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数字逻辑课程设计报告——交通灯控制器学院名称：电子工程学院学生姓名：专业名称：班级：实习时间：2013年6月3日——2013年6月14日一．系统功能概述红绿灯交通信号系统为模拟实际的十字路口交通信号灯。外部硬件电路包括：两组红黄绿灯（配合十字路口的双向指挥控制）、一组手动与自动控制开关（针对交通警察指挥交通控制使用）、倒计时显示器（显示允许通行或禁止通行时间）。红绿灯交通信号系统外观示意图如下图所示。一．任务和要求1．在十字路口的两个方向上各设一组红黄绿灯，显示顺序为其中一方向是绿灯、黄灯、红灯；另一方向是红灯、绿灯、黄灯。2．设置一组数码管，以倒计时的方式显示允许通行或禁止通行时间，其中一个方向上绿灯亮的时间是20s，另一个方向上绿灯亮的时间是红灯黄灯绿灯红灯黄灯绿灯30s，黄灯亮的的时间都是5s。3．选做：当任何一个方向出现特殊情况，按下手动开关，其中一个方向常通行，倒计时停止。当特殊情况结束后，按下自动控制开关，恢复正常状态。三．总体思路概述从功能上，交通灯控制信号可以划分为4个独立的模块，分别为时钟产生模块、状态转换模块、计时模块、显示模块。各功能模块的划分及相互之间的关系如下图所示。计时显模示块模块交通灯控制系统的4个功能模块时钟产生模块置数单元计时单元状态转换模块信号灯控制单元数码管控制单元四．单元电路设计1．时钟产生模块时钟产生模块的功能是负责产生频率为1Hz的秒脉冲信号，为计时模块提供计数脉冲。可以用来产生时钟信号的电路有很多，如石英晶体振荡器、RC振荡器、555多谐振荡器等，可以根据频率稳定度和精确度要求选择使用。我们用的是555多谐振荡器。如图：555多谐振荡器2.状态转换模块状态转换模块的功能是控制两个方向上信号灯状态的转换。通常十字路口的交通要道分为主干道和支干道，主干道的通行时间要大于支干道的通行时间。这里定义主干道的通行时间为30秒，支干道的通行时间为20秒，准备禁止时间为5秒。根据主干道和支干道的通行状况可以分为4种状态。S0：主干道通行30秒，支干道禁行30秒。（主绿支红）555+5v48762134.7k150k4.7uf0.1ufS1：主干道准备禁行5秒，支干道禁行5秒（主黄之红）S2：主干道禁行20秒，支干道同行20秒。（主红之绿）S3：主干道禁行5秒，支干道准备禁行5秒（主红之黄）状态转换图如下图：S0S1S3S2采用同步时序电路的设计方法使用两个D触发器可以设计出状态转换模块的电路，一种比较简单的电路如下图所示：Q1Q0DQDQQ’Q’CP状态转换模块电路图该电路的状态转移表如下表：Q1nQ0nQ1n+1Q0n+1S0S1S2S30011011001101100状态转换模块的输入脉冲信号CP是由计时模块提供的反馈信号。状态转换模块的输出有两个用途：第一，控制主干道和支干道信号灯的状态；第二，为计时模块的置数单元提供输入信号。3．计时模块计时模块是交通灯控制系统的重要组成部件，它主要负责完成十字路口主、支干道4种通行状态的计时，分别为：S0（主绿支红）状态30秒；S1（主黄支红）状态5秒；S2（主红支绿）状态20秒；S3（主红支黄）状态5秒。计时模块由两部分组成，分别为置数单元和计时单元。置数单元根据当前所处状态，为计时单元提供对应的置数信号，作为开始计时的原始时间。计时单元以时钟产生模块提供的秒脉冲信号为基准进行计时，其输出信号有3路，第一路输出信号送往显示电路，驱动LED数码管显示计时时间；第二路输出信号作为反馈信号送往状态转换模块，作为状态转换模块的输入脉冲CP；第三路输出信号作为锁存信号，送往信号灯显示单元的锁存电路，以确定信号灯状态的稳定切换。计时单元采用倒计时方式。各状态下的计时状况如下：S0状态下30秒倒计时；S1状态下5秒倒计时；S2状态下20秒倒计时；S3状态下5秒倒计时。置数单元为计时单元提供计时起始值。在不同状态下，计时单元的计时起始值是不同的。我们知道，状态转换模块为各个状态提供了不同的状态编码，这就为置数单元实现其功能提供了便利。有了这些状态编码作为输入信号，置数单元就可以通过一套逻辑算法，将其转换为不同状态下的计时起始值。如下表列出了个状态下置数单元的输入输出关系。状态输入信号I1I0输出信号D7D6D5D4D3D2D1D0S0状态0011010110S1状态0111111011S2状态1111100110S3状态1011111011设输入变量为I1、I0，输出变量为D7~D0,，则输出逻辑表达式为：D7=D6=D1=1；D5=I1+I0；D4=I1I0的非；D3=D2的非=D0=I1异或I0；采用普通逻辑门可以设计出置数单元的逻辑电路图，如下图：置数单元的电路图为了完成计时初始值的设置，需要利用计数器的同步置数功能，在状态切换的时候，同步地讲计时初始值置入到计时单元的计数器种。这样，在新的状态开始时，计时单元将以新设定的计时初始值为基点开始倒计时。计时单元主要由两片集成同步二进制计数器74LS161构成，利用反馈置数法完成固定模值的计数。当计数状态到达11111111时，RCO1和RCO0同时由0变为1，此时可以取二者的与非作为反馈置数信号进行置数，讲D7~D0端的数据置入到芯片中，计数单元的电路图如下：4.显示模块显示模块的主要器件包括两组信号灯，两个数码管，以及数码管驱动芯片74LS48。按照功能可以分为两个单元：信号灯单元、数码管显示单元。(1)信号灯显示单元由锁存电路、代码变换电路，以及两组3种颜色共6个发光二极管构成。工作过程受状态转换模块和计时模块的控制，其中，状态转换模块为信号灯控制单元提供状态数据，计时模块为信号灯显示单元提供锁存信号。锁存电路对状态转换模块的输出进行采样和锁存，以保证信号灯状态的稳定切换。DQQ1’状态转换模块的Q1Q’Q1’的非来自计时模块的锁存信号DQQ0’状态转换模块的Q0Q’Q0’的非锁存电路的四路输出直接送往代码变换电路，由该电路将状态编码换算成主干道和支干道上的信号灯状态，进而控制发光二极管电路，这样就可以实现交通灯状态的显示了。状态编码到信号灯状态的变换关系状态Q1’Q0’主干道RYG支干道RYGS0S1S2S300011110001010100100100100001010由上表得：主干道：R=Q1’Y=Q1’的非与Q0’（G=Q1’的非）与（Q0’的非）支干道：R=Q1’的非Y=Q1’与（Q0’的非）G=Q1’Q0’电路图如下：上图需接一个限流电阻来保护发光二极管。(2)数码管显示单元负责倒计时在数码管上显示，数码管的公共端也要接一个限流电阻。电路图如下：数码管显示单元电路图5.总电路图五.电路组装、调试过程中遇到的问题及解决办法和注意事项1.数码管显示紊乱故障现象：计时控制部分独立工作时正常，接入彩灯控制显示部分反馈后出现逻辑错误。检查步骤：（1）检查电路各部分电路连接是否正常，部分管脚接触不良，按压芯片，使其完全解除故障仍未解除；（2）检测各输入、输出端口电压，部分管脚出现错误电平；（3）分析错误电平产生原因，无反馈回路，反相器输入正常，输出为错误电平，疑是74LS04反相器芯片自身故障。解决方案：更换故障芯片，数码管显示正常，重新检测各点电平值，无错误电平出现。2.注意事项(1)电路设计尽可能简化，做到模块化；（2）组装电路时，先单独组装振荡电路，测试无误后，再组装其他模块；（3）每个单元电路先独立组装，独立测试，功能正确后，单元电路之间才能互连；（4）所有数码管都要接限流电阻，所有发光二极管都要接限流电阻。阻值在100－500Ω之间；（5）所有器件的多余输入端不允许悬空，请按实际情况做合适的处理；（6）电路上电之前必须先进行静态测试，用万用表的电阻档测，所有的电源要连通，所有的地线要连通。电源和地之间的电阻应该在几kΩ以上，若电源和地之间的电阻过小，请不要加电，先检查电路是否有短路；（7）电路中的高电平正常情况下3V，低电平正常情况下0.4V。介于二者之间的电平为非正常电平，会造成逻辑错误（8）严禁带电插、拔元件及导线。六．心得体会为时12天的数字逻辑电路课程设计已经圆满结束，犹如白驹过隙，如今我已在忙碌着写总结报告，回想起实习过程，每个瞬间都是历历在目。6月3日，也就课程设计第一天，心潮澎湃的我赶忙奔赴实验室，第一节课，指导老师分配了三个小组不同的课题，我做的是交通灯控制，对我来说就是任务，必须完成的任务，然后详细讲解了每个课题的内容，设计过程，需要什么资料等，第一天任务不重，然后学生各自就赶往图书馆查阅资料，第一天我也挺迷茫的，不知如何设计，不过还是听懂了老师所讲的555多谐振荡器，它用来提供脉冲信号。然后一天接着一天很快就闪过，到了周三上午还是没有什么大的进展，只是弄好了振荡电路，自己也开始着急了，可能是资料阅读的少，头脑没有整体的规划，经过认真思考，自己复印了一些资料感觉挺有用，这才开始动手设计各功能模块，接着从周三到周五就一直忙着连接电路、布线、测试，电路连接了一次又一次，成功的喜悦似乎不能在我脸上出现，接下来的三天是最煎熬的，每次成功搭好电路然后加上电源，唯一闪亮的也就是脉冲模块了，这点闪烁肯定不能满足我的欲望，埋头苦干继续搭建我未来的基石，这两天可能是实习中最忙碌的时期，看着别的同学成功的喜悦，我知道自己还没有到那一步，等着我的还是继续努力，在这两天有晚上熬到两点，一天吃一顿饭的经历。周六那天下着大雨，虽然没有雨后的彩虹，但我知道我自己是可以看见的，终于，第二天，周末，在中午放学前，我看见彩虹了，它是有三种颜色在规定时间变换，是信号灯。接下来我在端午节假期选做了交通灯中断电路，成功地在第二周周四通过验收，完成任务。虽然我的理论知识不是最好的，但是我相信我的态度是最积极的。在此感谢指导老师的悉心指导，无私奋献！七．附录1.实验器材：器件型号数量器件型号数量1613LED81391电阻4.7k1861电阻150k1201电阻100Ω4081电容4.7µF1043电容1031002数码管2482面包板1741斜口钳155512.参考文献：（1）《数字电路与逻辑设计（脉冲与数字电路）第三版》王毓银主编高等教育出版社1999年（2）《数字电路实验指导》（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西安邮电大学数字逻辑课程设计过程考核及成绩鉴定表学生姓名班级/学号承担任务实验室（单位）电路与电子技术基础教学部所在部门电子工程学院实施时间2012年6月18日—2012年6月29日课程设计过程要求优良中及格不及格电路功能主控电路，两路交通灯显示正确减法计数功能正确灯、时同步正确特殊情况处理正确其它电路质量电路运行稳定元件布局合理连线简洁回答问题分析问题、解决问题能力电路原理清楚，能抓住重点设计报告设计思路清晰、图表齐全、各部分电路说明正确。学习态度□认真□一般□差学习纪律□好□一般□差实习综合成绩□优秀□良好□中等□及格□不及格指导教师签名年月日