1、 数字逻辑电路设计课程设计报告系 （部）： 三系 专 业： 通信工程 班 级： 2011 级班 姓 名： 陈 学 号： 201103061 成 绩： 指导老师： 李海霞 开课时间： 2012-2013 学年 二 学期数字电路课程设计交通灯1一、设计题目交通信号灯控制器二、主要内容1、 分 析 设 计 题 目 的 具 体 要 求2、 完 成 课 题 所 要 求 的 各 个 子 功 能 的 实 现3、 用 multisim软 件 完 成 题 目 的 整 体 设 计三、具体要求（一） 、交通灯信号控制器仿真设计设计要求（1） 设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求东西方向和南北方向车道两条交叉道路上
2、的车辆交替运行，每次通行时间都设为 35s。时间可设置修改。（2） 在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮 5s，才能变换运行车道。（3） 黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。（4） 东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示。（5） 假定+5V 电源给定。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
3、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数字电路课程设计交通灯2五、成绩评定课程设计成绩按优、良、中、及格、不及格评定，最终考核成绩由四部分组成：1、 理论设计方案，演示所设计成果，总成绩 40；2、 设计报告，占总成绩 30；3、 回答教师所提出的问题，占总成绩 20；4、 考勤情况，占总成绩 10；无故旷课一次，平时成绩减半；无故旷课两次平时成绩为 0 分，无故旷课三次总成绩为 0 分。迟到 20 分钟按旷课处理。数字电路课程设计交通灯3目 录前 言 .51、总体设计思路、基本原理和框图 .61.1 设计思路 61.2 设计原理和功
4、能 .61.2.1 基本功能 .61.3 总体设计框图 .72、单元电路设计 .72.1 各芯片的用法和功能 .72.1.1 555 定时器 .72.1.2 74LS138.82.1.3 74LS192.102.1.4 74LS153112.2 单元模块 122.2.1 秒脉冲信号发生器 .122.2.2 计时器 132.2.3 控制器 142.2.4 信号灯显示器 162.2.5 总电路图 173、电路仿真调试 173.1 计数器的仿真 173.2 控制显示器的仿真 184、故障分析与电路改进 214.1 故障分析和解决 .214.2 电路改进 225、总结 23数字电路课程设计交通灯46、
5、心得体会 247、元件清单 258、参考文献 25数字电路课程设计交通灯5前 言现如今，随着人口和汽车的日益增长，城市交通日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。交通信号灯常用于十字路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。 自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化、科学化、简便化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工
6、具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。本实验设计目的是培养数字电路的能力，掌握交通信号灯控制电路的设计方法。数字电路课程设计交通灯61、总体设计思路、基本原理和框图1.1 设计思路根据设计任务与要求, 系统由秒脉冲信号发生器、计数器、控制器、信号灯显示器四大部分组成。其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号
7、，通过定时器向控制器发出两种定时信号，使相应的发光二极管发光。计数器在控制器的控制下，改变交通灯信号，产生倒计时时间显示，控制器根据计数器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。根据所学知识，秒脉冲信号发生器可由 555 定时器构成多谐振荡器实现，计数器可由74LS192 实现，控制器可由 D 触发器实现。1.2 设计原理和功能甲车道和乙车道的十字路口交通灯系统，每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿 3 个灯组成，绿灯表示允许车辆通行，红灯表示禁止通行，黄灯为过渡灯，表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。图 1.11.2.1 基本功能1.东西方向
8、和南北方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为 35s。时间可设置修改。2.在绿灯转为红灯时，黄灯先亮 5s，才能变换运行车道。数字电路课程设计交通灯73.黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。4.东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示。1.3 总体设计框图图 13 总设计框图2、单元电路设计2.1 各芯片的用法和功能2.1.1 555 定时器555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的
9、同相输入端的电压为 VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于 VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于 VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。它的各个引脚功能如下：1 脚：外接电源负端 VSS 或接地，一般情况下接地。数字电路课程设计交通灯82 脚：低触发端3 脚：输出端 Vo4 脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论 TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0” ，该端不用时应接高
10、电平。5 脚：VC 为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只 0.01F 电容接地，以防引入干扰。6 脚：TH 高触发端。7 脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8 脚：外接电源 VCC，双极型时基电路 VCC 的范围是 4.5 16V，CMOS 型时基电路 VCC 的范围为 3 18V。一般用 5V。在 1 脚接地，5 脚未外接电压，两个比较器 A1、A2 基准电压分别为的情况下，555 定时器的功能表如表所示清零端 高触发端 TH 低触发端 Q 放电管 T 功能0 0 导通 直接清零1 0 1 x 保持上一状态
11、保持上一状态1 1 0 1 截止 置11 0 0 1 截止 置11 1 1 0 导通 清零表 2.1.1图 2.1.12.1.2 74LS138 74LS138 为 3 线8 线译码器，共有 54LS138 和 74LS138 两种线路结构型式。数字电路课程设计交通灯9工作原理1.当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2)和/(E3)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在 Y0 至 Y7 对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110 时，则 Y6 输出端输出低电平信号。2.利用 E1、E2 和 E3 可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联
12、扩展成 32 线译码器。3.若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138 还可作数据分配器。4.可用在 8086 的译码电路中，扩展内存。引脚功能如图图 2.1.2A0A2：地址输入端STA（E1）：选通端/STB（/E2） 、/STC（/E3）：选通端（低电平有效）/Y0/Y7：输出端（低电平有效）VCC：电源正GND：地真值表如表输入 输出STA/STB/STCA2 A1 A0 /Y0 /Y1 /Y2 /Y3 /Y4 /Y5 /Y6 /Y7 H H H H H H H H H H H H H H H H H HL H H H H H H H H数字电路课程设计交通灯10H L L L
13、 L L L H H H H H H HH L L L L H H L H H H H H HH L L L H L H H L H H H H HH L L L H H H H H L H H H HH L L H L L H H H H L H H HH L L H L H H H H H H L H HH L L H H L H H H H H H L HH L L H H H H H H H H H H L表.1.22.1.3 74LS192具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图 6 所示。其中 PL 为置数端，CPu 为加计数端，CPd 为减计数端，TCu 为非同步进位输出端
14、，TCd 为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3 为计数器输入端，MR 为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3 为数据输出端。图 2.1.3 74LS192 的引脚图及逻辑符号74LS192 是双时钟方式的十进制可逆计数器。CPU 为加计数时钟输入端，CPD 为减计数时钟输入端。LD 为预置输入控制端，异步预置。CR 为复位输入端，高电平有效，异步清除。CO 为进位输出：1001 状态后负脉冲输出BO 为借位输出：0000 状态后负脉冲输出。其功能表如下：数字电路课程设计交通灯11输入 输出MR P3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q01 0 0 0 00 0 d c b a d c b
15、a0 1 1 加计数0 1 1 减计数表2.1.3 74LS192的功能表2.1.4 74LS153所谓双 4 选 1 数据选择器就是在一块集成芯片上有两个 4 选 1 数据选择器。其引脚排列及逻辑符号如下所示： 图 2.1.4数字电路课程设计交通灯121G、2G 为两个独立的使能端；B、A 为公用的地址输入端；1C01C3和 2C02C3 分别为两个 4 选 1 数据选择器的数据输入端；Y1、Y2 为两个输出端。1.当使能端 1G（2G）1 时，多路开关被禁止，无输出，Y0。2.当使能端 1G（2G）0 时，多路开关正常工作，根据地址码 B、A 的状态，将相应的数据 C0C3 送到输出端 Y
16、。B A00 则选择 CO 数据到输出端，即 YC0。B A01 则选择 C1 数据到输出端，即 YC1，其余类推。其功能表如下：选择输入 数据输出 选通输入 输出B A C0 C1 C2 C3 G YL L L L L H LL L H L HL H L L LL H H L HH L L L LH L H L HH H L L LH H H L H表 2.1.42.2 单元模块2.2.1 秒脉冲信号发生器本实验采用 555 定时器组成秒脉冲信号发生器。因为该电路的输出脉冲的周期T0.7(R1+2R2)C,若 T=1s，令 C3=390f，R7=50K,那么 R244.2K 。其它参数为：C
17、4=10nF。如图 3 所示。数字电路课程设计交通灯13图 2.1.12.2.2 计时器这里是采用两片 74192 两片芯片构成 4 和 10 进制计数器,控制个位数字的74192 的减计数控制端接 1HZ 的脉冲输入,控制十位数字的 74LS192 的减计数控制端接在控制个位数字的 74192 的借位端，这样控制个位数字的 74192 减至 0时借位端产生一个负脉冲输入至控制十位数字的 74LS192，使十位减一。两个74192 的的置位端分别接开关，这样可以实现任意置数，输出端接四输入 LED显示屏，显示减计数。将两个 192 的 Qd 与非接至置数端，当两个 192 都减计数完毕时两段共
18、同置数。数字电路课程设计交通灯14图 2.2.22.2.3 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，如图 5 所示。输 入 输 入现 态 状 态 转 换 条 件 次 态Q1n Q0n TL TY Q1n+1 Q0n+10 00 00 10 11 11 10 X1 XX 0X 10 X1 X0 00 10 11 11 11 0数字电路课程设计交通灯151 01 0X 0X 11 00 0表 2.2.3 控制器的状态转换表根据表 2，写出状态方程和状态转换信号方程为： YnnYnn TQTQ0101011 LnnL
19、nn 01010110根据 Q1 和 Q0 的函数特点，可以用四选一数据选择器和 D 触发器实现，设A1A0 = Q1nQ0n ，其他变量通过数据输入端输入。数据选择器用 74LS153，触发器用 74LS74。设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将 TL、 TS 看作输入信号，按照由数据选择器实现逻辑函数的方法实现以上三个逻辑函数，并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端，数据选择器的输入端信号可以根据状态方程和转换信号方程得出。就可得到控制器的原理图，触发器的时钟输入端输入秒脉冲。图 2.2.3数字电路课程设计交通灯162.2.4 信号灯显示器可以列出甲乙车道信号灯的状态表如图表 2.2
20、.4得出信号灯的状态方程甲车道：AG= Q1*Q0 AY= Q1*Q0 AR=Q1乙车道：BG= Q1*Q0 BY= Q1*Q0 BR= Q1可以用 4 线-16 线译码器 74LS138 实现，由于 74138 输出的是低电平有效，所以要使输出信号反转。由于黄灯要求每秒闪一下，所以将控制黄灯的信号与秒脉冲信号发生器接在一起。图 2.2.4数字电路课程设计交通灯172.2.5 总电路图图 2.2.53、电路仿真调试4、3.1 计数器的仿真图 3.1数字电路课程设计交通灯18这里是采用两片 74192 两片芯片构成 4 和 10 进制计数器,控制个位数字的74192 的减计数控制端接 1HZ 的
21、脉冲输入,控制十位数字的 74LS192 的减计数控制端接在控制个位数字的 74192 的借位端，这样控制个位数字的 74192 减至 0时借位端产生一个负脉冲输入至控制十位数字的 74LS192，使十位减一。两个74192 的的置位端分别接开关，这样可以实现任意置数，输出端接四输入 LED显示屏，显示减计数。将两个 192 的 Qd 与非接至置数端，当两个 192 都减计数完毕时两段共同置数。按照设计要求从 40s 开始倒计时，所以按下 J3 开关，将减计数器置位到40，随后在秒脉冲信号的作用下计数器每秒减一，直到减至 00，再次指数到40，减至 00，不断循环。3.2 控制显示器的仿真数据
22、选择器用 74LS153，触发器用 74LS74。设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将 TL、 TS 看作输入信号，按照由数据选择器实现逻辑函数的方法实现以上三个逻辑函数，并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端，数据选择器的输入端信号可以根据状态方程和转换信号方程得出。就可得到控制器的原理图，触发器的时钟输入端输入秒脉冲。用 4 线-16 线译码器 74LS138 实现，由于 74138 输出的是低电平有效，所以要使输出信号反转。由于黄灯要求每秒闪一下，所以将控制黄灯的信号与秒脉冲信号发生器接在一起。数字电路课程设计交通灯19图 3.2(a)刚开始 IO1，IO2 端输入 0，0，触发器
23、现态次态均为 00，显示为绿灯红灯，图 3.2(b)数字电路课程设计交通灯20随后，35s 后，计数器给控制器 TL=1 的输入，次态变为 01，绿灯变为黄灯闪烁图 3.2(c)5s 过后，计数器给控制器 Ty=1 的输入，状态变为 11，黄灯变红灯，红灯变绿灯数字电路课程设计交通灯21图 3.2(d)35s 过后，计数器给控制器 TL=1 的输入，绿灯变黄灯闪烁，随后 5s 过后，黄灯变成红灯，红灯变成绿灯，一个循环结束。4、故障分析与电路改进4.1 故障分析和解决图 4.1原本计时器我是这样设计的，IO3 端为计时器给控制器的的输入 TY，TY 与置位端连在一起，意为两个减计数器减为 00
24、 时发出一个正脉冲，可是我发现当我将减计数器连至总电路图时，TY 相当于没有输入 1，我猜想可能这只是正脉冲，信号很短，所以我做了改进。数字电路课程设计交通灯224.2 电路改进图 4.2(a)我将两个减计数输出端或非作为 TY 信号，这样当减计数为 00 时，给予一个高电平信号，这样电路得到了有效的改正和优化。另外我加了三组显示屏，这样更加贴近实际的使用情况。数字电路课程设计交通灯23图 4.2(b)5、总结我的交通灯课程设计分为四个状态，分别为甲绿乙红，甲黄乙红，甲红乙绿，甲红乙黄四个状态，分为秒脉冲信号发生器，控制器，计时器，信号灯显示器四个模块，可整合成可调计时器和控制显示器两个子电路
25、图。秒脉冲信号发生器主要由 555 定时器组成的多谐振荡器构成，提供 1Hz 的秒脉冲信号。计时器由两个 74LS192 计数器构成四十进制减计数器，计数器可随意置位，由秒脉冲函数发生器提供秒脉冲按秒减计数，每次减计数到 05 时，减计数会给控制器提供一个 TL=1 的输入，每次减计数到 00 的时候，计数器会给控制器Ty=1 的输入，这样控制状态的转换。控制器由一个 74LS153 数据选择器和两个 74LS74N D 触发器组成，控制器是交通灯的核心，控制各个状态之间的转换和交通信号灯的转换，74LS74N 由数字电路课程设计交通灯24秒脉冲信号发生器提供秒脉冲，接收计时器 TL35 秒倒
26、计时信号和 TY5 秒倒计时信号的输出。信号灯显示器由 74LS138 译码器组成，译码器根据状态 Q1，Q0 的不同输出不同的值，从而控制不同信号灯的亮灭。6、心得体会经过两周的努力，我终于完成关于交通灯控制电路的电子课程设计，通过两周不断的查资料让我积累了许多实际操作经验，已初步掌握了数电的应用技术，以及数字电路的知识和有关器件的应用，我深刻体会到了数子电路技术对当今现代社会的重要作用。经过这次设计，我学会了许多东西，学会了严密的思考，构想及怎样把计划付诸于实际行动之中。同时与社会的不断高速发展的步伐相比，我认识到自己所学的知识和技能还远远不足，有些实际性的问题还不能够解决，缺少很多有实际
27、运用价值的知识储备，缺乏应有的动手解决实际问题的能力，缺乏些高效利用及筛选大量资料的能力，缺乏资源共享及应有的团队合作精神，有待进一步提高，我应当学好自己的专业知识以适应不断发展的社会。 在这次课程设计中，我学会了如何有效的利用网络资源及图书馆的藏书，找到了几个很不错的专业网站，为以后的查阅专业方面的信息和相互之间的交流打下了坚实的基础，学会了如何看电路图，识别电路图，提高了自己的专业技能，同时也培养了自己独立解决实际问题的能力，也培养了自己认真和严谨的科学态度，收到了很大的启发，为以后的工作积累了些宝贵的经验。数字电路课程设计交通灯257、元件清单NE555 1 个 电容 10nF 1 个74LS153 2 个 固定电阻 44.2K 1 个74LS192 2 个 电容 390nF 1 个74LS74N 1 个 开关 8 个74LS138 1 个 LED 数码显示管 2 个固定电阻 50K 1 个 74LS00N 1 个8、参考文献1数字逻辑电路试验及课程设计指导书 自编2王连英， 基于 Multisim10 的电子仿真实验与设计,北京邮电大学出版社，2010.2 :345-3683康华光， 电子技术基础数字部分 ，高等教育出版社，2012.3
