电子科技大学电子技术应用实验multisim交通灯

实验报告（九）一、实验项目名称：交通控制灯二、设计内容及要求本实验是实现对十字路口交通控制灯的设计，要求东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，东西通车30s；东西方向黄灯闪烁，南北方向红灯亮，时间2s；南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，南北通车30s；南北黄灯闪烁，东西方向红灯亮，时间2s；继续重复以上步骤。三、方案论证方案一：基于时钟数字芯片电路利用时钟数字芯片产生时钟信号，用计数器芯片及常用门电路构建交通灯状态机电路。方案二：基于单片机的交通灯利用单片机作为控制系统，通过编程实现对交通灯时序的控制。方案三：基于Multisim的交通灯用Multisim来仿真操作简单，可视化程度高，容易检查出电路错误，以便及时修改综合以上几种方案，时钟芯片电路的设计过于复杂繁琐，在实际设计中容易出错；单片机方案虽然简洁，但是跟我们这门课关系不大；而Multisim的方案既简单，又合数字电路有很大的关系，是一种利用软件设计硬件的新方法，简单易行，且易于修改调试，所以本项目选择方案三。四、电路原理简介：（1）分析系统的逻辑功能，画出其框图交通灯定时控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中：TL：表示东西方向或南北方向绿灯亮的时间间隔为30秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则TL=0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为2秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号，由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。TLTYST图1交通灯控制系统原理框图（2）画出交通灯控制系统的ASM（算法状态机）图一般十字路口的交通灯控制系统的工作状态及其功能如表1：表1秒脉冲发生器控制器译码器定时器东西方向车道信号灯南北方向车道信号灯01010101控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：AG=1：东西绿灯亮；BG=1：南北绿灯亮；AY=1：东西黄灯亮；BY=1：南北黄灯亮；AR=1：东西红灯亮；BR=1：南北红灯亮。由此得到交通灯的ASM图，如图2所示：图2交通灯控制系统的ASM图（3）单元电路的设计①定时器定时器由与系统秒脉冲同步的计数器构成，要求计数器在状态转换信号ST作用下，先清零，然后在时钟上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模2的定时信号TY和模30的定时信号TL。②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作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表2所示：表2输入输出现态状态转换条件次态状态转换信号nQ1nQ0TLTY11nQ10nQST000001011111100X1XX0X10X1XX0000101111110100101010控制器状态信号灯状态车道运行状态S0(00)S1(01)S3(11)S2(10)东西绿，南北红东西黄，南北红东西红，南北绿东西红，南北黄东西通行，南北禁止通行东西缓行，南北禁止通行东西禁止通行，南北通行东西禁止通行，南北缓行AGBRSTTLARBYARBGAYBRTYTLTYSTSTST10X1001根据转换表可得：Q1*=Q1’Q0Ty+Q1Q0+Q1Q0’Ty’Q0*=Q1’Q0’Tl+Q1’Q0+Q1Q0Tl’ST=Q1’Q0’Tl+Q1’Q0Ty+Q1Q0Tl+Q1Q0’Ty③译码器译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态翻译成甲、乙车道上的6个信号灯的工作状态。控制器的状态编号与信号灯控制信号之间的关系如表3所示。表3Q1Q0AGAYARBGBYBR00011110100010001001001001100010根据表格可得：AG=Q1’Q0’AY=Q1’Q0AR=Q1BG=Q1Q0BY=Q1Q0’BR=Q1’五、单元电路的设计：1、脉冲发生器的设计以555定时器接外接电路形成多谢振荡器，发出频率为1Hz的脉冲信号，用作计数器及D触发器的clk信号。555定时器引脚图如图1所示，由脉冲频率公式：f=1／（R1+2R2）C㏑2要使f=1Hz，可选择R1=55K，R2=47K，C=10μF，形成电路图如图2所示。图1图22、计数电路的设计用74ls163为计数器，74ls163为四位的二进制加法计数器。要产生25秒的清零信号TL及5秒的清零信号TY，需将输出分别接成24及4的输出，由控制电路产生并选择清零信号ST。74ls163引脚图如图3所示，计数电路如图4所示。图3图43、控制电路的设计用一个双数据选择器74ls153对TL及TY信号进行选择，输出控制清零信号ST；另一个74ls153与一个双D触发器74ls74相接，形成控制亮灯信号Q1、Q0。74ls153、74ls74引脚图如图5、6所示，控制电路如图7所示。图5图6图74、显示电路的设计利用表3数据，可得AG=Q1’Q0’AY=Q1’Q0AR=Q1BG=Q1Q0BY=Q1Q0’BR=Q1’则可得显示电路为下图8：图8六、总设计电路图图9七、实验数据整理及结果分析由设计的总电路图，在Multisim上仿真结果与实验设计原理完全相符。八、设计过程中的问题及解决方案1、画好电路图，在用Multisim软件仿真时候出现不少问题。（1）脉冲频率问题用公式f=1／（R1+2R2）C㏑2得出的频率为1Hz，但在Multisim软件中用示波器根本无法显示明显的脉冲。但将频率设置为100Hz左右时便可得脉冲。但在焊电路板时候，仍然要用1Ｈｚ的元件连接电路。（２）清零信号问题当我将ＳＴ清零信号接在１６３的CLR＇上的时候，发现无法进行正常清零。用示波器显示，发现接在第二片１６３上的信号脉冲宽度太窄，无法实现清零。于是我试着用了个Ｄ触发器，效果不错，但明显增加了器件，我又试着将信号接在LD’上，发现能够实现清零。2、焊电路板过程中的问题（1）第一次焊的时候，已将芯片嵌在了插口上面。后经老师同学指出，发现那样的话会因电烙铁的高温而烧坏芯片。（2）焊的过程一定要小心，一不小心就会造成短路。焊好后要用万用表检查看是否短路，否则有可能烧坏芯片。（3）事先要把线路图整理清楚，焊的板子才会脉络清晰，检查错误也比较方便，外观也比较美观。（4）在检查电路过程中，万用表是一个不可或缺的工具。利用万用表，可以检查短路，检查是否通电，检查555脉冲是否正常，检查计数器计数是否正常，检查发光二极管是否烧坏。九、实验结论Mulitisim编程易于理论设计及设计电路的修改，对进一步了解数字电路有很大的帮助，并且本次实验让我初步接触了小型数字电路系统的设计。