數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì)報(bào)告——交通燈

1、交通燈設(shè)計(jì)一、紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)功能概述紅綠燈交通信號(hào)系統(tǒng)為模擬實(shí)際的十字路口交通信號(hào)燈。外部硬件電路包括：兩組紅黃綠燈（配合十字路口的雙向指揮控制）、一組手動(dòng)與自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)（針對(duì)交通警察指揮交通控制使用）、倒計(jì)時(shí)顯示器（顯示允許通行或禁止通行時(shí)間）。二、任務(wù)和要求：1在十字路口的兩個(gè)方向上各設(shè)一組紅黃綠燈，顯示順序?yàn)槠渲幸环较蚴蔷G燈、黃燈、紅燈；另一方向是紅燈、綠燈、黃燈。2設(shè)置一組數(shù)碼管，以倒計(jì)時(shí)的方式顯示允許通行或禁止通行時(shí)間，其中一個(gè)方向上綠燈亮的時(shí)間是20s，另一個(gè)方向上綠燈亮的時(shí)間是30s，黃燈亮的的時(shí)間都是5s。3選做：當(dāng)任何一個(gè)方向出現(xiàn)特殊情況，按下手動(dòng)開(kāi)關(guān)，其中一個(gè)方向常通行

2、，倒計(jì)時(shí)停止。當(dāng)特殊情況結(jié)束后，按下自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，恢復(fù)正常狀態(tài)。4選做：用兩組數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)雙向倒計(jì)時(shí)顯示。三、設(shè)計(jì)思路概述：1任務(wù)分析：交通燈控制器主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能：東西、南北雙向通路的紅、綠、黃燈控制；東西向主通路的倒計(jì)時(shí)顯示。另外，在此設(shè)計(jì)中還實(shí)現(xiàn)了緊急情況下的強(qiáng)制中斷功能。2. 系統(tǒng)外觀示意圖：倒計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)器綠燈黃燈紅燈紅 黃 綠燈 燈 燈3具體功能分析：此電路為十字路口交通燈控制電路，要求東西向和南北向不能同時(shí)出現(xiàn)綠（黃）燈，發(fā)生“撞車”現(xiàn)象。即當(dāng)某一方向?yàn)榫G燈或黃燈時(shí)，另一方向必為紅燈。東西向主通路有倒計(jì)時(shí)顯示。設(shè)計(jì)時(shí)序如下：R30sY5sG20s東西向G25sY5sR25s南北向脈

3、沖輸出部分計(jì)時(shí)控制部分?jǐn)?shù)字顯示部分彩燈控制部分彩燈顯示部分4電路框圖設(shè)計(jì)：說(shuō)明：脈沖輸出部分為555時(shí)基芯片構(gòu)成的多次諧波振蕩器，由其產(chǎn)生周期為1s的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。計(jì)時(shí)控制部分主要由兩片74LS161（十六進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器）、74LS74（邊沿D觸發(fā)器）及邏輯門電路構(gòu)成。產(chǎn)生30s、20s和5s的倒計(jì)時(shí)信號(hào)。彩燈控制部分將計(jì)時(shí)控制部分輸出的信號(hào)通過(guò)邏輯門電路及74LS139（雙24線譯碼器）產(chǎn)生控制信號(hào)，控制彩燈按照響應(yīng)時(shí)序顯示，并將74LS139的輸出信號(hào)反饋回計(jì)時(shí)控制部分實(shí)現(xiàn)三種倒計(jì)時(shí)之間的切換。數(shù)字顯示部分主要由74LS48（7段顯示譯碼器）、74LS04（反相器）及8段共陰極數(shù)碼管構(gòu)

4、成，通過(guò)接入計(jì)時(shí)控制部分的信號(hào)實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)顯示。四、單元電路設(shè)計(jì)：1脈沖輸出部分：脈沖輸出部分為555時(shí)基芯片構(gòu)成的多次諧波震蕩器，電路原理圖如右：其中器件參數(shù)分別為R1=4.7k，R2=150k，C1=4.7F，C2=0.01F。產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖為周期T=1s的方波。電容C1充電時(shí)，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間為tw1=0.7(R1+R2)C=0.7(150k+4.7k) 4.70.5s電容C1放電時(shí)，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間為tw2=0.7R2C=0.7150k4.70.5s因此，電路輸出矩形脈沖的周期為T= tw1tw21s輸出占空比為q= tw1/T50%2計(jì)時(shí)控制部分：通過(guò)兩片74LS161級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)最大模值為2

5、56的加法計(jì)數(shù)功能，用低位片U2的輸出口RCO控制高位片U3的使能端ENT，即低位片U2產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)后高位片開(kāi)始工作。由于主通路（東西向）交通燈時(shí)序?yàn)榧t燈30s、綠燈20s、黃燈5s，故此子系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)模30計(jì)數(shù)、模20計(jì)數(shù)和模5計(jì)數(shù)間的切換，亦即低位片模值為10105的切換，高位片模值為320的切換。在具體電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用74LS74芯片控制高位片的數(shù)據(jù)置入，并利用彩燈控制部分的輸出控制低位片數(shù)據(jù)的置入。由于數(shù)字顯示部分要求倒計(jì)時(shí)顯示，故置入數(shù)據(jù)時(shí)取數(shù)碼管相應(yīng)顯示碼值的反碼，具體數(shù)據(jù)表格見(jiàn)數(shù)字顯示部分。在此電路中，開(kāi)關(guān)SW2、SW1分別控制高、低位片的強(qiáng)制置數(shù)，當(dāng)SW2、SW1接低電平時(shí)，

6、若SW3接高電平，高位片被強(qiáng)制置入數(shù)據(jù)1111，低位片通過(guò)彩燈控制部分的反饋信號(hào)被置入數(shù)據(jù)1011。此時(shí)，將SW2、SW1接高電平，計(jì)數(shù)開(kāi)始，進(jìn)入有效循環(huán)前5s的偏離態(tài)。當(dāng)?shù)臀黄M(jìn)位后，高、低位片進(jìn)位端均為1，U9A輸出端為1，U6C、U6D輸出端為0，即高、低位片LOAD端為0，實(shí)現(xiàn)置數(shù)功能。高位片置入數(shù)據(jù)為 D0n+1=D1n,D1n+1=D0nD1n，當(dāng)高低位片同時(shí)產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)，74LS74產(chǎn)生上升沿，即每次倒計(jì)時(shí)完畢后進(jìn)行置數(shù)。低位片置入數(shù)據(jù)由黃燈亮滅控制，當(dāng)黃燈亮?xí)r置入數(shù)據(jù)為1011，黃燈滅時(shí)置入數(shù)據(jù)為0110。計(jì)時(shí)系統(tǒng)與東西向主通路交通燈亮滅情況真值表如下：低位片（U2）高位片（U

7、3）彩燈D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3D0D1D2D3Q0Q1Q2Q30110模10計(jì)數(shù)0111模2計(jì)數(shù)綠1101模5計(jì)數(shù)1111停止計(jì)數(shù)黃0110模10計(jì)數(shù)1011模3計(jì)數(shù)紅3彩燈控制顯示部分：彩燈控制部分分兩路實(shí)現(xiàn)，東西向（主通路）彩燈由于時(shí)序與倒計(jì)時(shí)相同，故不需另加單獨(dú)的計(jì)數(shù)電路，只需用門電路和譯碼器等器件將計(jì)數(shù)部分中的信號(hào)引致彩燈。南北向時(shí)序與東西向不同，故另外用一片74LS161控制，具體設(shè)計(jì)如下：.東西向：計(jì)數(shù)控制部分高位片的置數(shù)端D0、D1分別接到74LS139的A、B端子，其輸出端Y1、Y2、Y3分別接紅、綠、黃燈。當(dāng)高位片置入數(shù)據(jù)為1110，低位片置入數(shù)據(jù)為0110，即倒計(jì)

8、時(shí)20s時(shí)，74LS139的A、B端分別為0、1，此時(shí)輸出數(shù)據(jù)為1011，即綠燈亮。同理，當(dāng)高位片置入數(shù)據(jù)為1111，低位片置入數(shù)據(jù)為1011，即倒計(jì)時(shí)5s時(shí)，74LS139的A、B端分別為1、1，此時(shí)輸出數(shù)據(jù)為0111，即黃燈亮；當(dāng)高位片置入數(shù)據(jù)為1101，低位片置入數(shù)據(jù)為0110，即倒計(jì)時(shí)30s時(shí)，74LS139的A、B端分別為1、0，此時(shí)輸出數(shù)據(jù)為1101，即紅燈亮。.南北向南北向彩燈由東西向彩燈和另一片74LS161（U12）單獨(dú)控制。U12的ENP、ENT、LOAD全部接高電平，即禁止置數(shù)，MR端子接Q0（高）Q1（高）Y1（74LS39）相與的輸出。設(shè)計(jì)思路如下：由時(shí)序圖可知，當(dāng)東

9、西向紅燈亮且高位片為0，即南北向紅燈倒計(jì)時(shí)至10s時(shí)，U12開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)紅東西向燈熄滅時(shí)計(jì)數(shù)停止，共計(jì)數(shù)10s，通過(guò)邏輯門電路組合可以實(shí)現(xiàn)使其前5s輸出為1，后5s輸出為0，即后5s時(shí)南北向黃燈亮。當(dāng)10s計(jì)時(shí)結(jié)束后，南北向應(yīng)變?yōu)榧t燈，而此時(shí)東西向先持續(xù)5s黃燈后持續(xù)25s綠燈，故南北向紅燈接?xùn)|西向黃、綠燈信號(hào)相與的結(jié)果。U12（74LS161）計(jì)數(shù)輸出與南北向黃燈亮滅真值表如下：U12（74LS161）OUTPUTQ3Q2Q1Q000001000110010100111010010101001100011101000010010101001011011000110101110011110注：

10、OUTPUT=0時(shí)黃燈亮；OUTPUT=1時(shí)黃燈滅。化簡(jiǎn)得：OUTPUT=Q0Q1Q2Q3。實(shí)現(xiàn)電路如上圖所示。南北向綠燈的控制信號(hào)為南北向紅燈和黃燈的與非，即紅燈和黃燈均不亮?xí)r綠燈亮。4強(qiáng)制中斷系統(tǒng)：當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，交通燈應(yīng)具有強(qiáng)制某路通行或中斷的功能。在此系統(tǒng)中，如出現(xiàn)緊急情況，斷開(kāi)“緊急中斷”開(kāi)關(guān)（見(jiàn)總電路圖），即切斷CP脈沖輸入，計(jì)時(shí)停止，此時(shí)將SW4接高電平，SW5接低電平，東西向強(qiáng)制通行；反之，若將SW5接高電平，SW4接低電平，南北向強(qiáng)制通行。5數(shù)字顯示部分：由74LS48（7段顯示譯碼器）真值表可知，要實(shí)現(xiàn)90倒計(jì)時(shí)可通過(guò)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：型號(hào)名稱數(shù)量74LS00與非門174LS04非門374LS08與門274LS48七段顯示譯碼器274LS74雙上升沿D觸發(fā)器174LS139雙二四線譯碼器174LS161四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器3NE555時(shí)基芯片1100電阻64.7K電阻1150電阻10.01F電容14.7F電容17段數(shù)碼管7段數(shù)碼管2紅、綠、黃發(fā)光

12、二極管6五、總體電路圖：六、電路組裝完成后，實(shí)際測(cè)量的各個(gè)單元電路的輸入、輸出信號(hào)波形：電路組裝調(diào)試完成后，測(cè)得各單元電路輸入輸出如下：1脈沖輸出部分：輸入：+5V直流電壓信號(hào)。輸出：周期T1s，占空比q=50%的矩形波。2計(jì)時(shí)控制部分：輸入、輸出高電平時(shí)大于4V，低電平小于0.3V，符合要求，且無(wú)邏輯錯(cuò)誤。3彩燈控制顯示部分：輸入、輸出高電平時(shí)大于4V，低電平小于0.3V，符合要求，且無(wú)邏輯錯(cuò)誤。4數(shù)字顯示部分：輸入、輸出高電平時(shí)大于4V，低電平小于0.3V，符合要求，且無(wú)邏輯錯(cuò)誤。5.重要電路波形：七、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法1、時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路連接后不知其是否正常工作。 把萬(wàn)用表調(diào)

13、到20V電壓檔，萬(wàn)用表負(fù)極接地，正極接555定時(shí)器“3”針腳，芯片通電后，看電壓變化是否變化明顯，大概在4.7V左右和0.3V左右兩個(gè)數(shù)字變化。2、狀態(tài)產(chǎn)生電路工作不正常 首先檢查芯片供電是否正常，其次檢查是否有脈沖信號(hào)輸入，然后檢查級(jí)聯(lián)是否正確，用低位片的進(jìn)位端“RCO”接高位片的“ENT”“ENP”端，每個(gè)芯片的進(jìn)位端“RCO”取反后接各自置入端“LOAD”，檢查置入的數(shù)字是否正確，最后用萬(wàn)用表檢查輸出端電壓是否有明顯變化。3、數(shù)碼管不能正常顯示 首先檢查譯碼芯片74LS48是否接線正常，然后檢查各針腳對(duì)應(yīng)輸出是否正確，最后檢查數(shù)碼管接線是否正確。4、數(shù)碼管七段中某些段不亮 檢查接線是否正

14、確，對(duì)應(yīng)針腳電壓是否變化八、實(shí)驗(yàn)心得及體會(huì)通過(guò)這兩周的課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)，使我感悟最深的是數(shù)字電路設(shè)計(jì)需要的是深厚的知識(shí)功底和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。只有對(duì)所有的器件（譬如芯片）有很好的了解之后才能去選擇正確的器件設(shè)計(jì)電路。好的電路設(shè)計(jì)不僅要求正確，而且是最簡(jiǎn)單的，這里說(shuō)的最簡(jiǎn)單不是說(shuō)要每個(gè)器件都要最簡(jiǎn)單的，如果那樣我們也不必去選擇器件，只需用門電路就可以設(shè)計(jì)了，我們要的是對(duì)整體電路來(lái)講是最簡(jiǎn)的，盡量在功能齊全的前提下減少所用器件的數(shù)量。另外對(duì)于電路本身存在一個(gè)安全穩(wěn)定性問(wèn)題,所以在面包板上接線時(shí)，盡量用一根導(dǎo)線將輸出和輸入接通，因?yàn)閷?dǎo)線中間每斷一次都是電路的一個(gè)安全隱患。當(dāng)覺(jué)得電路設(shè)計(jì)方案沒(méi)有問(wèn)題時(shí)就

15、可以在面包板上接線了，這期間不能馬虎，一個(gè)管腳線接錯(cuò)都可能導(dǎo)致結(jié)果出不來(lái)。另外，我們還最好是接好一個(gè)模塊后通電檢測(cè)，有問(wèn)題就檢查修改電路，直到這一模塊正常再對(duì)下一個(gè)模塊接線。布線完成后，80%可能不會(huì)一次性成功，接下來(lái)就該調(diào)試電路，這是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。結(jié)果錯(cuò)誤的可能原因有很多，可能是設(shè)計(jì)本身或是接線問(wèn)題或接觸問(wèn)題，也可能是所用器件問(wèn)題。本人在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)紅綠燈狀態(tài)與時(shí)間顯示的狀態(tài)錯(cuò)位這一異常現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)調(diào)試，原來(lái)我是將兩片74161的與接到主控電路觸發(fā)器的時(shí)鐘上，當(dāng)需改變系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)，兩與為1，出現(xiàn)一個(gè)上升沿，而觸發(fā)器卻是下降沿觸發(fā)，所以紅綠燈提前一個(gè)狀態(tài)，當(dāng)把兩的與非接入觸發(fā)器的時(shí)，系統(tǒng)正常。另外，在調(diào)試過(guò)程