數(shù)字電路課程設(shè)計交通燈

1、 數(shù)字邏輯電路設(shè)計課程設(shè)計報告系 （部）： 三系 專 業(yè)： 通信工程 班 級： 2011級<1>班 姓 名： 陳 學(xué) 號： 201103061 成 績： 指導(dǎo)老師： 李海霞 開課時間： 2012-2013 學(xué)年 二 學(xué)期一、設(shè)計題目 交通信號燈控制器二、主要內(nèi)容1、 分析設(shè)計題目的具體要求2、 完成課題所要求的各個子功能的實現(xiàn)3、 用multisim軟件完成題目的整體設(shè)計三、具體要求（一）、交通燈信號控制器仿真設(shè)計設(shè)計要求（1） 設(shè)計一個十字路口的交通燈控制電路，要求東西方向和南北方向車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設(shè)為35s。時間可設(shè)置修改。（2） 在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈

2、時，要求黃燈先亮5s，才能變換運行車道。（3） 黃燈亮?xí)r，要求每秒閃亮一次。（4） 東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時間都用顯示器進(jìn)行顯示。（5） 假定+5V電源給定。四、進(jìn)度安排第一天：介紹所用仿真軟件；布置任務(wù)，明確課程設(shè)計的完整功能和要求。第二天：消化課題，掌握設(shè)計要求，明確設(shè)計系統(tǒng)的全部功能，圖書館查閱資料。第三天：確定總體設(shè)計方案，畫出系統(tǒng)的原理框圖。第四天：繪制單元電路并對單元電路進(jìn)行仿真。第五天：分析電路，對原設(shè)計電路不斷修改，獲得最佳設(shè)計方案。第六天：完成整體設(shè)計并仿真驗證。 第七天：對課程設(shè)計進(jìn)行現(xiàn)場運行檢查并提問，給出實踐操作成績。第八天：完成實

3、踐報告的撰寫五、成績評定課程設(shè)計成績按優(yōu)、良、中、及格、不及格評定，最終考核成績由四部分組成：1、 理論設(shè)計方案，演示所設(shè)計成果，總成績40；2、 設(shè)計報告，占總成績30；3、 回答教師所提出的問題，占總成績20；4、 考勤情況，占總成績10；無故曠課一次，平時成績減半；無故曠課兩次平時成績?yōu)?分，無故曠課三次總成績?yōu)?分。遲到20分鐘按曠課處理。目 錄前 言51、總體設(shè)計思路、基本原理和框圖61.1設(shè)計思路61.2設(shè)計原理和功能61.2.1基本功能61.3總體設(shè)計框圖72、單元電路設(shè)計72.1各芯片的用法和功能72.1.1 555定時器72.1.2 74LS13882.1.3 74LS192

4、102.1.4 74LS153112.2 單元模塊122.2.1 秒脈沖信號發(fā)生器12 2.2.2 計時器132.2.3控制器142.2.4信號燈顯示器162.2.5 總電路圖173、電路仿真調(diào)試173.1計數(shù)器的仿真173.2控制顯示器的仿真184、故障分析與電路改進(jìn)214.1 故障分析和解決214.2電路改進(jìn)225、總結(jié)236、心得體會247、元件清單258、參考文獻(xiàn)25前 言現(xiàn)如今，隨著人口和汽車的日益增長，城市交通日益擁擠，人們的安全問題也日益重要。因此，紅綠交通信號燈成為交管部門管理交通的重要工具之一。交通信號燈常用于十字路口，用來控制車的流量，提高交叉口車輛的通行能力，減少交通事故

5、。有了交通燈人們的安全出行有了很大的保障。  自從交通燈誕生以來，其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)就不斷的被改進(jìn)，設(shè)計方法也開始多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化、科學(xué)化、簡便化。尤其是近幾年來，隨著電子與計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路分析和設(shè)計方法有了很大的改進(jìn)，電子設(shè)計自動化也已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不可缺少的工具和手段，這些為交通燈控制電路的設(shè)計提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。本設(shè)計通過采用數(shù)字電路對交通燈控制電路的設(shè)計,提出使交通燈控制電路用數(shù)字信號自動控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法,指揮各種車輛和行人安全通行,實現(xiàn)十字路口交通管理的自動化。因此，在本次課程設(shè)計里，將以傳統(tǒng)的設(shè)計

6、方法為基礎(chǔ)來實現(xiàn)設(shè)計交通控制信號燈。本實驗設(shè)計目的是培養(yǎng)數(shù)字電路的能力，掌握交通信號燈控制電路的設(shè)計方法。1、總體設(shè)計思路、基本原理和框圖1.1設(shè)計思路根據(jù)設(shè)計任務(wù)與要求, 系統(tǒng)由秒脈沖信號發(fā)生器、計數(shù)器、控制器、信號燈顯示器四大部分組成。其中秒脈沖信號發(fā)生器用于給各個組成部分提供脈沖信號，通過定時器向控制器發(fā)出兩種定時信號，使相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光。計數(shù)器在控制器的控制下，改變交通燈信號，產(chǎn)生倒計時時間顯示，控制器根據(jù)計數(shù)器的信號，進(jìn)行狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，使顯示器的顯示發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)變。根據(jù)所學(xué)知識，秒脈沖信號發(fā)生器可由555定時器構(gòu)成多諧振蕩器實現(xiàn)，計數(shù)器可由74LS192實現(xiàn)，控制器可由D觸發(fā)器實現(xiàn)

7、。1.2設(shè)計原理和功能甲車道和乙車道的十字路口交通燈系統(tǒng)，每條道路設(shè)一組信號燈，每組信號燈由紅、黃、綠3個燈組成，綠燈表示允許車輛通行，紅燈表示禁止通行，黃燈為過渡燈，表示該車道上已過停車線的車輛繼續(xù)通行，未過停車線的車輛禁止通行。圖1.11.2.1基本功能1.東西方向和南北方向車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設(shè)為35s。時間可設(shè)置修改。2.在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時，黃燈先亮5s，才能變換運行車道。3.黃燈亮?xí)r，要求每秒閃亮一次。4.東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時間都用顯示器進(jìn)行顯示。1.3總體設(shè)計框圖圖1.3總設(shè)計框圖2、單元電路設(shè)計2.1各芯片的用法

8、和功能2.1.1 555定時器555定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。它的各個引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端

9、VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發(fā)端3腳：輸出端Vo4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。6腳：TH高觸發(fā)端。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為的情況下

10、，555定時器的功能表如表所示清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端Q放電管T功能0××0導(dǎo)通直接清零101x保持上一狀態(tài)保持上一狀態(tài)1101截止置11001截止置11110導(dǎo)通清零表2.1.1圖2.1.12.1.2 74LS138 74LS138為3 線8 線譯碼器，共有 54LS138和 74LS138 兩種線路結(jié)構(gòu)型式。工作原理1.當(dāng)一個選通端（E1）為高電平，另兩個選通端（(/E2)和/(E3)）為低電平時，可將地址端（A0、A1、A2）的二進(jìn)制編碼在Y0至Y7對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時，則Y6輸出端輸出低電平信號。2.利用 E1、E2和E3可級聯(lián)擴(kuò)

11、展成 24 線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯(lián)擴(kuò)展成 32 線譯碼器。3.若將選通端中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端時，74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器。4.可用在8086的譯碼電路中，擴(kuò)展內(nèi)存。引腳功能如圖圖2.1.2A0A2：地址輸入端STA（E1）：選通端/STB（/E2）、/STC（/E3）：選通端（低電平有效）/Y0/Y7：輸出端（低電平有效）VCC：電源正GND：地真值表如表輸入輸出STA/STB/STCA2A1A0/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y7×H××××HHHHHHHH××H××&#

12、215;HHHHHHHHL×××××HHHHHHHHHLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL表.1.22.1.3 74LS192具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號如圖6所示。其中PL為置數(shù)端，CPu為加計數(shù)端，CPd為減計數(shù)端，TCu為非同步進(jìn)位輸出端，TCd為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計數(shù)器輸入端，MR為清除端，Q0、Q1、Q2、Q3為數(shù)

13、據(jù)輸出端。圖2.1.3 74LS192的引腳圖及邏輯符號74LS192是雙時鐘方式的十進(jìn)制可逆計數(shù)器。CPU為加計數(shù)時鐘輸入端，CPD為減計數(shù)時鐘輸入端。LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。其功能表如下： 輸入 輸出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1 × × ×××××0000 0 0 × ×dcbadcba 0 1 1×××× 加計數(shù) 0 1

14、 1 ×××× 減計數(shù)表2.1.3 74LS192的功能表2.1.4 74LS153所謂雙4選1數(shù)據(jù)選擇器就是在一塊集成芯片上有兩個4選1數(shù)據(jù)選擇器。其引腳排列及邏輯符號如下所示： 圖2.1.4 1G、2G為兩個獨立的使能端；B、A為公用的地址輸入端；1C01C3和2C02C3分別為兩個4選1數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端；Y1、Y2為兩個輸出端。 1.當(dāng)使能端1G（2G）1時，多路開關(guān)被禁止，無輸出，Y0。 2.當(dāng)使能端1G（2G）0時，多路開關(guān)正常工作，根據(jù)地址碼B、A的狀態(tài)，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)C0C3送到輸出端Y。 B A00 則選擇CO數(shù)據(jù)到輸出端，即YC0。

15、B A01 則選擇C1數(shù)據(jù)到輸出端，即YC1，其余類推。其功能表如下：選擇輸入數(shù)據(jù)輸出選通輸入輸出BAC0C1C2C3GYLLL×××LL××××××HLLLH×××LHLH×L××LLLH×H××LHHL××L×LLHL××H×LHHH×××LLLHH×××HLH表2.1.42.2 單元模塊2.2

16、.1 秒脈沖信號發(fā)生器本實驗采用555定時器組成秒脈沖信號發(fā)生器。因為該電路的輸出脈沖的周期T0.7(R1+2R2)·C,若T=1s，令C3=390f，R7=50K,那么R244.2K。其它參數(shù)為：C4=10nF。如圖3所示。 圖2.1.12.2.2 計時器這里是采用兩片74192兩片芯片構(gòu)成4和10進(jìn)制計數(shù)器,控制個位數(shù)字的74192的減計數(shù)控制端接1HZ的脈沖輸入,控制十位數(shù)字的74LS192的減計數(shù)控制端接在控制個位數(shù)字的74192的借位端，這樣控制個位數(shù)字的74192減至0時借位端產(chǎn)生一個負(fù)脈沖輸入至控制十位數(shù)字的74LS192，使十位減一。兩個74192的的置位端分別接開關(guān)

17、，這樣可以實現(xiàn)任意置數(shù)，輸出端接四輸入LED顯示屏，顯示減計數(shù)。將兩個192的Qd與非接至置數(shù)端，當(dāng)兩個192都減計數(shù)完畢時兩段共同置數(shù)。圖2.2.22.2.3控制器控制器是交通管理的核心，它應(yīng)該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。從ASM圖可以列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如圖5所示。輸 入輸入現(xiàn) 態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件次 態(tài)Q1n Q0nTL TYQ1n+1 Q0n+10 00 00 10 11 11 11 01 00 X1 XX 0X 10 X1 XX 0X 10 00 10 11 11 11 01 00 0表2.2.3 控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表根據(jù)表2，寫出狀態(tài)方程和狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號方程為：根據(jù)Q1

18、和Q0的函數(shù)特點，可以用四選一數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器實現(xiàn)，設(shè)A1A0 = Q1nQ0n ，其他變量通過數(shù)據(jù)輸入端輸入。數(shù)據(jù)選擇器用74LS153，觸發(fā)器用74LS74。設(shè)計中將觸發(fā)器的輸出看作邏輯變量，將TL、 TS看作輸入信號，按照由數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)邏輯函數(shù)的方法實現(xiàn)以上三個邏輯函數(shù)，并將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值加到數(shù)據(jù)選擇器的選擇變量端，數(shù)據(jù)選擇器的輸入端信號可以根據(jù)狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號方程得出。就可得到控制器的原理圖，觸發(fā)器的時鐘輸入端輸入秒脈沖。圖2.2.32.2.4信號燈顯示器 可以列出甲乙車道信號燈的狀態(tài)表如圖表2.2.4得出信號燈的狀態(tài)方程甲車道：AG= Q1*Q0 AY= Q1*Q0

19、 AR=Q1 乙車道：BG= Q1*Q0 BY= Q1*Q0 BR= Q1可以用4線-16線譯碼器74LS138實現(xiàn)，由于74138輸出的是低電平有效，所以要使輸出信號反轉(zhuǎn)。由于黃燈要求每秒閃一下，所以將控制黃燈的信號與秒脈沖信號發(fā)生器接在一起。圖2.2.42.2.5 總電路圖圖2.2.53、 電路仿真調(diào)試4、 3.1計數(shù)器的仿真圖3.1這里是采用兩片74192兩片芯片構(gòu)成4和10進(jìn)制計數(shù)器,控制個位數(shù)字的74192的減計數(shù)控制端接1HZ的脈沖輸入,控制十位數(shù)字的74LS192的減計數(shù)控制端接在控制個位數(shù)字的74192的借位端，這樣控制個位數(shù)字的74192減至0時借位端產(chǎn)生一個負(fù)脈沖輸入至控制

20、十位數(shù)字的74LS192，使十位減一。兩個74192的的置位端分別接開關(guān)，這樣可以實現(xiàn)任意置數(shù)，輸出端接四輸入LED顯示屏，顯示減計數(shù)。將兩個192的Qd與非接至置數(shù)端，當(dāng)兩個192都減計數(shù)完畢時兩段共同置數(shù)。按照設(shè)計要求從40s開始倒計時，所以按下J3開關(guān)，將減計數(shù)器置位到40，隨后在秒脈沖信號的作用下計數(shù)器每秒減一，直到減至00，再次指數(shù)到40，減至00，不斷循環(huán)。3.2控制顯示器的仿真數(shù)據(jù)選擇器用74LS153，觸發(fā)器用74LS74。設(shè)計中將觸發(fā)器的輸出看作邏輯變量，將TL、 TS看作輸入信號，按照由數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)邏輯函數(shù)的方法實現(xiàn)以上三個邏輯函數(shù)，并將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值加到數(shù)據(jù)選

21、擇器的選擇變量端，數(shù)據(jù)選擇器的輸入端信號可以根據(jù)狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號方程得出。就可得到控制器的原理圖，觸發(fā)器的時鐘輸入端輸入秒脈沖。用4線-16線譯碼器74LS138實現(xiàn)，由于74138輸出的是低電平有效，所以要使輸出信號反轉(zhuǎn)。由于黃燈要求每秒閃一下，所以將控制黃燈的信號與秒脈沖信號發(fā)生器接在一起。圖3.2(a)剛開始IO1，IO2端輸入0，0，觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)次態(tài)均為00，顯示為綠燈紅燈，圖3.2(b)隨后，35s后，計數(shù)器給控制器TL=1的輸入，次態(tài)變?yōu)?1，綠燈變?yōu)辄S燈閃爍圖3.2(c)5s過后，計數(shù)器給控制器Ty=1的輸入，狀態(tài)變?yōu)?1，黃燈變紅燈，紅燈變綠燈圖3.2(d)35s過后，計數(shù)器給

22、控制器TL=1的輸入，綠燈變黃燈閃爍，隨后5s過后，黃燈變成紅燈，紅燈變成綠燈，一個循環(huán)結(jié)束。4、故障分析與電路改進(jìn)4.1 故障分析和解決圖4.1原本計時器我是這樣設(shè)計的，IO3端為計時器給控制器的的輸入TY，TY與置位端連在一起，意為兩個減計數(shù)器減為00時發(fā)出一個正脈沖，可是我發(fā)現(xiàn)當(dāng)我將減計數(shù)器連至總電路圖時，TY相當(dāng)于沒有輸入1，我猜想可能這只是正脈沖，信號很短，所以我做了改進(jìn)。4.2電路改進(jìn)圖4.2(a)我將兩個減計數(shù)輸出端或非作為TY信號，這樣當(dāng)減計數(shù)為00時，給予一個高電平信號，這樣電路得到了有效的改正和優(yōu)化。另外我加了三組顯示屏，這樣更加貼近實際的使用情況。圖4.2(b)5、總結(jié)我

23、的交通燈課程設(shè)計分為四個狀態(tài)，分別為甲綠乙紅，甲黃乙紅，甲紅乙綠，甲紅乙黃四個狀態(tài)，分為秒脈沖信號發(fā)生器，控制器，計時器，信號燈顯示器四個模塊，可整合成可調(diào)計時器和控制顯示器兩個子電路圖。秒脈沖信號發(fā)生器主要由555定時器組成的多諧振蕩器構(gòu)成，提供1Hz的秒脈沖信號。計時器由兩個74LS192計數(shù)器構(gòu)成四十進(jìn)制減計數(shù)器，計數(shù)器可隨意置位，由秒脈沖函數(shù)發(fā)生器提供秒脈沖按秒減計數(shù)，每次減計數(shù)到05時，減計數(shù)會給控制器提供一個TL=1的輸入，每次減計數(shù)到00的時候，計數(shù)器會給控制器Ty=1的輸入，這樣控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)換?？刂破饔梢粋€74LS153數(shù)據(jù)選擇器和兩個74LS74N D觸發(fā)器組成，控制器是交通燈的核心，控制各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換和交通信號燈的轉(zhuǎn)換，74LS74N由秒脈沖信號發(fā)生器提供秒脈沖，接收計時器TL35秒倒計時信號和TY5