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西安邮电学院数字电路课程设计报告书—交通灯控制器学院名称：计算机学院学生姓名：张晓洁（07）专业名称：计算机科学与技术班级：计科0803实习时间：2010年12月6日—2010年12月17日一、课程设计题目：交通灯控制器二、设计任务和要求：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。4.选做：用两组数码管，实现双向倒计时显示三、总体方案及单元电路设计：从功能上，交通灯控制系统可以划分为四个相对独立的模块，分别为时钟产生模块、状态转换模块、计时模块、显示模块。所需器件：面包版1个、芯片5551个、74LS741个、74LS081个、74LS001个、74LS1631个、74LS042个、74LS482个、4.7kΩ电阻1个、150kΩ电阻1个、0.01µf电容1个、4.7µf电容1个、100Ω电阻4个、二极管6个。交通灯控制系统设计的基本框图：时基电路20秒倒计时5秒倒计时30秒倒计时主控电路译码电路绿黄红(主)绿黄红(支)交通灯控制系统的四个功能模块：1.时钟产生模块：负责产生频率为1Hz的稳定秒脉冲信号，确保整个电路装置同步工作和实现定时控制，为计时模块提供计数脉冲。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，利用的2个电容（0.01µf和4.7µf）和2个电阻（150kΩ和4.7kΩ）。其中，芯片555的管脚OUT接两个74LS161的管脚2。2.状态转换模块：控制两个方向上的信号灯状态的转换。用一片双上升沿D触发器74LS74来控制这四个状态。状态转移图如下：Q2（现态）Q1（现态）Q2（次态）Q1（次态）0001011010111100设Q2与Q1为A和B。则Q2与Q1的现态可表示为：BQD11，ABQD22BA将5标B,9标A,记为AB,由可以得到四种状态，分别是绿红，黄红，红绿，红黄。状态转换模块的电路图如下：3.计时模块：负责完成十字路口主、支干道四种通行状态的计时，分别为：状态主干道支干道维持时间状态S1绿红30秒状态S2黄红5秒状态S3红绿20秒状态S4红黄5秒计时模块由两部分组成，分别为计时单元和置数单元。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，其输出信号有三路，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，以确保信号灯状态的稳定切换。置数单元根据当前所处的状态，为计时单元提供对应的置数信号，作为开始计时时的原始时间。①计时单元：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。当计数状态达到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电路置数信号进行置数，将D7~D0端的数据置入到芯片中。在二进制计数器74LS161的置数端用Q2、Q1控制。两个74LS161芯片，一个表示个位，一个表示十位，并在最后其输出端的输出加上非门，使其实现倒计时计数。74LS161是用来计数的，它的输出Q3,Q2,Q1,Q0可加到1111。则当为模30时，高位161得到的是D3,D2,D1,D0为1101，低位161得到的是D3,D2,D1,D0为0110；当为模20时，高位的161得到的是D3,D2,D1,D0为1110，低位的161得到的D3,D2,D1,D0为0110；当为模5时，高位的161芯片得到的是D3,D2,D1,D0为1111，低位的161芯片得到的是D3,D2,D1,D0为1011。而实现161芯片的高低，是通过控制高位的置数端，即用两个161的输出端CO的与非，并且低位的161的CO还控制高位的CTt和CTp，清零端应置为1（不需要清零）。改变输出端Q3,Q2,Q1,Q0的值，即取非，虽然全加器得到是加，但可实现显相管显示倒计时。其中令1表示灯亮，而0表示灯灭那么就可以用真值表来表示。上面控制部分得到得AB，利用以下真值表状态主支高位低位ABD3D2D1D0D3D2D1D0S10011010110S20111111011S31011100110S41111111011以上得到分别表示30秒，5秒，20秒，5秒，即绿红，黄红，红绿，红黄四种情况。计数单元的电路图如下：②置数单元：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（非门所用芯片为74LS04）。两个74LS48芯片的9~15管脚分别接两个数码管。置数单元的电路图如下：4.显示模块：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（适用于共阴极数码管）和D触发器74LS74。按照功能可以分为两个单元：信号灯显示单元、数码管显示单元。注意：两组红绿黄信号灯必须按图中的接，颜色顺序不可改变。为保护器件，每个数码管需接2个100Ω电阻。信号灯显示单元数码管显示单元四、总体电路图：五、主要电路波形图：六、电路组装、调试过程中发生的问题及解决的方法：1.时钟信号产生电路连接后不知其是否正常工作。把万用表调到20V电压档，万用表负极接地，正极接555定时器“3”针脚，芯片通电后，看电压变化是否变化明显，大概在4.7V左右和0.3V左右两个数字变化。2.状态产生电路工作不正常首先检查芯片供电是否正常，其次检查是否有脉冲信号输入，然后检查级联是否正确，用低位片的进位端“RCO”接高位片的“ENT”“ENP”端，每个芯片的进位端“RCO”取反后接各自置入端“LOAD”，检查置入的数字是否正确，最后用万用表检查输出端电压是否有明显变化。3.数码管不能正常显示首先检查译码芯片74LS48是否接线正常，然后检查各针脚对应输出是否正确，最后检查数码管接线是否正确。4.数码管七段中某些段不亮检查接线是否正确，对应针脚电压是否变化七、分析和总结：分析：通过这两周的实习，我觉得数字电路设计不仅需要深厚的知识功底还需要严谨认真的科学态度。只有对芯片等器件的功能、管脚接法有很好的了解之后才能去选择正确的器件设计电路。电路的设计不单单要正确，而且得最简单，所谓最简单不是说要每个器件都要最简单，如果那样只需用门电路就可以设计了，我们要的是对整体电路来讲是最简的，尽量在功能齐全的前提下减少所用器件（芯片）的数量。另外对于电路本身存在一个安全稳定性问题,在面包板上接线时，尽量用一根导线将输出和输入两端接通（导线中间每断一次都是电路的一个安全隐患）。在电路设计方案没有问题的情况下在面包板上进行接线，接线必须认真仔细，一个管脚线接错就会导致结果错误。应该注意的是，在接好一个模块后通电检测，有问题就检查修改电路，直到这一模块正常再对下一个模块接线，这样可以大大提高效率，不至于在全部完成后出现错误却很难找到问题出现在哪。线路全部连玩后，进行电路调试。结果出现错误的可能原因有很多，如：设计本身存在问题、接线问题、接触问题、所用器件问题等，需要一一排查。我在调试过程中发现红绿灯状态与时间显示的状态错位，经过调试，原来我是将两片74161的与接到主控电路触发器的时钟上，当需改变系统状态时，两与为1，出现一个上升沿，而触发器却是下降沿触发，所以红绿灯提前一个状态，当把两的与非接入触发器的时候，系统正常。在调试过程中，我们应该学会发现问题、排查出现问题的原因，然后再去寻求解决的办法。总结：通过本次实习，学习到的不仅是数字电路设计的知识，更重要的是掌握发现问题并解决问题的方法，同时也深刻体会到了团队合作精神，与老师、同学相互讨论解决问题不仅提高了效率而且学到了其他同学看问题的角度，在此要感谢实验过程中给过我帮助的老师和同学！八、参考文献《数字电路逻辑设计》高等教育出版社王毓银编《数字系统设计——数字电路课程设计指南》九、过程考核表和成绩鉴表西安邮电学院计算机学院课程设计过程考核表学生姓名张晓洁班级/学号计科0803/04081077(07)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2010年12月6日—2010年12月17日具体内容第一周周一：听老师讲授数字电路的设计方法及需要注意的问题；周二：选定题目，并设计电路，完成电路设计；周三：电路仿真；周四：领取元器件，开始组装电路；周五：组装电路；第二周周一：组装电路；周二：老师验收电路；周三：写实验报告；周四：写实验报告；周五：实验总结；……指导教师（师傅）姓名赵宁职务或职称讲师指导教师（师傅）对学生的评价学习态度□认真□一般□不认真学习纪律□全勤□偶尔缺勤□经常缺勤实践能力□很强□一般□较差指导教师（师傅）对学生专业知识或社会实践能力等情况的意见指导教师（师傅）签字年月日西安邮电学院计算机学院课程设计成绩鉴定表学生姓名张晓洁班级/学号计科0803/04081077(07)进行时间2010年12月6日—2010年12月17日成绩鉴定学习内容（20分）与教学任务计划结合程度（10分）与专业培养结合程度（6分）其它（4分）接受单位评价（20分）实践能力（10分）学习态度（6分）学习纪律（4分）报告鉴定（60分）报告内容与实践过程紧密结合（15分）报告内容与教学计划内容紧密结合（15分）报告质量(主题、结构、观点、逻辑、资料、字数30分)评阅教师姓名赵宁职称讲师成绩评语评阅教师签字年月日