的驱动能力同时消除电路的时间延迟，D触发器的时钟信号还要通过一个非门连接，整个控制电路的核心为控制器：其由D触发器和74LS153译码器组成，其输入输出有以下三个方程决定。2.电路的工作原理分析设控制器的初始状态为Z0=00，主道绿，支道红，主道车通行，行人禁止横穿；支道禁止车通行，行人可横穿；当Z0的持续时间小于25秒时，TL=0，控制器保持Z0状态不变。当Z0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z1=01，主道黄且其闪烁，人行道上的报警器随黄灯的变化而响鸣，支道红，主干道车缓慢行驶，支干道车禁止通行，行人准备通行；黄灯时间5秒到时TY=1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z2=11，主道红，支道绿，主道禁止车通行，行人可横穿；支道车通行，行人禁止通行当绿灯亮足25秒，TL=1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z3=10，主道红，支道黄闪烁，人行道上的报警器随黄灯的变化而响鸣，主干道车禁止通行，支干道车缓慢行驶，行人准备通行；当五秒到时，TY=1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z0=00，按照这种判断、分析，将这四种状态的转换无限循环（不断电的情况下）。六、实验仪器和元件1.实验设备示波器、可调电源发生器、脉冲发生器、镊子、小剪刀，万用表等2.使用元器件集成电路芯片：74LS1602片；74LS482片；74LS002片；74LS042片；74LS021片；74LS1532片；74LS742片；74LS1381片；电阻、电容：47K2个；0.01uf2个；3.其他七段共阴极数码管2个；导线若干；七、实验心得体会在用的长达一周的时间后，终于将数电课程设计给攻克了。在刚开始拿到课题时，感