数电课程设计报告.docx
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数电课程设计报告
交通灯数电设计报告
前言
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。
红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁行线外。
实现红、绿灯的自动指挥对城市交通管理现代化有着重要的意义。
分析了现代城市交通控制的现状，结合十字路口交通的实际情况，本文详细的阐述了基于数字电路的十字路口交通灯控制器的工作原理，并给出了合理的设计方案。
通过时序逻辑电路和组合逻辑电路相结合，实现了用数字信号来自动控制十字路口红、绿、黄交通灯状态的转换。
在该设计中，根据项目的要求，将整个系统划分为若干个功能模块，详细制定了各部分的实现方案。
并综合考虑了各方面的因素，选择最适合的器件。
在较充分的原理实验基础上，经过反复的调试，最终达到了设计要求。
设计功能要求
一、功能要求
1.用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。
2.当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。
3.主支干道交替允许通行，主干道每次放行30s、支干道20s。
设计30s和20s计时显示电路。
4.在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外，设置5s计时显示电路。
二、设计步骤与要求
1、拟定电路的组成框图，要求能实现所有功能。
2、电路设计，给出逻辑分析，绘制电路图。
3、使用protues仿真软件对所设计的电路进行仿真验证，使用仿真工具分析电路关键点状态时序图，验证设计的正确性。
4、编写实践设计报告。
交通灯控制电路设计
1系统原理框图4
2单元电路的设计5
2.1脉冲电路设计5
2.2状态控制电路的设计5
2.3倒计时电路的设计7
2.4灯显示电路的设计8
2.5电路总图设计10
3仿真结果及分析11
3.1脉冲电路结果仿真11
3.3倒计时电路结果仿真12
3.4灯显示电路结果仿真12
3.5总电路结果仿真13
3.6测试结果分析13
3.6设计中遇到的问题14
4心得体会15
5参考文献16
附录1原件清单17
1系统原理框图
交通灯控制电路的总体框图（如图1.1）所示，它由脉冲电路、倒计时电路、数字显示器、状态控制电路、灯显示电路五部分组成。
状态控制电路是系统的主要部分，由它控制定时器，数码管和二极管的工作，脉冲电路是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，倒计时电路和数字显示器是该系统中用来计时及显示的电路部分，灯显示电路是该系统中表示电路所处状态，受到主控电路控制，即主控电路的输出决定了主干道和支干道的红绿灯的亮灭情况。
图1.1系统原理框图
该系统的工作原理是：
交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。
一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。
每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。
交通灯的运行状态共有四种，分别为：
状态0：
主干道方向车道的绿灯亮，主干道车辆允许通行；支干道方向车道的红灯亮，支干道车辆禁止通行；
状态1：
主干道方向车道的黄灯亮，主干道车辆缓行；支干道方向车道的红灯亮，车道，支干道车辆禁止通行；
状态2：
主干道方向车道的红灯亮，主干道车辆禁止通行；支干道方向车道的绿灯亮，支干道车辆允许通行；
状态3：
主干道方向车道的红灯亮，主干道车辆禁止通行；支干道方向车道的黄灯亮，支干道车辆缓行。
4种状态循环往复，交通灯以上4种工作状态的转换是由状态控制电路进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、10、11，分别表示状态0、状态1、状态2、状态3。
2单元电路的设计
2.1脉冲电路设计
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个电阻与555定时器为主组成多谐振荡器，输出1Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。
通过以下公式：
取R1=150kΩ，R3=4.7kΩ，C1=4.7μF。
即可实现输出1Hz的矩型方波。
2.2状态控制电路的设计
在设计要求中要实现四种状态的自动转换，首先要把这四种状态以数字的形态表示出来。
可以两位二进制数表示所需状态（00—状态0, 01—状态1, 10—状态2, 11—状态3）,循环状态（00—01—10—11—00）
数字电路课程中介绍的计数器就是通过有限几个不同状态之间的循环实现不同模值计数，由此设计一模值为4的计数器，其输出（代表不同状态）既可以循环转换，而且能够控制其他部分电路。
在课程设计中利用74LS74（双上升沿D触发器）设计模4计数器作为主控部分电路。
当倒计时为30、20、5的时候产生一个信号给状态转换的电路，而这个信号是电平信号的话就很难实现，所以又用了边沿触发，此时用计数器表示状态，取其低两位的计数态00、01、10、11为灯的状态，这样的话，来一个边沿信号就能使计数器加一，实现上述四状态转换。
2.3倒计时电路的设计
计时器状态产生模块：
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。
采用两个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，则必须用两个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74LS161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，而在显示是以0到9显示计时，故在设计不同模值计数器确定有效状态时，以0110到1111这些状态中靠后的状态为有效状态。
例如：
有效状态1010—1011—1100—1101—1110 取非0101 —0100—0011—0010—0001
即5— 4—3—2—1实现模5的倒计时。
首先对控制个位输出的74LS161设计
按要求对系统的状态不同，个位的进制也就要求不同。
利用系统的状态量A,B控制74LS161的置数端D0D1D2D3。
当系统处在状态0或状态2时，个位的进制是十（模10），即逢十进一，当系统处在状态1或状态3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，
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，把它的CO1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A,B控制十位74LS161的置数端D3D2D1D0。
当系统处于状态0时置D3D2D1D0为1101，当系统处于状态1或状态3时置D3D2D1D0为1111，当系统处于状态2时置D3D2D1D0为1110，有，
同理我们将CO2非接入置数端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，通过控制十位的CLK端实现这一功能，个位的CO1非连接十位的CLK端，当个位需进位，即完成一次循环，CO1为1，则十位有脉冲,十位开始计数，其他时刻CO1=0,十位没有脉冲，十位保持。
设计时把CO1,CO2的与接入主控电路的双上升沿D触发器的CP，当完成一次计时，个位和十位同时完成循环，此时CO1=CO2=1,（其它时刻为0）CP出现一上升沿，触发器计时，即系统跳到下一个状态，计时器开始下一次计时。
2.4灯显示电路的设计
红绿灯显示是表示电路所处状态，受到主控电路控制，即主控电路的输出（A和B）决定了主干道和支干道的红绿灯的亮灭情况。
如亮用1表示，灭用0表示，则有，
2.5电路总图设计
3仿真结果及分析
3.1脉冲电路结果仿真
3.2状态控制电路结果仿真
3.3倒计时电路结果仿真
3.4灯显示电路结果仿真
状态3状态2状态1状态0
3.5总电路结果仿真
3.6测试结果分析
1脉冲电路：
可产生接近1Hz的脉冲。
结论：
与理想值相差微小，原因为元器件本身问题，符合设计要求。
2十字路口交通灯转换数据统计:
交通灯转换数据统计表
次数
主干道
支干道
20次
绿
黄
黄
红
红
绿
绿
黄
黄
红
红
绿
正确
正确
正确
正确
正确
正确
结论：
干道交通灯转换无问题。
3计数电路可正常工作
3.6设计中遇到的问题
因由于，最初电脑用户名为汉字，purtues软件不识别，无法进行仿真调试。
通过XX上的解决方法也没有解决问题，整个仿真过程都是在其他人电脑上进行的。
4心得体会
在此次的交通灯控制电路设计过程中，我学会了以下专业技能：
明确设计任务和总体结构框图：
只有明确了设计的任务和要求，规划出整体的电路结构框图才能有方向的提供设计电路。
分模块设计的思想：
数字电子电路有很强的模块性，做好每一块模块对整机的运行十分重要，其中要详细查阅芯片资料，明确每一个引脚的作用并在仿真图上分析设计。
组合逻辑电路的设计方法：
列出真值表并写出表达，并根据表达式画出电路图，然后实现模块间的连接。
时序逻辑电路的设计方法：
通过本次设计我深刻体会到时序逻辑电路的设计思想的强大作用。
本课程中JK触发器构成的主控制器电路就涉及到了时序逻辑电路的设计方法，先列出状态转化图，然后根据状态图列出真值表，然后卡诺图化简，列出次态方程，驱动方程，然后根据驱动方程连接触发器，根据次态方程连接红绿灯的状态接线。
模块间的连接和时序分析：
这是整个设计中最复杂最主要的一部分，模块连接的不好，就会导致无法运行，但是模块间存在时序延迟，那就会导致电路的延迟甚至误动作，在整机正常运行的情况下分析模块的时序运行是否正确对本次课程设计的收获可谓非常大。
5参考文献
[1]张克农.电子技术基础模拟部分.第2版.北京：
高等教育出版社
附录1原件清单
器件型号
用途介绍
数量
74LS161
计数器
2
74LS08
与门
5
74LS04
非门
12
74LS48
译码器
2
74LS74
D触发器
1
555
形成单脉冲
1
LED
交通灯
6
电阻4.7
1
电阻150
1
电阻100
1
电容4.7
1
电容0.1
1
数码管
显示数字
2
74LS00
与非门
2
开关
开启电路
1
升级会员 