数字电路课程设计交通灯.docx
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数字电路课程设计交通灯
课程设计任务书
学生姓名：
王明专业班级：
通工0807
指导教师：
刘峰工作单位：
通信与信息工程学院
题目:
初始条件：
1.十字路口交通管理控制器的设计
任务说明：
在主、支道路的十字路口分别设置三色灯控制器，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮要求压线车辆快速穿越。
根据车流状况不同，可调整三色灯点亮或关闭时间。
图1交通管理控制器框图
设计要求：
（1）基本部分
①可用LED模拟交通灯；
②主道路绿、黄、红灯亮的时间分别为60秒、5秒、25秒；
次道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、65秒；
③主、次道路时间指示采用倒计时制，用2位数码管显示。
时序关系应该符合如下要求：
图2交通灯时序图
（2）扩展部分
①主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置；
②主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整。
目录
一、原理电路设计…………………………………………………………………1
（1）方案选择…………………………………………………………………1
方案一…………………………………………………………………1
方案二…………………………………………………………………2
（2）单元电路设计……………………………………………………………3
时钟脉冲产生电路……………………………………………………3
控制电路………………………………………………………………4
时间设置电路…………………………………………………………5
计数电路………………………………………………………………6
显示输出电路…………………………………………………………6
红绿灯控制电路………………………………………………………8
（3）十字路口交通管制控制器电路图……………………………………….9
二、仿真及调试……………………………………………………………………10
仿真软件介绍…………………………………………………………………10
功能测试……………………………………………………………………..11
时间显示的调试……………………………………………………………..11
时间预置的调试……………………………………………………………..12
扩展功能的调试……………………………………………………………..14
电路的整体调试……………………………………………………………..15
主要芯片功能………………………………………………………………..18
三、心得体会……………………………………………………………………..21
元件清单………………………………………………………………………22
参考文献………………………………………………………………………22
一、原理电路设计
（1）、方案选择
方案一、
最初考虑用题目给定的参考原理框图
此方案逻辑清晰，通过计数器和组合逻辑电路来控制主次红黄绿灯的亮与灭，在交通灯亮灭的同时，再通过组合电路来控制主次道的计数，比如计数器通过组合逻辑电路使红灯亮，同时通过组合电路使主道开始计数。
此电路的缺点：
由于主次道红黄绿灯的时序要求不同，通过计数器和组合逻辑电路来控制主次道红绿灯的亮灭会是组合逻辑电路变得很复杂，主次道实现定时倒计数比较困难，而且为接近实际情况应该设置置数控制来对等亮灭的时间进行调整等，对图1的原理框图来说，每一次调整都需要重新改编组合逻辑电路，这个过程相当繁杂。
方案二、
该方案思路清晰明了，本方案中秒脉冲信号同时接入主次计数电路可以保证主次电路时序的同时性。
通过开关控制主次控制电路的初始状态，控制电路通过不同的状态来控制倒计数电路的置数，然后倒计数电路反馈信号改变控制电路的状态，进而改变倒计数电路的置数，如此循环。
主次预置电路可以随时更改红黄绿的亮灭的时间，也可以控制灯红黄绿灯哪个先亮，实现了电路的可控制性，更接近实际情况。
相对来讲，第二个放案原理更清晰，可操作性更强，也更符合实际情况，故选择第二个方案。
（2）单元电路的设计
1脉冲产生电路：
用555产生，电阻，电容
使用555定时器构成多谐振荡器，使得f=1HZ。
先将555定时器接成施密特触发器的结构，即将2，6端并联，再与RC构成的充放电电路的串联点连接，将7端接到放电点。
，要使得f=1HZ6，所以可令C=10uF,
=15KΩ,
=68KΩ,将数据代入到公式可得f约等于1HZ。
脉冲产生电路
产生方波的波形图
2、控制电路
由于有显示灯红黄绿三种，故控制电路设计为00-01-10-00三种状态循环变化
Q1nQ0n
Q1n+1Q0n+1
00
01
01
10
10
00
用两个JK触发器来实现
计数器反馈信号
Q1
Q0
状态由00-01-10-00循环变化时，主道显示灯绿黄红依次循环，次道红绿黄灯依次循环。
3、时间设置电路
主次分别采用4片双4选一数据选择器74253芯片
从左至右四片74253芯片的输出1Y2Y1Y2Y1Y2Y1Y2Y分别接至高低位计数器的输入端DCBADCBA
74253的输入AB分别接控制电路的QOQ1
从左至右四片74253芯片的输入八个C0为绿灯时间设置，八个C1为黄灯时间设置，八个C2为红灯的时间设置。
如主道路八个C0依次设置为01100000，
八个C1依次设置为00000101，八个C2设置为00100101，八个C3依次设置为00000000，即在电路工作时，显示电路会从600525倒计时。
4、计数电路
计数电路左边192为高位片，右边192为低位片，低位片DOWN输入秒脉冲信号，高低位片的DCBA输入分别为时间设置电路的从左至右的八个Y输出端。
高低位片的输出QAQBQCQD全部相或，作为高低片的置数信号控制电路的时钟信号。
当计数器倒计时为00000001时，当下一个低位片的脉冲上升沿来临时，输出信号变为00000000时，反馈置数信号（八个输出相或）变为0，产生一个下降沿脉冲，使控制器状态发生改变，这是置数信号仍然为0实现置数。
当置数完成后置数信号才变为1，然后开始正常倒计数。
5显示输出电路
主次显示电路各用两片7448芯片和2片BCD七段译码器
两片7448的输入DCBA分别连接74192芯片的输出QDQCQBQA
6、红黄绿灯控制电路
红黄绿灯控制电路
由于控制器的状态为00-01-10-00循环，所以对于主道路来说当为状态为00时计数器倒计时60秒绿灯亮，状态为01时计数器倒计时5秒黄灯亮，状态为10时计数器倒计时25秒红灯亮。
用三个与门即可实现，Q0’Q1’,Q0Q1’,QO’Q1,
控制红黄绿三个指示灯。
当计数器计数到00000000时产生控制电路的下降时钟脉冲信号，继而使控制器的状态发生改变，即在00-01-10-00这三种状态之间循环，利用这三种状态的循环来设计红黄绿灯的控制电路。
为了增强电路的扩展功能，可以在计数器的置数信号和控制开关相与来控制两个触发器的时钟脉冲信号，因此当将主道的开关A掷0，打开秒脉冲发生器。
然后将开关掷1即可开始计数，若需要控制从那种颜色的灯先开始计时，先将开关置1然后置0，即可产生一个下降沿脉冲，同时也是一个置数信号。
可以置数为控制器控制的下一状态。
二、仿真及调试
EWB仿真软件简介
随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。
电子设计自动化（EDA）技术，使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。
EDA是在计算机辅助设计（CAD）技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。
与早期的CAD软件相比，EDA软件的自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快，而且操作界面友善，有良好的数据开放性和互换性。
电子工作平台ElectronicsWorkbench（EWB）（现称为MultiSim）软件是加拿大InteractiveImageTechnologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件，它具有这样一些特点：
（1）采用直观的图形界面创建电路：
在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；
（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。
（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。
（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。
因此非常适合电子类课程的教学和实验。
功能测试
时间显示的调试
因此在调试之初，高位片的借位信号作为计数器的置数控制信号
在调试过程中存在00这种输出状态，这样就会导致红黄绿灯亮的时间分别为60-00，05-00,25-00。
这样每种灯亮的时间就会增加一秒成为61秒，6秒，26秒。
这样就不符合题目要求的时序。
所以需要想办法消除00这种状态。
后来想到00000000这种状态来作为计数器的置数信号，同时这样就会要求除00000000这种状态，其他状态时计数器都能正常倒计数。
所以考虑到将计数器的八个输出端相或作为置数信号。
这个时候也恰好产生一个下降沿来使控制电路输出状态转化，进而使预置数电路的输出变化，然后输入到计数器，这样刚刚好能达到效果。
虽然用到了两个四输入与门和一个二输入与门，但是能有效地消除00这种状态。
使得时序满足设计要求，另外计数过程也更符合实际情况。
时间预置的调试
在设计之初，考虑到用尽量少的芯片作为时间的预置数电路，或者是直接用控制器的不同状态在计数器上实现预置数，但是这样需要用到比较多的逻辑门电路，是电路变得复杂，而且每次调整时间都的重新设计组合逻辑电路，比较繁琐。
后来考虑到用编码器来进行时间预置。
到参考了二~十进制优先编码器。
这是一种可行的时间预置电路，由于输出的有效状态是高电平，所以需在每个输出端加一个非门。
由于是优先编码器，时间预置时只需要考虑优先端，其他端保持输入高电平即可，在控制电路输出一种状态对对应的置数读入时，其他状态的置数都无效。
由于控制电路的输出又00-01-10-00循环，所以考虑到用二输入的四选一选择器来进行置数，这样思路更清晰，操作起来比较方便，所以最终选择用双四选一的74253数据选择器来进行时间预置。
虽然使得时间预置数的芯片由四片变为了最终的八片，但这样更直观，所需要预置的数直接译为二进制码，然后分别在各74253芯片的C0,C1,C2端输入即可。
比如要把时间设置为60,5,25。
只需将八个C0端设为01100000，八个C1端设置为00000101，八个C2端设为00100101。
扩展功能的调试
在设计的电路能完成任务要求后，我考虑通过对电路的局部修改来实现扩展功能。
为了增强电路的扩展功能，可以在计数器的置数信号和控制开关相与来控制两个触发器的时钟脉冲信号，因此当将主道的开关A掷0，打开秒脉冲发生器。
然后将开关掷1即可开始计数，若需要控制从那种颜色的灯先开始计时，先将开关置1然后置0，即可产生一个下降沿脉冲，同时也是一个置数信号。
可以置数为控制器控制的下一状态。
虽然很好的实现了扩展功能，使得任务的所有要求都能很好的实现。
但是在这个时候我产生了一个疑问。
这是一个关于时间延迟的问题。
在计数器的输出变为00000000的瞬间，置数信号变为低电平，同时控制器产生下降脉冲，使得其状态发生改变，我觉得置数信号没有通过组合逻辑电路，应先于控制器状态改变发生置数。
比如，控制器输出为00时，时间预置为60。
当计数器的输出产生置数信号时，由于时间延迟，这一瞬间，时间预置电路应该没有选择到05。
所以，时间预置应该还是60。
这种疑问并不是没有意义，如果是在做电路实物时出现这用延迟，肯定就不能达到在电脑上仿真时的效果。
后来想到，假设真是预置时间还是60不变，在置数完成之前，指数信号输出仍然是0，此时计数器仍然处与置数状态，这是时间预置电路应经变为了下一个状态05，然后计数器就置数为05，所以最终置数后输出会是下一个状态05（经验证这中间确实存在一个跳变即显示输出由60跳变为5，不过时间非常短暂），置数信号变为1，计数器开始正常工作。
在电路调试过程中很多时候都会遇到这种临界状态的时序问题，各种电路变化的先后问题，分析好这些情况才能更好的了解电路，对错误进行有针对性的迅速的调整，设计出比较好的电路。
电路的整体调试
将主道的开关A掷0，打开秒脉冲发生器。
然后将开关掷1即可开始计数，若需要控制从那种颜色的灯先开始计时，先将开关置1然后置0，即可产生一个下降沿脉冲，同时也是一个置数信号。
可以置数为控制器控制的下一状态。
次道亦同。
该电路测试过程过:
主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置；
主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整；
满足任务的要求
主要芯片功能
74192
74LS192为可预置数的十进制同步加法/减法计数器，192的预置是异步的，当置入控制端LOAD为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端即可预置诚与数据输入端相一致的状态。
192的计数是同步的，靠CPd，CPu同时加在四个触发器上而实现。
当进行加计数或减计数时可分别利用CPd或Cpu，此时另一个时钟为高电平。
当计数器上溢出是，进位输出端（CO）输出一个低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（BO）输出一个低电平脉冲。
右图为74LS192的引脚图
74253
为双四选一芯片
7448
7448七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。
该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。
7448的功能表如表5.3.4所示，它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下：
1.灭灯输入BI/RBO
BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。
当BI/RBO作输入使用且BI＝0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a～g均为0，所以字形熄灭。
2.试灯输入LT
当LT＝0时，BI/RBO是输出端，且RBO＝1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1,显示字形8。
该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。
7488功能表
3.动态灭零输入RBI
当LT＝1，RBI＝0且输入代码DCBA＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与BCD码相应的字形
熄灭，故称“灭零”。
利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。
此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。
4.动态灭零输出RBO
BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。
当LT＝1且RBI＝0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT＝1且RBI＝1，则RBO=1。
该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。
从功能表还可看出，对输入代码0000，译码条件是：
LT和RBI同时等于1，而对其它输入代码则仅要求LT＝1，这时候，译码器各段a～g输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求。
心得体会
通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。
电路原理和连接，和芯片上的选择,也略懂。
在设计电路之初应该根据电路所需要达到的功能和效果来构建初步的逻辑框图，然后再进一步完善逻辑框图，之后根据逻辑框图来分部分思考电路，实现电路。
在实现电路的过程中也应该结合实际情况，在实现的同时，比较各种能实现这部分功能的电路，择优选择，最后将各个部分连接起来。
对于数字电路来说，对于一些时序的临界状态，状态装换问题，应该多思考分析，然后调试，才能发现问题，找到解决方案。
设计过程中应善于查找利用资料。
巩固数字逻辑电路的理论知识，方案总共只用了十二个芯片，对192计数器更加了解，懂得它的功能与其它芯片替换等.使JK触发器从书本上的理论知识联系到实际,让我更加了解它的功能.还有如何利用555芯片产生秒脉冲.计数器的工作原理。
更重要的是如何将逻辑电路灵活运用于实际生活。
我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。
故一个小小的课程设计，对我们的作用是如此之大。
元件清单
元件
数量
74LS192
4片
7448
2片
74253
8片
JK触发器
4个
LED二极管和BCD七段数码管
6个2个
与门
8个
4输入或门和2输入或门
分别为4个，2个
电阻电容
若干
555定时器
1个
主要参考文献
1《数字电子技术基础》（伍时和主编吴友宇凌玲副主编）
2、《数字电路逻辑设计》（脉冲与数字电路第三版）
王疏银主编高等教育出版社
3、《数字电路实验指导书》
（西安邮电学院电子与信息工程系）
张亚婷王利杨乐周丽娟郭华编
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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