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数字逻辑电路设计课程设计报告学院：电气工程与信息工程学院专业：自动化班级：0000级卓越班姓名：XXX学号：1605510113成绩：同组成员：XXXX指导老师：杨新华一、设计题目交通信号灯控制器二、主要内容设计并制作一个十字路口的交通信号灯控制器，控制A、B两条交叉道路上的车辆通行，1、每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿三个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆停止通行；2、每条道路上每次通行的时间为25S；3、每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道；4、黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次。5、电源：220V/50HZ的工频交流电供电；（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。发挥部分：1、按照交通规则设计人行道指示灯2、其它恰当的功能设计一个基于FPGA的十字路口交通控制器，分为手动操作、自动操作和复位系统，假设南北方向和东西方向，两个方向分别设置红灯、绿灯、黄灯和左拐四盏灯，每个方向设置一组倒计时显示器，用以指挥车辆和行人有序的通行。红灯亮表示左转和直行车辆禁行；绿灯亮表示直行车辆可以通行；黄灯亮表示左转或直行车辆即将禁行；左拐灯亮表示左转车辆可以通行；倒计时显示器用来显示允许通行或禁止通行的时间。三、具体要求（一）、交通灯信号控制器仿真设计设计并制作一个十字路口的交通信号灯控制器，控制A、B两条交叉道路上的车辆通行，具体要求如下；（1）每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿三个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆停止通行；（2）每条道路上每次通行的时间为25S；（3）每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道；（4）黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次；（5）电源：220V/50HZ的工频交流电供电。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。目录1.设计任务和要求………………………………………………………041.1设计任务………………………………………………………041.2设计要求………………………………………………………052.系统设计………………………………………………………………053．交通灯控制电路的设计方案…………………………………………063.1总体方案设计……………………………………………………063.2单元电路设………………………………………………………073.2.15V/3A直流稳压电源………………………………………073.2.2信号灯转换器………………………………………………073.2.3倒计时计数器………………………………………………083.2.4倒计时计数器与信号灯转换器的连接……………………083.2.5黄灯闪烁控制………………………………………………093.2.6秒脉冲电路的产生…………………………………………104.电路的测试与仿真……………………………………………………115.元件清单………………………………………………………………126.总结……………………………………………………………………127.调试与结果……………………………………………………………138.参考文献………………………………………………………………139.附录……………………………………………………………………14前言本文介绍了以芯片、译码器、LED显示、按钮及其他辅助电路构成的符合交通规则的城市交通灯控制系统。它具有基本交通灯功能、时间设置、紧急情况处理功能。系统实现的交通灯具有电路简单、工作稳定、功能相对齐全、性价比较高等特点。随着电子技术的快速发展，高性能的电子电路对于电源供电质量的要求越来越高，如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。直流稳压源为电路提供直流电压和能量，其输出电压的品质直接决定的电源性能的好坏。本实验旨在利用交流变压器、整流环节、滤波环节和集成元件LM317稳压电路将220V交流电压转化为5V直流电压输出，并且对衡量稳压电路性能的几种主要参数进行了测试和分析。1、总体设计思路、基本原理和框图1.1设计思路设计并制作一个十字路口的交通信号灯控制器，控制A、B两条交叉道路上的车辆通行，1.2设计要求1、每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿三个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆停止通行；2、每条道路上每次通行的时间为25S；3、每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道；4、黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次。5、电源：220V/50HZ的工频交流电供电；（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。1.3发挥部分1、按照交通规则设计人行道指示灯2、其它恰当的功能设计一个基于FPGA的十字路口交通控制器，分为手动操作、自动操作和复位系统，假设南北方向和东西方向，两个方向分别设置红灯、绿灯、黄灯和左拐四盏灯，每个方向设置一组倒计时显示器，用以指挥车辆和行人有序的通行。红灯亮表示左转和直行车辆禁行；绿灯亮表示直行车辆可以通行；黄灯亮表示左转或直行车辆即将禁行；左拐灯亮表示左转车辆可以通行；倒计时显示器用来显示允许通行或禁止通行的时间。分析设计任务的技术要求，根据所学知识和参阅的技术资料，选择实现的技术方案，将技术方案用原理方框图的形式给出，并结合原理方框图对系统工作原理进行分析和说明。方案一：使用单稳态触发器、RC电路、555定时器、反相器等大量数字逻辑器件来实现交通灯控制系统。使用大量数字逻辑器件的方法实现该系统，电路复杂，没有实际的运用价值。方案二：以8031为核心，使用可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器。采用老式的8031，其本身无内部存储器，为了扩展电路复杂且无按键消抖电路，容易发生误操作。方案三：利用CPLD/FPGA(即EDA技术)完全仿真来实现交通灯控制系统。此方案的电路简单，可行性及高，但技术及软件要求也相对较高。综合以上方案：方案一技术较为落后，实际应用能力较低；方案二扩展电路复杂且无消抖电路，所以容易出错；方案三技术较前沿，电路简单，但对设计者及试验条件要求高。经比较，本设计采用方案三，它既能满足实际需求又容易实现且成本较低。1.4系统的功能分析我国机动车辆发展迅速，而城镇道路建设由于历史等各种原因相对滞后。道路拥挤、阻塞现象及交通事故常有发生，在世十字路口没有交通秩序，靠人工指挥交通秩序在现在已经很难实现了，现在的道路繁多，交叉口很多。为了有效地疏导交通，提高城镇交通路口的通行能力，提高车辆速度，减少交通事故我们设计的交通灯必须具有以下功能：1.显示功能即将一些信息在显示单元显示出来的功能，具有引导交通参与者正常参与交通的作用。具体显示信息如下：1）显示指示灯：可根据交通法规，在不同情况下显示不同颜色的指示灯2）显示时间：可显示在当前情况下该灯持续时间2.倒计时功能可倒计时该灯持续时间，当倒计到“0”时改变该灯显示状况3.调整功能在不同情况下进行不通的调整，具体情况如下：1）当夜间某方向行驶车辆减少时，可通过设置按键对该方向绿灯时间减短，另一方向绿灯时间增加2）当遇到紧急情况（如消防出警）某方向需关闭通车时，可通过按键进行设置。如：只允许南北向通车，或只允许东西向通车。3）当遇到学校放学时，可重复按键停止所有向的通车，让学生先行通过4）当遇到系统故障时，可通过按键使双向同时亮黄灯要进行一个电子系统的设计，首先要对设计任务进行详细的分析，根据对系统的功能、性能等方面的要求确定一个合理的技术路线，然后综合考虑功能、性能、经济性、元器件采购条件、体积、功耗、重量、安装条件、技术先进性等因素确定总体技术方案，这个技术方案通常以原理方框图的形式表现出来。对于一个具体的工程问题，解决的方法通常很多，也就是说，总体技术方案有多样性。设计者在确定方案时，就要对这些方案进行比较，选出最为合理的技术方案。通常首先考虑功能和性能，其次要考虑可靠性、成本、体积、功耗、元器件采购条件、安装方式、技术先进性等因素。在不同的设计中，对以上这些方面的要求是各不相同的，要针对具体问题综合考虑，选出最优方案。注意：首先要求选择的技术方案是合理的、正确的、可行的，其次要在设计报告中通过分析和说明表明确定的技术方案是合理的、正确的、可行的，同时按照这样的技术方案能够达到任务书的要求。原理方框图绘制要充分将系统组成及各个部分的关系表示出来，信号流向要明确、清晰，在此基础上要考虑到可读性和美观。交通灯的显示状态：绿黄红左拐黄红红绿黄红左拐黄1.5总体设计框图在VHDL设计描述中，采用自顶向下的设计思路，该思路，首先要描述顶层的接口，上面的描述已经规定了交通灯控制的输入输出信号：输入信号：复位开关信号reset；外部时钟信号clk。LED七段显示数码管的输出信号count1(6downto0),count2(6downto0),count3(6downto0),count4(6downto0);在自顶向下的VHDL设计描述中，通常把整个设计的系统划分为几个模块，然后采用结构描述方式对整个系统进行描述。根据实验设计的结构功能，来确定使用哪些模块以及这些模块之间的关系。通过上面的分析，不难得知可以把交通灯控制系统划分为4个模块：时钟分频模块，计数模块，控制模块，分位译码模块。分频电路：把555多谐振荡器发出的较高频率脉冲用分频电路的到较第频率的时钟信号，本电路通过三次10分平分别得到10Hz、1Hz的时钟信号。控制器电路：根据计数器的计数值控制发光二极管的亮、灭，以及输出倒计时数值给七段译码管的分位译码电路。当检测到手动控制信号（Con=’1’）时，执行手动控制；计数器电路：这里需要的计数器的计数范围为0～89。计到89后，下一个时钟沿升为1时，开始下一轮计数，此外当系统复位信号（Reset=’1’）使计数器异步清‘0’。手动信号（Con=’1’）使系统清‘0’。分位译码电路：因为控制器输出的倒计时数值可能是1位或者2位十进制数，所以在七段数码管的译码电路前要加上分位电路（即将其分为2个1位的十进制数，如20分为2和0，7分为0和7）。七段数码管的译码电路根据控制电路的控制信号，驱发光二极管控制器分频电路分位电路计数器七段数码管译码电路倒计时数字显示ResetdClkd计数值Con1dCond动交通灯的显示，通过输入二进制数值，输出信号点亮二极管，我们用的是共阳极数码管，因此译码电路输出逻辑数值‘0’点亮二极管，译码电路输出逻辑数值‘1’熄灭二极管，5V/3A直流稳压电源原理图及工作原理：输入220V交流电压经过变压器幅值减小为12V，经过整流桥将交流电压整为单向的脉动直流电压，通过2200uF滤波电容进行滤波，再由LM2596-5.0三端稳压器稳定输出电压，最后通过1000uF电容再次滤波，在输出端得到稳定的5V电压。2、直流稳压电源设计2.1原理图图二5V/3A直流稳压电源