交通灯控制逻辑电路设计.docx
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交通灯控制逻辑电路设计
目录
电子应用系统综合设计1概述………………………………2
课程设计课题
课题一交通灯控制逻辑电路设计…………………………5
课题二多路防盗报警电路设计……………………………13
课题三数字温度计……………………………………………15
设计举例：
出租车计费器…………………………………18
电子应用系统综合设计1概述
一、本课的地位和作用
电子应用系统综合设计1是电子技术基础教学中的一个实践环节,它使学生自己通过设计和搭建一个实用电子产品雏形,巩固和加深在电子技术课程中的理论基础和实验中的基本技能,训练电子产品制作时的动手能力。
通过该课程设计，设计出符合任务要求的电路,掌握通用电子电路的一般设计方法和步骤，训练并提高学生在文献检索、资料利用、方案比较和元器件选择等方面的综合能力,同时为毕业设计和毕业以后从事电子技术方面的科研和开发打下一定的基础。
二、课程目的和要求
1.能够较全面地巩固和应用“电子技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型电子系统设计的基本方法。
2.能合理、灵活地应用各种标准集成电路（SSI、MSI、LSI等）器件实现规定的数字系统。
3.培养独立思考、独立准备资料、独立设计规定功能的数字系统的能力。
4.培养独立进行实验，包括电路布局、安装、调试和排除故障的能力。
5.培养书写综合设计实验报告的能力。
三、课程基本要求
根据设计任务，从选择设计方案开始，进行电路设计；选择合适的器件，画出设计电路图；通过安装、调试，直至实现任务要求的全部功能。
对电路要求布局合理，走线清晰，工作可靠，经验收合格后，写出完整的课程设计报告。
四、课程具体步骤
电子电路的一般设计方法和步骤是：
分析设计任务和性能指标，选择总体方案，设计单元电路，选择器件，计算参数，画总体电路图。
进行仿真试验和性能测试。
实际设计过程中往往反复进行以上各步骤，才能达到设计要求，需要灵活掌握。
1.总体方案选择
设计电路的第一步就是选择总体方案，就是根据提出的设计任务要求及性能指标，用具有一定功能的若干单元电路组成一个整体，来实现设计任务提出的各项要求和技术指标。
设计过程中，往往有多种方案可以选择，应针对任务要求，查阅资料，权衡各方案的优缺点，从中选优。
2.单元电路的设计
2.1设计单元电路的一般方法和步骤
A. 根据设计要求和选定的总体方案原理图，确定对各单元电路的设计要求，必要时应详细拟定主要单元电路的性能指标。
B. 拟定出各单元电路的要求后，对它们进行设计。
C.单元电路设计应采用符合的电平标准。
2.2元器件的选择
针对数字电路的课程设计，在搭建单元电路时，对于特定功能单元选择主要集成块的余地较小。
比如时钟电路选555，转换电路选0809，译码及显示驱动电路也都相对固定。
但由于电路参数要求不同，还需要通过选择参数来确定集成块型号。
一个电路设计，单用数字电路课程内容是不够的，往往同时掺有线性电路元件和集成块，因此还需对相应内容熟悉，比如运算放大器的种类和基本用法，集成比较器和集成稳压电路的特性和用法。
总之，构建单元电路时，选择器件的电平标准和电流特性很重要。
普通的门电路、时序逻辑电路、组合逻辑电路、脉冲产生电路、数模和模数转换电路、采样和存储电路等，参数选择恰当可以发挥其性能并节约设计成本。
单元电路设计过程中，阻容元件的选择也很关键。
它们的种类繁多，性能各异。
优选的电阻和电容辅助于数字电路的设计可以使其功能多样化、完整化。
3.单元电路调整与连调
数字电路设计以逻辑关系为主体，因此各单元电路的输入输出逻辑关系与它们之间的正确传递决定了设计内容的成败。
具体步骤要求每一个单元电路都须经过调整，有条件情况下可应用逻辑分析仪进行测试，确保单元正确。
各单元之间的匹配连接是设计的最后步骤，主要包含两方面，分别是电平匹配和驱动电流匹配。
它也是整个设计成功的关键一步。
4.衡量设计的标准
工作稳定可靠；能达到预定的性能指标，并留有适当的余量；电路简单，成本低，功耗低；器件数目少，集成体积小，便于生产和维护。
五、课程报告要求
课程设计报告应包括以下内容：
1.对设计课题进行简要阐述。
2.设计任务及其具体要求。
3.总体设计方案方框图及各部分电路设计（含各部分电路功能、输入信号、输出信号、电路设计原理图及其功能阐述、所选用的集成电路器件等）。
4.整机电路图（电路图应用标准逻辑符号绘制，电路图中应标明接线引出端名称、元件编号等）。
5.器件清单。
6.调试结果记录。
7.总结与体会。
课程设计报告应内容完整、字迹工整、图表整齐、数据详实。
课程设计课题
课题一交通灯控制逻辑电路设计
一、简述
为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。
其中红灯（R）亮表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。
交通灯控制器的系统框图如图3.1所示。
1.1交通灯控制器图系统框图
二、设计任务和要求
设计一个十字路口交通信号灯控制器，其要求如下：
1.满足如图3.2顺序工作流程。
图中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR、NSY、NSG，东西方向的红、
黄、绿灯分别为EWR、EWY、EWG。
它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红
灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。
图1.2交通灯顺序工作流程图
2.应满足两个方向的工作时序：
即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和，南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。
时序工作流程图见图3.3所示。
图3.3中，假设每个单位时间为4秒，则南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别为20秒、4秒、24秒，一次循环为48秒。
其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。
图1.3交通灯时序工作流程图
3.十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。
具体为：
当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿等交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。
例如：
当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为24，并使数显计数器开始减“1”计数，当减到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数显得值应为4，当减到“0”时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为24。
4.可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。
5.在完成上述任务后，可以对电路进行以下几方面的电路改进或扩展。
（1）在某一方向（如南北）为十字路口主干道，另一方向（如东西）为次干道；主干道由于车辆、行人多，而次干道的车辆、行人少，所以主干道绿灯亮的时间可以选定为次干道绿灯亮时间的2倍或3倍。
（2）用LED发光二极管模拟汽车行驶电路。
当某一方向绿灯亮时，这一方向的发光二极管接通，并一个一个向前移动，表示汽车在行驶；当遇到黄灯亮时，移位发光二极管就停止，而过了十字路口的移位发光二极管继续向前移动；红灯亮时，则另一方向转为绿灯亮，那么，这一方向的LED发光二极管就开始移位（表示这一方向的车辆行驶）。
三、可选用器材
1.通用实验底板
2.直流稳压电源
3.交通信号灯及汽车模拟装置
4.集成电路：
74LS74、74LS164、74LS168、74LS248及门电路
5.显示：
LC5011-11，发光二极管
6.电阻
7.开关
四、设计方案提示
根据设计任务和要求，参考交通灯控制器的逻辑电路主要框图3.1，设计方案可以从以下几部分进行考虑。
1.秒脉冲和分频器
因十字路口每个方向绿、黄、红灯所亮时间比例分别为5:
1:
6，所以，若选4
秒（也可以3秒）为一单位时间，则计数器每计4秒输出一个脉冲。
这一电路就很容易实现，逻辑电路参考前面有关课题。
2.交通灯控制器
由波形图可知，计数器每次工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。
计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。
这里我们选用中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。
扭环形计数器的状态表如表3.1所示。
表1.1状态表
t
计数器输出
南北方向
东西方向
Q0Q1Q2Q3Q4Q5
NSGNSYNSR
EWGEWYEWR
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
000000
100000
110000
111000
111100
111110
111111
011111
001111
000111
000011
000001
100
100
100
100
100
00
001
001
001
001
001
001
001
001
001
001
001
001
100
100
100
100
100
00
根据状态表，我们不难列出东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式：
东西方向绿：
黄：
红：
南北方向绿：
黄：
红：
由于黄灯要求闪耀几次，所以用时标1s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。
3.显示控制部分
显示控制部分实际上是一个定时控制电路。
当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。
译码显示可用74LS248BCD码七段译码器，显示器用LC5011-11共阴极LED显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。
3.手动/自动控制，夜间控制
这可用一选择开关进行。
置开关在手动位置，输入单次脉冲，可使交通灯在某
一位置上，开关在自动位置时，则交通信号灯按自动循环工作方式运行。
夜间时，将夜间开关接通，黄灯闪亮。
4.汽车模拟运行控制
用移位寄存器组成汽车模拟控制系统，即当某一方向绿灯亮时，则绿灯亮“G”
信号使该路方向的移位通路打开，而当黄、红灯亮时，则使该方向的移位停止。
如图3.4所示，为南北方向汽车模拟控制电路。
图1.4汽车模拟控制电路
五、参考电路
根据设计任务和要求，交通信号灯控制器参考电路，如图3.5所示。
六、参考电路简要说明
1.单次手动及脉冲电路
单次脉冲是由两个与非门组成的RS触发器产生的，当按下K1时，有一个脉冲输出使74LS164移位计数，实现手动控制。
K2在自动位置时，由秒脉冲电路经分频后（4分频）输入给74LS164，这样，74LS164为每4秒向前移一位（计数1次）。
秒脉冲电路可用晶振或RC振荡电路构成。
图1.5交通信号灯控制器参考电路
2.控制器部分
它由74LS164组成扭环形计数器，然后经译码后输出十字路口南北、东西两
个方向的控制信号。
其中黄灯信号必须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿、红灯灭。
3.数字显示部分
当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS168以减法计
数器方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。
由于东西方向红灯灭信号（EWR：
0）使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮使另一方向——东西方向减法计数器开始工作。
在减法计数开始之前，由黄灯亮信号使减法计数器先置入数据，图中接入U/
和
的信号就是由黄灯亮（为高电平）时，置入数据。
黄灯灭（Y=0）而红灯亮（R=1）开始减计数。
4.汽车模拟控制电路
这一部分电路参考图4。
当黄灯（Y）或红灯（R）亮时，则这端为高（H）电
平，在CP移位脉冲作用下，而向前移位，高电平“H”从QH一直移到QA（图中74LS164-1）由于绿灯在红灯和黄灯位高电平时，它为低电平，所以74LS164-1QA的信号就不能送到74LS164-2移位寄存器的RI端。
这样，就模拟了当黄、红灯亮时汽车停止的功能。
而当绿灯亮，黄、红灯灭（G=1，R=0，Y=0）时，74LS164-1、74LS164-2都能在CP移位脉冲作用下向前移位。
这就意味着绿灯亮时汽车向前运行这一功能。
要说明一点，交通灯控制器实现方法很多，这里就不一一举例了。
课题二多路防盗报警电路的设计
一、设计任务
设计一个多路防盗报警电路，要求：
（1）输入电压：
DC12V。
（2）输出信号：
同时驱动LED和继电器。
（3）具有延时触发功能。
（4）具有显示报警地点功能。
（5）可以根据需要随时扩展报警路数。
二、提示
多路报警器采用多路输入、同一报警输出方式实现。
输入端带延时触发功能。
多路报警器原理框图如图6.1
图2.1多路报警器原理框图
参考电路如图6.2所示，包括：
（1）触发电路：
按键S代表报警轻触开关，当开关按下时，电容C1经电阻R1充电，实现延时触发电路；再经过三极管BG放大，驱动晶体管Q，点亮LAMP-1指示灯，指示报警，同时信号经过二极管D触发后续报警电路。
（2）报警电路：
报警电路由NE555和驱动电路构成。
图2.2多路报警器参考电路
三、设计要求
（1）查阅资料选择温度传感器。
（2）设计温度测量电路（确定温度与电压之间的转换关系）。
（3）设计温度显示电路（显示的数字应反映被测量的温度）。
（4）画出数字温度计电路图，读数范围0～100℃，读数稳定。
四、提供器材
（1）发光二级管3个
（2）扬声器1个
（3）PNP三极管
（4）555定时器1片。
（5）可控硅1个
（6）电阻、电容若干。
（7）面包板2块。
课题三数字温度计
一、设计任务
设计一个测试温度范围为0～100℃的数字温度计。
二、提示
数字温度计一般由温度传感器、放大电路、模数转换、译码显示等几个部分组成。
图5.1是数字温度计的原理图。
图3.1数字温度计的原理图
（1）温度传感器
温度是最普通最基本的物理量，用电测法测量温度时，首先要通过温度传感器将温度转换成电量，温度传感器有热膨胀式（双金属元件和水银柱开关），温差电势效应电压式（热电偶），电阻效应式电阻温度计（有铂、镍及镍铁合金和热敏电阻）。
半导体感受式（测温电阻、二极管和集成电路器件如AD590）。
AD590是一种单片集成的两端式温度敏感电流源，它有金属壳，小型的扁平封装芯片和不锈钢等几种封装方式，它是一个电流源，所流过电流的数值（μA级）等于绝对温度（Kelvin）的变数，其激励电压可以从+4V～+30V，适用的温度范围从-55℃～+110℃。
图5.2是它的应用示例图。
图3.2AD590应用示例
（2）温度的测量
在测量温度时，AD590往往要接到需要电压输入的系统中，图5.2是用两个AD590和一个运算放大器进行温度测量的基本电路，其输出电压VO=（T1-T2）50mv/℃，若T2=0℃，则为待测温度，当T1=T2时，由于AD590之间的失配或者有小的温度差，用电阻R1和R2能够调掉偏置。
（3）温度的数字显示
运算放大器输出电压需经A/D变换、译码器送至数码管显示。
应注意显示的温度数值与电压之间的换算关系。
三、设计要求
（1）查阅资料选择温度传感器。
（2）设计温度测量电路（确定温度与电压之间的转换关系）。
（3）设计温度显示电路（显示的数字应反映被测量的温度）。
（4）画出数字温度计电路图，读数范围0～100℃，读数稳定。
四、提供器材
（1）温度传感器AD590等。
（2）运算放大器μA7411片。
（3）模数转换器ADC08091片。
（4）译码器：
（自选）需将二进制数转换成BCD码。
（5）BCD码的七段码显示器74LS483片。
（6）数码管（共阴性）3只。
（7）电阻、电容若干。
（8）555定时器1片。
（9）面包板2块。
设计举例：
出租车计费器
一、设计任务
出租车自动计费器是根据客户用车的实际情况而自动计算、显示车费的数字表。
数字表根据用车起步价、行车里程计费及等候时间计费三项显示客户用车总费用，打印单据，还可设置起步、停车的音乐提示或语言提示。
1.自动计费器具有行车里程计费、等候时间计费和起步费三部分，三项计费统一用4位数码管显示，最大金额为99.99元。
2.行车里程单价设为1.80元/km，等候时间计费设为1.5元/10分钟，起步费设为8.00元。
要求行车时，计费值每公里刷新一次；等候时每10分钟刷新一次；行车不到1km或等候不足10分钟则忽略计费。
3.在启动和停车时给出声音提示。
二、设计方案
方案1采用计数器电路为主实现自动计费。
分别将行车里程、等候时间都按相同的比价转换成脉冲信号，然后对这些脉冲进行计数，而起价可以通过预置送入计数器作为初值，如图1的原理框图所示。
行车里程计数电路每行车1km输出一个脉冲信号，启动行车单价计数器输出与单价对应的脉冲数，例如单价是1.80元/km，则设计一个一百八十进制计数器，每公里输出180个脉冲到总费计数器，即每个脉冲为0.01元。
等候时间计数器将来自时钟电路的秒脉冲作六百进制计数，得到10分钟信号，用10分钟信号控制一个一百五十进制计数器（等候10分钟单价计数器）向总费计数器输入150个脉冲。
这样，总费计数器根据起步价所置的初值，加上里程脉冲、等候时间脉冲即可得到总的用车费用。
图1出租车计费器原理框图一
上述方案中，如果将里程单价计数器和10分钟等候单价计数器用比例乘法器完成，则可以得到较简练的电路。
它将里程脉冲乘以单价比例系数得到代表里程费用的脉冲信号，等候时间脉冲乘以单位时间的比例系数得到代表等候时间的时间费用脉冲，然后将这两部分脉冲求和。
如果总费计数器采用BCD码加法器，即利用每计满1km的里程信号、每等候10分钟的时间信号控制加法器加上相应的单价值，就能计算出用车费用。
图2出租车计费器原理框图二
方案2采用单片机为主实现自动计费。
单片机具有较强的计算功能，以8位MCS51系列的单片机89C51加上外围电路同样能方便地实现设计要求。
电路框图如图2所示
方案3采用VHDL编程，用FPGA/CPLD制作成“自动计费器”的专用集成电路芯片ASIC，加上少数外围电子元件，即能实现设计要求。
将各种方案进行比较，根据设计任务的要求，各方案的优缺点、设计制作所具备的条件，任选其中的一种方案作具体设计。
本例作为传统电子设计方法的实例，采用方案1实现。
三、各单元电路设计
1.里程计费电路设计
图3里程计费电路
里程计费电路如图3所示。
安装在与汽车轮相接的涡轮变速器上的磁铁使干簧继电器在汽车每前进10m闭合一次，即输出一个脉冲信号。
汽车每前进1km则输出100个脉冲。
此时，计费器应累加1km的计费单价，本电路设为1.80元。
在图3中，干簧继电器产生的脉冲信号经施密特触发器整形得到CP0。
CP0送入由两片74HC161构成的一百进制计数器，当计数器计满100个脉冲时，一方面使计数器清0，另一方面将基本RS触发器的Q1置为1，使74HC161（3）和（4）组成的一百八十进制计数器开始对标准脉冲CP1计数，计满180个脉冲后，使计数器清0。
RS触发器复位为0，计数器停止计数。
在一百八十进制计数器计数期间，由于Q1=1，则P2=/CP1，使P2端输出180个脉冲信号，代表每公里行车的里程计费，即每个脉冲的计费是0.01元，称为脉冲当量。
2．等候时间计费电路
图4等候时间计费电路
等候时间计费电路如图4所示，由74HC161
（1）、
（2）、（3）构成的六百进制计数器对秒脉冲CP2作计数，当计满一个循环时也就是等候时间满10分钟。
一方面对六百进制计数器清0，另一方面将基本RS触发器置为1，启动74HC161（4）和（5）构成的一百五十进制计数器（10分钟等候单价）开始计数，计数期间同时将脉冲从P1输出。
在计数器计满10分钟等候单价时将RS触发器复位为0，停止计数。
从P1输出的脉冲数就是每等候10分钟输出150个脉冲，表示单价为1.50元，即脉冲当量为0.01元，等候计时的起始信号由接在74HC161
（1）的手动开关给定。
3.计数、锁存、显示电路
如图5所示，其中计数器由4位BCD码计数器74LS160构成，对来自里程计费电路的脉冲P2和来自等候时间的计费脉冲P1进行十进制计数。
计数器所得到的状态值送入由2片8位锁存器74LS273构成的锁存电路锁存，然后由七段译码器74LS48译码后送到共阴数码管显示。
图5计数、锁存、显示电路
计数、译码、显示电路为使显示数码不闪烁，需要保证计数、锁存和计数器清零信号之间正确的时序关系，如图6所示。
由图6的时序结合图5的电路可见，在Q2或Q1为高电平1期间，计数器对里程脉冲P2或等候时间脉冲P1进行计数，当计数完1km脉冲（或等候10分钟脉冲）则计数结束。
现在应将计数器的数据锁存到74LS273中以便进行译码显示，锁存信号由74LS123
（1）构成的单稳态电路实现，当Q1或Q2由1变0时启动单稳电路延时而产生一个正脉冲，这个正脉冲的持续时间保证数据锁存可靠。
锁存到74LS273中的数据由74LS48译码后，在显示器中显示出来。
只有在数据可靠锁存后才能清除计数器中的数据。
因此，电路中用74LS123
（2）设置了第二级单稳电路，该单稳电路用第一级单稳输出脉冲的下跳沿启动，经延时后第二级单稳的输出产生计数器的清零信号。
这样就保证了“计数—锁存—清零”的先后顺序，保证计数和显示的稳定可靠。
图6计数、锁存清零信号的时序图
图中的S2为上电开关，能实现上电时自动置入起步价目，S3可实现手动清零，使计费显示为00.00。
其中，小数点为固定位置。
4.时钟电路
时钟电路提供等候时间计费的计时基准信号，同时作为里程计费和等候时间计费的单价脉冲源，电路如图7所示。
图7时钟电路
在图7中，555定时器产生1kHZ的矩形波信号，经74LS90组成的3级十分频后，得到1Hz的脉冲信号，可作为计时的基准信号。
同时，可选择经分频得到的500Hz脉冲作为CP1的计数脉冲。
也可采用频率稳定度更高的石英晶体振荡器。
5.置位电路和脉冲产生电路的设计
在数字电路的设计中，常常还需要产生置位、复位的信号，如SD、RD。
这类信号分高电平有效、低电平有效两种。
由于实际电路在接通电源瞬间的状态往往是随机的，需要通过电路自动产生置位、复位电平使之进入预定的初始状态，如前面设计中的图5，其中S2就是通过上电实现计数器的数据预置。
图8表示了几种上电自动置位、复位或置数的电路。
图8开机置位、复位和置数命令产生电路
在图（a）中，当S接通电源时，由于电容C两端电压不能突变仍为零，使RD为0，产生Q置0的信号。
此后，C被充电使C两端的电压上升到RD为1时，D触发器进入计数状态。
图（b）则由于非门对开关产生的信号进行了整形而得到更好的负跳变波形。
图（c）和图（d）中的CC4013是CMOS双D触发器，这类电路置位和复位信号是高电平有效，由于开关闭合时电容可视为短路而产生高电平，使RD=1，Q=0；若将此信号加到SD，则SD=1，Q=1;置位、复位过后，电容充电而使RD
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