1、课 程 设 计2015 年 7 月 30 日设计题目学 号专业班级学生姓名指导教师十字路口自动红绿灯指挥系统目录一、主要指标及要求 1二、方案选择 1三、工作原理分析 1四、单元模块设计及分析 24.1 时钟信号脉冲发生器设计24.2 定时器设计44.3 延时电路设计54.4 状 态 转 换 电 路 设计 64.5 置 数 组 合 逻 辑 设计 7五、总电路图 9六、设计心得 9七、参考文献 100十字路口自动红绿灯指挥系统班级： 指导老师:学生： 学号：一、主要指标及要求1.自动完成绿黄红绿工作循环；2.每种信号灯亮的时间不等，如：绿灯亮20秒黄灯亮5秒红灯亮15秒，如此循环；3.用倒计时的
2、方法，数字显示当前信号的剩余时间，提醒行人和司机；4(*) 信号灯的时间分别可调，以适应不同路口，不同路段交通流量的需求。二、方案选择3、工作原理分析本电路分为五个模块，即时钟信号脉冲发生器、定时器、延时电路、状 态转 换 电 路 、 置 数 组 合 逻 辑 电 路 。 其 中 由 555 定 时 器 组 成 的 时钟信号脉冲发生器为由两片 74LS192 计数器组成的定时器电路提供 1Hz 的脉冲信号，使计时器能够正常计数。由三片双四选一数据选择器组成的置数组合逻辑电路分别为计数器1置 19s、4s、14s 和 0s 等不同的数。当计数归零时，计数器的溢出信号使双 D触发器的状态发生跳转，同
3、时控制着绿黄红灯的亮灭，使得绿黄红灯亮时，定时器分别置 19s、4s、14s。延时电路起到延时作用，当计数器计数归零时，溢出信号通过延时电路先使触发器状态发生翻转，再加载 信号，使计数器置LD一个新数。四、单元模块设计及分析4.1 时钟信号脉冲发生器 时钟信号脉冲发生器选用 555 定时器主要用来产生秒脉冲信号。脉冲信号的频率可调，所以可以采用 555 组成多谐振荡器，其输出脉冲作为下一级的时钟信号。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器的电源电压范围宽，可在 516V 工作，最大负载电流可达 200mA。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电
4、容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。555 定时器构成多谐振荡器，组成信号产生电路 接通电源后，VCC 通过电阻 R1、R2 给电容 C 充电，充电时间常数为（R1+R2） ，电容上的电压 vC 按指数规律上升，当上升到 VREF1=2VCC/3 时，比较器 C1 输出高电平，C2 输出低电平，RS=10，触发器被复位，放电管 T28 导通，此时 v0 输出低电平，电容 C 开始通过 R2 放电，放电时间常数约为 R2C，vC 下降，当下降到 VREF2=VCC/3 时，比较器 C1 输出低电平，C2 输出高电平，RS=01，触发器被置位，放电管 T28
5、截止，v0 输出高电平，电容 C 又开始充电，当 vC 上升到时 VREF1=2VCC/3，触发器又开始翻转。如此周而复始，输出矩形脉冲。其电路原理图如下： 2电路的振荡周期为：2ln)(121CRT振荡频率为 fT)2(43.1ln)2(1脉冲的占空比为：21Rq要产生 1Hz 的脉冲信号，选取电路参数 ， ，k1021 FC471，代入公式得： 。FC01.2sTHzf,下图是输出端 out 接示波器后的仿真波形图：34.2 定 时 器定时器选用可逆计数器 74192，置数组合逻辑为定时器提供 19、4、14 秒的定时信号分别控制控制器状态的转换，当倒计数到零时，计数器产生的回零信号 提供
6、给双 D 触发器的 CLK 端，使触发器翻转，从而使不同颜色交通灯状0B态发生跳转。计数器由两片 74192 构成，由双 D 触发器的输出 Q1Q0决定预置时间，Q 1Q0=00 时，预置时间为 19 秒，Q 1Q0=01 时，预置时间为 4 秒，Q 1Q0=10 时，预置时间为 14 秒,Q1Q0 为 11 时，预置时间为 0。第一片 74192 控制十位数字，第二片 74192 控制个位数字，由于进行的是减法计数，所以 CLK 端接地，两个端和两个 CPU端均接高电平，低位的 CPD端接 555 定时器的输出脉冲信号，LD每当上升沿到来时，计数器记一次数；低位的 端与高位的 CPD端 相
7、连 ， 当低B位的计数器计到零时，高位计数器开始计数。当最高位的 QD计到零时，将它与端通过一个非门相连，使 端变为高电平，从而重新计数。L4定 时 器 选 用 的 是 74LS192,74LS192 是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能,其引脚排列图及功能表如下：74LS192 功 能 表R LD CPU CPD 功 能H X X X 复 位L L X X 预 置L H H 加 计 数L H H 减 计 数1234675151321094Vc GND16 87LS9可 逆 双 时 钟 BCD计 数 器QQABACDRLDBOCPDU5192 为可预置的十进制同步加
8、/ 减计数器， 共有54192/74192，54LS192/74LS192 两种线路结构形式。其主要电特性的典型值如下：192 的清除端是异步的。当清除端（LR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能。192 的预置是异步的。当置入控制端（LD）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（AD）相一致的状态。192 的计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在4 个触发器上而实现。在CPD、CPU上升沿作用下Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此时另一个时钟应为高电平
9、。4.3 延时电路倒计时归零后，必须先使双 D 触发器的状态发生翻转，然后才能发出信号，使计数器重新计数，所以必须让溢出信号 通过一个延时电路输出LD0B给 ，用可调的 RC 延时电路，既方便又简单。具体电路如下：4.4 状 态 转 换 电 路由于有绿黄红三种状态，所以状态转换电路选用双 D 触发器，第一个触发器的 CLK 端接时钟信号，第二个触发器的 CLK 端接第一个触发器的 端，当上Q升沿到来时，触发触发器的状态翻转一次，但双 D 触发器总共有 4 种状态：600、01、10 和 11，其中 00、01 和 10 状态分别控制绿灯、黄灯和红灯，将 11状态设置为绿黄红灯全灭，且置 0 秒
10、，状态转换表如下：要置的数状态 次态十位 个位灯Q1 Q0 Q1* Q0* D1 C1 B1 A1 D0 C0 B0 A0绿G 0 0 0 1 19 0 0 0 1 1 0 0 1黄Y 0 1 1 0 4 0 0 0 0 0 1 0 0红R 1 0 1 1 14 0 0 0 1 0 1 0 01 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0由状态转换表可设计出控制绿黄红灯亮灭的组合逻辑电路，其方程如下：G= *1Q0Y=R= 10触发器次态 或 通过 7408 与门芯片和 500 限流电阻与分*1Q010 别于红黄绿小灯相连，触发器的 端 分 别 于 置 数 组 合 逻 辑 的 AB 端 相
11、 连 ， 当为 00， 为 01 时，绿灯亮，且置 19 秒；当 为 01，1010 1Q0为 10 时，黄灯亮，且置 4 秒；当 为 10， 为 11 时，红灯* 10*亮，且置 14 秒；当 为 11， 为 00 时，绿黄红灯全灭，且置 0 秒。10*10Q双 D 触发器 74LS74 及四二输入与门 7408 的芯片引脚图如下：状态转换电路如下：74.5 置 数 组 合 逻 辑置数组合逻辑选用三片双 4 选 1 数据选择器 74LS153，其中第一片 74LS153的 1Y 端接高位 74LS192 的 A 端，控制十位数字；第二片 74LS153 的 1Y 和 2Y 和第三片 74LS
12、153 的 1Y 和 2Y 分别接低位 74LS192 的 A、B、C、D 端，控制个位数字，三片 74LS153 的 A、B 端连在一起，并分别与两个触发器的 Q 端相连，每当触发器的状态翻转一次，就置一个新的数，置数组合逻辑真值表如下：要置的数状态 次态十位 个位灯Q1 Q0 Q1* Q0* D1 C1 B1 A1 D0 C0 B0 A0绿G 0 0 0 1 19 0 0 0 1 1 0 0 1黄Y 0 1 1 0 4 0 0 0 0 0 1 0 0红R 1 0 1 1 14 0 0 0 1 0 1 0 01 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0置 数 组 合 逻 辑 电 路 图
13、 如 下 ：8双 4 选 1 数据选择器引脚图如下：9五、总电路图六、设计心得对于此次课程设计，总的来说，我们成功了。我们小组三个人绞尽脑汁，同心协力，共同完成了我们的课程设计。我们的设计共分设计仿真电路和实际电路搭建两部分。在设计仿真电路的过程中，我们采取一部分一部分的分析，查阅各种资料，参考了许多相关书籍，可是还是遇上了不少困难，我们不仅要搞清楚各种芯片的使用方法，还要考虑它们之间的连接能达到什么功能，为了实现仿真，我们废寝忘食，我们通过在草稿纸上画真值表、卡诺图以及状态转换图等来将功能要求表示清楚，更加直观方便。在最后连好总电路图仿真的时候，基本功能可以实现了，就是绿红黄按相应要求跳转后
14、，第四个空状态不能置零，总是置成四秒，我们经过讨论后加上了延时电路，然后电路就正常了，仿真电路就此完成。在实际电路搭建的时候碰到的问题就更多了，由于电路连线较多，很容易连错，再加上实验电路箱和面包板以及芯片和线路接触不良等问题，我们小心翼翼的连好了各部分电路，将各部分分开调试，发现计数器的数码显示管总是每隔 2 倒计时计数，而且计数不稳定，我们仔细的检查了电路连线，发现没有错误，我们就怀疑是面包板的问题，所以我们换了面包板后，计数器就正常了，但是我们调试了每个模块都没有发现错误，把整个电路连起来功能总是实现不10了，我们很是焦急，曾有放弃的想法，但是我们想了一会，决定换实验箱，将总的电路重新连
15、了一遍，可是这一次各个模块的功能都实现不了了，我们就立刻崩溃了，眼看好多同学已经完成了，我们还看不到黎明的曙光在哪里，顿时感觉成功已经与我们告别了。不过我们看到剩下的同学也都没放弃，我们顿时又激起了斗志，我们不会被击败，就算看不到希望也要坚持走下去，也许下一步我们就能看到希望的光芒。于是我们又重新连接电路，各个模块好了，但总电路还是不行，此时我们发现我们用的一块芯片型号与仿真的不同，我们尝试换一个，顿时电路就好了，我们激动地热泪盈眶，几天的不懈奋斗，终于迎来了成功，那天下午验收完回去的路上，感觉天真的好蓝，这种感觉，真好。通过这次课程设计，我们对数字电路有了更清晰的认识，我们明白了，理论与实际
16、总是有差距的，在实际没有证实前，再好的理论它终究还是理论，但是我们最大的收获是体验了从失望到希望的过程，坚持到底，我们总会成功，人不能轻易言败，坚持不懈，永远抱有着希望，同时课程设计也是个需要耐心的事，心急吃不了热豆腐，只有一步一个脚印，才能将它做好！只要你肯付出，总会有回报。最后感谢老师们给我们的提点与指导，帮助我们走向了成功。七、参考文献1.罗杰、彭容主编数字电子技术基础（第 3 版） 北京：高等教育出版社，20142.阎石主编数字电子技术基础（第五版） 北京：高等教育出版社，20063.王冠华编著Multisim10 电路设计及应用 北京：国防工业出版社，20084.林 红、周鑫霞编著 数字电路与逻辑设计 第 2 版，清华大学出版社，2004
