數(shù)字邏輯課程設(shè)計報告——交通燈.doc

交通燈設(shè)計一、紅綠燈交通信號系統(tǒng)功能概述紅綠燈交通信號系統(tǒng)為模擬實際的十字路口交通信號燈。外部硬件電路包括：兩組紅黃綠燈（配合十字路口的雙向指揮控制）、一組手動與自動控制開關(guān)（針對交通警察指揮交通控制使用）、倒計時顯示器（顯示允許通行或禁止通行時間）。二、任務(wù)和要求：1在十字路口的兩個方向上各設(shè)一組紅黃綠燈，顯示順序為其中一方向是綠燈、黃燈、紅燈；另一方向是紅燈、綠燈、黃燈。2設(shè)置一組數(shù)碼管，以倒計時的方式顯示允許通行或禁止通行時間，其中一個方向上綠燈亮的時間是20s，另一個方向上綠燈亮的時間是30s，黃燈亮的的時間都是5s。3選做：當任何一個方向出現(xiàn)特殊情況，按下手動開關(guān)，其中一個方向常通行，倒計時停止。當特殊情況結(jié)束后，按下自動控制開關(guān)，恢復正常狀態(tài)。4選做：用兩組數(shù)碼管，實現(xiàn)雙向倒計時顯示。三、設(shè)計思路概述：1任務(wù)分析：交通燈控制器主要實現(xiàn)兩部分功能：東西、南北雙向通路的紅、綠、黃燈控制；東西向主通路的倒計時顯示。另外，在此設(shè)計中還實現(xiàn)了緊急情況下的強制中斷功能。2. 系統(tǒng)外觀示意圖：倒計數(shù)計時器綠燈黃燈紅燈紅 黃 綠燈 燈 燈3具體功能分析：此電路為十字路口交通燈控制電路，要求東西向和南北向不能同時出現(xiàn)綠（黃）燈，發(fā)生“撞車”現(xiàn)象。即當某一方向為綠燈或黃燈時，另一方向必為紅燈。東西向主通路有倒計時顯示。設(shè)計時序如下：R30sY5sG20s東西向G25sY5sR25s南北向脈沖輸出部分計時控制部分數(shù)字顯示部分彩燈控制部分彩燈顯示部分4電路框圖設(shè)計：說明：脈沖輸出部分為555時基芯片構(gòu)成的多次諧波振蕩器，由其產(chǎn)生周期為1s的時鐘脈沖信號。計時控制部分主要由兩片74LS161（十六進制同步加法計數(shù)器）、74LS74（邊沿D觸發(fā)器）及邏輯門電路構(gòu)成。產(chǎn)生30s、20s和5s的倒計時信號。彩燈控制部分將計時控制部分輸出的信號通過邏輯門電路及74LS139（雙24線譯碼器）產(chǎn)生控制信號，控制彩燈按照響應(yīng)時序顯示，并將74LS139的輸出信號反饋回計時控制部分實現(xiàn)三種倒計時之間的切換。數(shù)字顯示部分主要由74LS48（7段顯示譯碼器）、74LS04（反相器）及8段共陰極數(shù)碼管構(gòu)成，通過接入計時控制部分的信號實現(xiàn)倒計時顯示。四、單元電路設(shè)計：1脈沖輸出部分：脈沖輸出部分為555時基芯片構(gòu)成的多次諧波震蕩器，電路原理圖如右：其中器件參數(shù)分別為R1=4.7k，R2=150k，C1=4.7F，C2=0.01F。產(chǎn)生的時鐘脈沖為周期T=1s的方波。電容C1充電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為tw1=0.7(R1+R2)C=0.7(150k+4.7k) 4.70.5s電容C1放電時，暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間為tw2=0.7R2C=0.7150k4.70.5s因此，電路輸出矩形脈沖的周期為T= tw1tw21s輸出占空比為q= tw1/T50%2計時控制部分：通過兩片74LS161級聯(lián)實現(xiàn)最大模值為256的加法計數(shù)功能，用低位片U2的輸出口RCO控制高位片U3的使能端ENT，即低位片U2產(chǎn)生進位信號后高位片開始工作。由于主通路（東西向）交通燈時序為紅燈30s、綠燈20s、黃燈5s，故此子系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)模30計數(shù)、模20計數(shù)和模5計數(shù)間的切換，亦即低位片模值為10105的切換，高位片模值為320的切換。在具體電路實現(xiàn)過程中，采用74LS74芯片控制高位片的數(shù)據(jù)置入，并利用彩燈控制部分的輸出控制低位片數(shù)據(jù)的置入。由于數(shù)字顯示部分要求倒計時顯示，故置入數(shù)據(jù)時取數(shù)碼管相應(yīng)顯示碼值的反碼，具體數(shù)據(jù)表格見數(shù)字顯示部分。在此電路中，開關(guān)SW2、SW1分別控制高、低位片的強制置數(shù)，當SW2、SW1接低電平時，若SW3接高電平，高位片被強制置入數(shù)據(jù)1111，低位片通過彩燈控制部分的反饋信號被置入數(shù)據(jù)1011。此時，將SW2、SW1接高電平，計數(shù)開始，進入有效循環(huán)前5s的偏離態(tài)。當?shù)臀黄M位后，高、低位片進位端均為1，U9A輸出端為1，U6C、U6D輸出端為0，即高、低位片LOAD端為0，實現(xiàn)置數(shù)功能。高位片置入數(shù)據(jù)為 D0n+1=D1n,D1n+1=D0nD1n，當高低位片同時產(chǎn)生進位信號，74LS74產(chǎn)生上升沿，即每次倒計時完畢后進行置數(shù)。低位片置入數(shù)據(jù)由黃燈亮滅控制，當黃燈亮時置入數(shù)據(jù)為1011，黃燈滅時置入數(shù)據(jù)為0110。計時系統(tǒng)與東西向主通路交通燈亮滅情況真值表如下：低位片（U2）高位片（U3）彩燈D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3D0D1D2D3Q0Q1Q2Q30110模10計數(shù)0111模2計數(shù)綠1101模5計數(shù)1111停止計數(shù)黃0110模10計數(shù)1011模3計數(shù)紅3彩燈控制顯示部分：彩燈控制部分分兩路實現(xiàn)，東西向（主通路）彩燈由于時序與倒計時相同，故不需另加單獨的計數(shù)電路，只需用門電路和譯碼器等器件將計數(shù)部分中的信號引致彩燈。南北向時序與東西向不同，故另外用一片74LS161控制，具體設(shè)計如下：.東西向：計數(shù)控制部分高位片的置數(shù)端D0、D1分別接到74LS139的A、B端子，其輸出端Y1、Y2、Y3分別接紅、綠、黃燈。當高位片置入數(shù)據(jù)為1110，低位片置入數(shù)據(jù)為0110，即倒計時20s時，74LS139的A、B端分別為0、1，此時輸出數(shù)據(jù)為1011，即綠燈亮。同理，當高位片置入數(shù)據(jù)為1111，低位片置入數(shù)據(jù)為1011，即倒計時5s時，74LS139的A、B端分別為1、1，此時輸出數(shù)據(jù)為0111，即黃燈亮；當高位片置入數(shù)據(jù)為1101，低位片置入數(shù)據(jù)為0110，即倒計時30s時，74LS139的A、B端分別為1、0，此時輸出數(shù)據(jù)為1101，即紅燈亮。.南北向南北向彩燈由東西向彩燈和另一片74LS161（U12）單獨控制。U12的ENP、ENT、LOAD全部接高電平，即禁止置數(shù)，MR端子接Q0（高）Q1（高）Y1（74LS39）相與的輸出。設(shè)計思路如下：由時序圖可知，當東西向紅燈亮且高位片為0，即南北向紅燈倒計時至10s時，U12開始計數(shù)，當紅東西向燈熄滅時計數(shù)停止，共計數(shù)10s，通過邏輯門電路組合可以實現(xiàn)使其前5s輸出為1，后5s輸出為0，即后5s時南北向黃燈亮。當10s計時結(jié)束后，南北向應(yīng)變?yōu)榧t燈，而此時東西向先持續(xù)5s黃燈后持續(xù)25s綠燈，故南北向紅燈接東西向黃、綠燈信號相與的結(jié)果。U12（74LS161）計數(shù)輸出與南北向黃燈亮滅真值表如下：U12（74LS161）OUTPUTQ3Q2Q1Q000001000110010100111010010101001100011101000010010101001011011000110101110011110注：OUTPUT=0時黃燈亮；OUTPUT=1時黃燈滅?；喌茫篛UTPUT=Q0Q1Q2Q3。實現(xiàn)電路如上圖所示。南北向綠燈的控制信號為南北向紅燈和黃燈的與非，即紅燈和黃燈均不亮時綠燈亮。4強制中斷系統(tǒng)：當出現(xiàn)緊急情況時，交通燈應(yīng)具有強制某路通行或中斷的功能。在此系統(tǒng)中，如出現(xiàn)緊急情況，斷開“緊急中斷”開關(guān)（見總電路圖），即切斷CP脈沖輸入，計時停止，此時將SW4接高電平，SW5接低電平，東西向強制通行；反之，若將SW5接高電平，SW4接低電平，南北向強制通行。5數(shù)字顯示部分：由74LS48（7段顯示譯碼器）真值表可知，要實現(xiàn)90倒計時可通過置入0110取反后得到，真值表如下：74LS161（OUTPUT）74LS48（INPUT）CharacterQ3Q2Q1Q0A3A2A1A00110100190111100081000011171001011061010010151011010041100001131101001021110000111111000006.元器件列表：型號名稱數(shù)量74LS00與非門174LS04非門374LS08與門274LS48七段顯示譯碼器274LS74雙上升沿D觸發(fā)器174LS139雙二四線譯碼器174LS161四位二進制加法計數(shù)器3NE555時基芯片1100電阻64.7K電阻1150電阻10.01F電容14.7F電容17段數(shù)碼管7段數(shù)碼管2紅、綠、黃發(fā)光二極管6五、總體電路圖：六、電路組裝完成后，實際測量的各個單元電路的輸入、輸出信號波形：電路組裝調(diào)試完成后，測得各單元電路輸入輸出如下：1脈沖輸出部分：輸入：+5V直流電壓信號。輸出：周期T1s，占空比q=50%的矩形波。2計時控制部分：輸入、輸出高電平時大于4V，低電平小于0.3V，符合要求，且無邏輯錯誤。3彩燈控制顯示部分：輸入、輸出高電平時大于4V，低電平小于0.3V，符合要求，且無邏輯錯誤。4數(shù)字顯示部分：輸入、輸出高電平時大于4V，低電平小于0.3V，符合要求，且無邏輯錯誤。5.重要電路波形：七、實驗過程中遇到的問題及解決方法1、時鐘信號產(chǎn)生電路連接后不知其是否正常工作。 把萬用表調(diào)到20V電壓檔，萬用表負極接地，正極接555定時器“3”針腳，芯片通電后，看電壓變化是否變化明顯，大概在4.7V左右和0.3V左右兩個數(shù)字變化。2、狀態(tài)產(chǎn)生電路工作不正常 首先檢查芯片供電是否正常，其次檢查是否有脈沖信號輸入，然后檢查級聯(lián)是否正確，用低位片的進位端“RCO”接高位片的“ENT”“ENP”端，每個芯片的進位端“RCO”取反后接各自置入端“LOAD”，檢查置入的數(shù)字是否正確，最后用萬用表檢查輸出端電壓是否有明顯變化。3、數(shù)碼管不能正常顯示 首先檢查譯碼芯片74LS48是否接線正常，然后檢查各針腳對應(yīng)輸出是否正確，最后檢查數(shù)碼管接線是否正確。4、數(shù)碼管七段中某些段不亮 檢查接線是否正確，對應(yīng)針腳電壓是否變化八、實驗心得及體會通過這兩周的課程設(shè)計實習，使我感悟最深的是數(shù)字電路設(shè)計需要的是深厚的知識功底和嚴謹認真的科學態(tài)度。只有對所有的器件（譬如芯片）有很好的了解之后才能去選擇正確的器件設(shè)計電路。好的電路設(shè)計不僅要求正確，而且是最簡單的，這里說的最簡單不是說要每個器件都要最簡單的，如果那樣我們也不必去選擇器件，只需用門電路就可以設(shè)計了，我們要的是對整體電路來講是最簡的，盡量在功能齊全的前提下減少所用器件的數(shù)量。另外對于電路本身存在一個安全穩(wěn)定性問題,所以在面包板上接線時，盡量用一根導線將輸出和輸入接通，因為導線中間每斷一次都是電路的一個安全隱患。當覺得電路設(shè)計方案沒有問題時就可以在面包板上接線了，這期間不能馬虎，一個管腳線接錯都可能導致結(jié)果出不來。另外，我們還最好是接好一個模塊后通電檢測，有問題就檢查修改電路，直到這一模塊正常再對下一個模塊接線。布線完成后，80%可能不會一次性成功，接下來就該調(diào)試電路，這是一個很重要的環(huán)節(jié)。結(jié)果錯誤的可能原因有很多，可能是設(shè)計本身或是接線問題或接觸問題，也可能是所用器件問題。本人在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)紅綠燈狀態(tài)與時間顯示的狀態(tài)錯位這一異常現(xiàn)象，經(jīng)過調(diào)試，原來我是將兩片74161的與接到主控電路觸發(fā)器的時鐘上，當需改變系統(tǒng)狀態(tài)時，兩與為1，出現(xiàn)一個上升沿，而觸發(fā)器卻是下降沿觸發(fā)，所以紅綠燈提前一個狀態(tài)，當把兩的與非接入觸發(fā)器的時，系統(tǒng)正常。另外，在調(diào)試過程