数字电路课程设计交通灯.doc

1、 数字逻辑电路设计课程设计报告系 （部）： 三系 专 业： 通信工程 班 级： 2011级班 姓 名： 学 号： 成 绩： 指导老师： 开课时间： 2012-2013 学年 二 学期数字电路课程设计交通灯一、设计题目 交通信号灯控制器二、主要内容1、 分析设计题目的具体要求2、 完成课题所要求的各个子功能的实现3、 用multisim软件完成题目的整体设计三、具体要求（一）、交通灯信号控制器仿真设计设计要求（1） 设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求东西方向和南北方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为35s。时间可设置修改。（2） 在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5s，才能变

2、换运行车道。（3） 黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。（4） 东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示。（5） 假定+5V电源给定。四、进度安排第一天：介绍所用仿真软件；布置任务，明确课程设计的完整功能和要求。第二天：消化课题，掌握设计要求，明确设计系统的全部功能，图书馆查阅资料。第三天：确定总体设计方案，画出系统的原理框图。第四天：绘制单元电路并对单元电路进行仿真。第五天：分析电路，对原设计电路不断修改，获得最佳设计方案。第六天：完成整体设计并仿真验证。 第七天：对课程设计进行现场运行检查并提问，给出实践操作成绩。第八天：完成实践报告的撰写五、成绩评定课程

3、设计成绩按优、良、中、及格、不及格评定，最终考核成绩由四部分组成：1、 理论设计方案，演示所设计成果，总成绩40；2、 设计报告，占总成绩30；3、 回答教师所提出的问题，占总成绩20；4、 考勤情况，占总成绩10；无故旷课一次，平时成绩减半；无故旷课两次平时成绩为0分，无故旷课三次总成绩为0分。迟到20分钟按旷课处理。目 录前 言51、总体设计思路、基本原理和框图61.1设计思路61.2设计原理和功能61.2.1基本功能61.3总体设计框图72、单元电路设计72.1各芯片的用法和功能72.1.1 555定时器72.1.2 74LS13882.1.3 74LS192102.1.4 74LS15

4、3112.2 单元模块122.2.1 秒脉冲信号发生器12 2.2.2 计时器132.2.3控制器142.2.4信号灯显示器162.2.5 总电路图173、电路仿真调试173.1计数器的仿真173.2控制显示器的仿真184、故障分析与电路改进214.1 故障分析和解决214.2电路改进225、总结236、心得体会247、元件清单258、参考文献25前 言现如今，随着人口和汽车的日益增长，城市交通日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。交通信号灯常用于十字路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。有了交通灯人们的安全出行有

5、了很大的保障。 自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化、科学化、简便化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。本实

6、验设计目的是培养数字电路的能力，掌握交通信号灯控制电路的设计方法。1、总体设计思路、基本原理和框图1.1设计思路根据设计任务与要求, 系统由秒脉冲信号发生器、计数器、控制器、信号灯显示器四大部分组成。其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号，通过定时器向控制器发出两种定时信号，使相应的发光二极管发光。计数器在控制器的控制下，改变交通灯信号，产生倒计时时间显示，控制器根据计数器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。根据所学知识，秒脉冲信号发生器可由555定时器构成多谐振荡器实现，计数器可由74LS192实现，控制器可由D触发器实现。1.2设计原理和功能甲车道和乙车道的十

7、字路口交通灯系统，每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3个灯组成，绿灯表示允许车辆通行，红灯表示禁止通行，黄灯为过渡灯，表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。图1.11.2.1基本功能1.东西方向和南北方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为35s。时间可设置修改。2.在绿灯转为红灯时，黄灯先亮5s，才能变换运行车道。3.黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。4.东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示。1.3总体设计框图图1.3总设计框图2、单元电路设计2.1各芯片的用法和功能2.1.1 555定时器555定时

8、器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触

9、发端3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555定时器的功能表如表所示清零端高触

10、发端TH低触发端Q放电管T功能00导通直接清零101x保持上一状态保持上一状态1101截止置11001截止置11110导通清零表2.1.1图2.1.12.1.2 74LS138 74LS138为3 线8 线译码器，共有 54LS138和 74LS138 两种线路结构型式。工作原理1.当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2)和/(E3)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。2.利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译

11、码器。3.若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。4.可用在8086的译码电路中，扩展内存。引脚功能如图图2.1.2A0A2：地址输入端STA（E1）：选通端/STB（/E2）、/STC（/E3）：选通端（低电平有效）/Y0/Y7：输出端（低电平有效）VCC：电源正GND：地真值表如表输入输出STA/STB/STCA2A1A0/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y7HHHHHHHHHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHH

12、LLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL表.1.22.1.3 74LS192具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图6所示。其中PL为置数端，CPu为加计数端，CPd为减计数端，TCu为非同步进位输出端，TCd为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。图2.1.3 74LS192的引脚图及逻辑符号74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。CO为进位输出：1

13、001状态后负脉冲输出BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。其功能表如下： 输入 输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1 0000 0 0 dcbadcba 0 1 1 加计数 0 1 1 减计数表2.1.3 74LS192的功能表2.1.4 74LS153所谓双4选1数据选择器就是在一块集成芯片上有两个4选1数据选择器。其引脚排列及逻辑符号如下所示： 图2.1.4 1G、2G为两个独立的使能端；B、A为公用的地址输入端；1C01C3和2C02C3分别为两个4选1数据选择器的数据输入端；Y1、Y2为两个输出端。 1.当使能端1G（2G）1时，多路开关被禁止，无输出，Y0。 2.当使能

14、端1G（2G）0时，多路开关正常工作，根据地址码B、A的状态，将相应的数据C0C3送到输出端Y。 B A00 则选择CO数据到输出端，即YC0。B A01 则选择C1数据到输出端，即YC1，其余类推。其功能表如下：选择输入数据输出选通输入输出BAC0C1C2C3GYLLLLLHLLLHLHLHLLLLHHLHHLLLLHLHLHHHLLLHHHLH表2.1.42.2 单元模块2.2.1 秒脉冲信号发生器本实验采用555定时器组成秒脉冲信号发生器。因为该电路的输出脉冲的周期T0.7(R1+2R2)C,若T=1s，令C3=390f，R7=50K,那么R244.2K。其它参数为：C4=10nF。如图

15、3所示。 图2.1.12.2.2 计时器这里是采用两片74192两片芯片构成4和10进制计数器,控制个位数字的74192的减计数控制端接1HZ的脉冲输入,控制十位数字的74LS192的减计数控制端接在控制个位数字的74192的借位端，这样控制个位数字的74192减至0时借位端产生一个负脉冲输入至控制十位数字的74LS192，使十位减一。两个74192的的置位端分别接开关，这样可以实现任意置数，输出端接四输入LED显示屏，显示减计数。将两个192的Qd与非接至置数端，当两个192都减计数完毕时两段共同置数。图2.2.22.2.3控制器控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工

16、作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如图5所示。输 入输入现 态状态转换条件次 态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 控制器的状态转换表根据表2，写出状态方程和状态转换信号方程为：根据Q1和Q0的函数特点，可以用四选一数据选择器和D触发器实现，设A1A0 = Q1nQ0n ，其他变量通过数据输入端输入。数据选择器用74LS153，触发器用74LS74。设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将TL、TS看作输入信号，按

17、照由数据选择器实现逻辑函数的方法实现以上三个逻辑函数，并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端，数据选择器的输入端信号可以根据状态方程和转换信号方程得出。就可得到控制器的原理图，触发器的时钟输入端输入秒脉冲。图2.2.32.2.4信号灯显示器 可以列出甲乙车道信号灯的状态表如图表2.2.4得出信号灯的状态方程甲车道：AG= Q1*Q0 AY= Q1*Q0 AR=Q1 乙车道：BG= Q1*Q0 BY= Q1*Q0 BR= Q1可以用4线-16线译码器74LS138实现，由于74138输出的是低电平有效，所以要使输出信号反转。由于黄灯要求每秒闪一下，所以将控制黄灯的信号与秒脉冲信号发生器接在

18、一起。图2.2.42.2.5 总电路图图2.2.53、 电路仿真调试4、 3.1计数器的仿真图3.1这里是采用两片74192两片芯片构成4和10进制计数器,控制个位数字的74192的减计数控制端接1HZ的脉冲输入,控制十位数字的74LS192的减计数控制端接在控制个位数字的74192的借位端，这样控制个位数字的74192减至0时借位端产生一个负脉冲输入至控制十位数字的74LS192，使十位减一。两个74192的的置位端分别接开关，这样可以实现任意置数，输出端接四输入LED显示屏，显示减计数。将两个192的Qd与非接至置数端，当两个192都减计数完毕时两段共同置数。按照设计要求从40s开始倒计时

19、，所以按下J3开关，将减计数器置位到40，随后在秒脉冲信号的作用下计数器每秒减一，直到减至00，再次指数到40，减至00，不断循环。3.2控制显示器的仿真数据选择器用74LS153，触发器用74LS74。设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将TL、TS看作输入信号，按照由数据选择器实现逻辑函数的方法实现以上三个逻辑函数，并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端，数据选择器的输入端信号可以根据状态方程和转换信号方程得出。就可得到控制器的原理图，触发器的时钟输入端输入秒脉冲。用4线-16线译码器74LS138实现，由于74138输出的是低电平有效，所以要使输出信号反转。由于黄灯要求每秒闪一下，所

20、以将控制黄灯的信号与秒脉冲信号发生器接在一起。图3.2(a)刚开始IO1，IO2端输入0，0，触发器现态次态均为00，显示为绿灯红灯，图3.2(b)随后，35s后，计数器给控制器TL=1的输入，次态变为01，绿灯变为黄灯闪烁图3.2(c)5s过后，计数器给控制器Ty=1的输入，状态变为11，黄灯变红灯，红灯变绿灯图3.2(d)35s过后，计数器给控制器TL=1的输入，绿灯变黄灯闪烁，随后5s过后，黄灯变成红灯，红灯变成绿灯，一个循环结束。4、故障分析与电路改进4.1 故障分析和解决图4.1原本计时器我是这样设计的，IO3端为计时器给控制器的的输入TY，TY与置位端连在一起，意为两个减计数器减为

21、00时发出一个正脉冲，可是我发现当我将减计数器连至总电路图时，TY相当于没有输入1，我猜想可能这只是正脉冲，信号很短，所以我做了改进。4.2电路改进图4.2(a)我将两个减计数输出端或非作为TY信号，这样当减计数为00时，给予一个高电平信号，这样电路得到了有效的改正和优化。另外我加了三组显示屏，这样更加贴近实际的使用情况。图4.2(b)5、总结我的交通灯课程设计分为四个状态，分别为甲绿乙红，甲黄乙红，甲红乙绿，甲红乙黄四个状态，分为秒脉冲信号发生器，控制器，计时器，信号灯显示器四个模块，可整合成可调计时器和控制显示器两个子电路图。秒脉冲信号发生器主要由555定时器组成的多谐振荡器构成，提供1H

22、z的秒脉冲信号。计时器由两个74LS192计数器构成四十进制减计数器，计数器可随意置位，由秒脉冲函数发生器提供秒脉冲按秒减计数，每次减计数到05时，减计数会给控制器提供一个TL=1的输入，每次减计数到00的时候，计数器会给控制器Ty=1的输入，这样控制状态的转换。控制器由一个74LS153数据选择器和两个74LS74N D触发器组成，控制器是交通灯的核心，控制各个状态之间的转换和交通信号灯的转换，74LS74N由秒脉冲信号发生器提供秒脉冲，接收计时器TL35秒倒计时信号和TY5秒倒计时信号的输出。信号灯显示器由74LS138译码器组成，译码器根据状态Q1，Q0的不同输出不同的值，从而控制不同信

23、号灯的亮灭。6、心得体会经过两周的努力，我终于完成关于交通灯控制电路的电子课程设计，通过两周不断的查资料让我积累了许多实际操作经验，已初步掌握了数电的应用技术，以及数字电路的知识和有关器件的应用，我深刻体会到了数子电路技术对当今现代社会的重要作用。经过这次设计，我学会了许多东西，学会了严密的思考，构想及怎样把计划付诸于实际行动之中。同时与社会的不断高速发展的步伐相比，我认识到自己所学的知识和技能还远远不足，有些实际性的问题还不能够解决，缺少很多有实际运用价值的知识储备，缺乏应有的动手解决实际问题的能力，缺乏些高效利用及筛选大量资料的能力，缺乏资源共享及应有的团队合作精神，有待进一步提高，我应当

24、学好自己的专业知识以适应不断发展的社会。在这次课程设计中，我学会了如何有效的利用网络资源及图书馆的藏书，找到了几个很不错的专业网站，为以后的查阅专业方面的信息和相互之间的交流打下了坚实的基础，学会了如何看电路图，识别电路图，提高了自己的专业技能，同时也培养了自己独立解决实际问题的能力，也培养了自己认真和严谨的科学态度，收到了很大的启发，为以后的工作积累了些宝贵的经验。7、元件清单NE5551个电容10nF1个74LS1532个固定电阻44.2K1个74LS1922个电容390nF1个74LS74N1个开关8个74LS1381个LED数码显示管2个固定电阻50K1个74LS00N1个8、参考文献1数字逻辑电路试验及课程设计指导书 自编2王连英，基于Multisim10的电子仿真实验与设计,北京邮电大学出版社，2010.2 :345-3683康华光，电子技术基础数字部分，高等教育出版社，2012.325