数字电路课程设计报告(交通灯).docx

西安邮电学院

数字电路课程设计报告书
——交通灯控制器

院部名称
：
电子与信息学院
专业名称
：

班 级
：

学生姓名
：

实习时间
：
2010年12月20日至2010年12月31日

注释：交通灯控制器是可以自动控制交通灯并以倒计时的方式显示出时间来，方便行人和车辆在通行时有条不紊的通行，达到交通井然有序，出行人员安全快捷的到达目的地的效果。本次实验的就是想通过这样的一个实例，来结合数字电路课程的学习共同实现这样的一个应用工具，达到理论和实践相结合的目的。
一：课程设计题目：交通灯控制器
二：任务和要求：
设计一个十字路口控制交通秩序的交通灯，满足以下条件：
1. 显示顺序为其中一组方向是绿、黄、红；另一方向是红、绿、黄。
2. 设置一组数码管以倒计时的方式显示语序通行或禁止通行时间，其中支通道绿灯的时间是20s，另一个方向上主通道的绿灯亮的时间是30s，黄灯亮的时间都是5s.
3. 选做1：当任何一个方向出现特殊情况，按下手动开关，其中一个方向通行，倒计时停止，当特殊情况结束后，按下自动控制开关恢复正常状态。
4. 选做2：用两组数码管实现双向倒计时显示。
三：总体方案的选择：
1．交通灯控制器功能概述：
交通灯控制器是可以自动控制交通灯，以倒计时的方式显示时间。交通灯控制器是以七段显示数码管显示时间，用发光二极管来模拟交通灯。实现这个交通灯控制器可以采用EPROM编程、RAM编程、可编程逻辑器件、单片机等实现。但是在这次实验中我们采用基本的数字芯片和发光二极管来实现这样的要求，采用这样的方式是：提供了这些芯片，也学习了数字电路的知识，两者的结合刚好巩固了我们对理论的加深理解。
2.交通灯亮灭和时间的确定（考虑到有四种状态，所以采用两位二进制数来控制各种状态，且二进制数用D触发器产生）：
00 东西红，主通道绿（30s）
01 东西红，主通道黄（5s）
10 东西绿，主通道红（20s）
11 东西黄，主通道红（5s）
3.方案的选择：
本实验采用555电路，74ls161芯片，D触发器，2—4译码器和七段显示数码管的相互连接来达到控制二极管发光和数码管的显示。设计思想是想用161芯片控制数码管的显示，用D触发器来控制二极管的发光。用555电路实现一个时钟脉冲控制161的工作，考虑到时间和二极管的显示要同步，因此必须使控制数码管时间变换和控制二极管发光的信号保持一致。也就是说要当数码管的时间发生变化时，二极管也要相应的变化。具体情况的选择会在后面每个单元电路里说到。
4． 电路设计方案框图
555产生周期为一秒的时钟信号
提供
脉冲

两片161实现十进制计数，控制数码管倒计时显示，并为控制器部分提供脉冲

控制D触发器产生四种状态；控制161置入数据

控制2—4译码器，达到控制二极管的发光模拟红绿灯的目的。

四．单元电路的设计
连接电路为四个模块：时钟产生电路由555产生时钟信号，周期为一秒；计时控制电路使用两片161级联实现计数功能并实现数码管倒数计时显示；主控制器部分由D触发器产生00，01，10，11四种循环状态进而实现161芯片预置数的产生 ；显示部分使用2—4译码器和基本器件实现二极管的亮灭。
1． 时钟信号的产生
利用555产生时钟信号。电路图的连接原理图如下所示，其中3脚输出的就是时钟信号。

2. 两片161级联实现计数功能并实现数码管倒数计时显示电路（在EWB软件中无161芯片且此处无需用到清零端，故用163芯片来实现）：

3：D触发器产生00，01，10，11四种循环状态 ：
Q1n
Q0n
Q1n+1
Q0n+1
主通道
支通道
0
0
0
1
绿30s
红30s
0
1
1
0
黄5s
红5s
1
0
1
1
红30s
绿20s
1
1
0
0
红5s
黄5s
得到驱动方程：
D1=Q0非
D0=Q1异或Q0。
电路如下：

4．2—4译码器和基本器件实现二极管的亮灭：
由2—4线译码器工作原理与控制部分D触发器输出和电路功能能要求红绿灯亮暗关系可连接电路如下：

5.各模块连接关系
①555是动力，D触发器是核心；555电路负责提供一秒的cp脉冲，供给161的工作，而D触发器的脉冲由161提供，可以说555为整个电路提供了驱动。D触发器组成控制部分，要达到既能控制计数部分输入模值，又能提供正确的红绿灯显示部分输入的目的。
②模块关系。555时钟电路仅与计数部分有关，为两片161提供同步脉冲；计数部分的置入模值由D触发器与本身仅为信号CO共同控制，同时两片进位信号为D触发器部分提供脉冲；红绿灯显示部分仅与控制部分有关，直接接入两片D触发器的输出。

五：总体电路设计

（电路经过软件仿真，显示输出结果正确无误）

选做部分
以上电路实现了交通灯模拟的基本功能，由于面包板大小限制和首次搭接这种规模的电路经验不足，放弃了第二种选做方案，选择第一种选做方案，并选择控制主通道实现，即特殊情况出现时，停止倒计时，次通道由任意状态变回红灯状态，主干道变回绿灯状态。
经过考虑，我将控制D触发器的清零脚与两片161的LT非端，正常状态下，D触发器的清零端接到高位，低位片的LT非端接到本芯片的CO非端，高位片的LT非端接到两个芯片CO和CO的与非。当出现特殊情况时，D触发器的清零脚与两片161的LT非端直接接至低电位。此时，出现主干道绿灯亮，次干道红灯亮，数码管停止计数。如将上三个端接到相应的端时（正常情况下），则计数器正常计数，数码管正常倒计时，红绿灯正常亮暗。
主通道：绿30s；
支通道：红30s
主通道：黄5s；
支通道：红5s
主通道：红灯20s；
支通道：绿20s
主通道：红5s；
支通道：黄5s

空箭头表示正常工作状态，黑箭头表示表示特殊情况时状态。该方案虽然实现简单，但是其不足之处在于每次特殊情况过后，交通灯的工作状态就由主通道绿灯，支通道红灯开始，不能回到原来的状态。

六．电路组装过程，实测数据波形：

电路按照模块化搭接
1．首先搭接驱动部分——555电路，搭接完成后，测量555的3管脚输出电压是高低变化的，周期1s左右，即为正确；
2．然后搭接控制器部分，搭接完成后，在两输出端接发光二极管和保护电阻，由555电路提供时钟信号，观察两个发光二极管的亮暗变化是否与预期相符，即：暗暗——暗亮——亮暗——亮亮（Q1Q0）循环为正确；
3．去掉测试二极管，开始搭接红绿灯显示部分，搭接完成后，由555电路为控制部分提供脉冲，控制部分输出接入红绿灯显示部分，观察红绿灯显示是否于预期相同；
4. 最后搭接计数与计数显示部分，搭接完成后，161的数据置入端先接入任意测试数据，由555电路提供脉冲，观察倒计循环显示是否符合所输入的数据，若符合则161与48并数码管搭接正确；
5. 按照经过仿真的电路图，将几个模块搭接在一起，观察显示是否正确，调试电路。

七．调试过程中的问题：
由于是模块化组装搭接电路，所以调试各模块电路不是很复杂，出现故障后可以及时排查，并且很快找到故障位置，使用万用表测量相关芯片的各管脚高地电位，出现异常电压值后，排查接触是否良好，输入是否正确，这样能够很快的解决问题。
在这次的试验中，起先是模块化连接电路，也用了多个二极管来做测试，但是最终出现的问题是：整体电路连接好了之后，电路结果却未像所期望的出来。然后自己就不停的用万用表来测试那个地方不对呀。先看看触发器还会按照以前的那几个状态循环吗？这个是好的，接着再看看其所连接的139的译码器是不是正常译码，如果是好的，接着看灯的变化情况。如果这些是好的，再可以看161片子是否正常工作，如果答案是好的，那么就直接看数码管的显示是否与他的计数符合，如果也是好的，那么就直接将置数端接好和D触发器的脉冲接好，看结果会不会出来。此时，又出来一些问题，这些问题经过我的探究，发现并不是电路的问题，而是电路的连线问题，有时候会因为你的电路线接的不够紧，牢使得数码管的显示因为你不小心碰了一下板子而改变。

八．分析和总结。
本次课程设计集纸上设计，软件仿真，电路搭接于一体，难度很大。设计过程中，刚开始时由于思维方式的限制，只想到了利用两片D触发器组合作为控制器控制计数器模值变化，只是单纯的将D触发器的两个输出与161置入数据规律联系在一起而且没有考虑到置数的有效时间和先后关系，这样首次设计出的电路与预期状态有个一秒的差距，如果消除一秒的时差则置数就会出现错误。经过同学之间的相互交流和详细讨论，细化了交通的工作周期中的每个工作状态，认识到了161的置数端控制需要D触发器与其本身的进位信号CO共同控制，并将D触发器的原时钟信号输入取非，这样就解决了一秒的时差问题，又将D触发器的输出与161的进位信号与所需的置数状态经过卡诺图化简，得到表达式，重新设计电路，经过软件仿真后，才得到正确的结果。
然后再是连接实际的电路，这次的实习，让我深深的体会到了排线的重要性。
经过课程设计这完全是理论与实际相结合的两周后，不仅加深了对数字电路理论的理解，跟提高了动手能力学会了仿真软件的使用，更重要的是熟悉了对该类电路的实际检测方法。完成了电路的设计与搭接后，深深体会到了数电老师“是你在控制电路，不要让电路控制你”的含义。利用所学的知识实现一个日常能看得到摸得着的东西实在是一件令人愉快的事。感谢辅导老师的耐心的指导。日后如果有动手实践的机会，一定好好把握。

九．参考文献。
1 ．《数字电路逻辑设计---脉冲与数字电路 第三版》 王毓银 主编 高等教育出版社
2 ．《数字电路实验指导书》 张亚婷 王利 杨乐 周丽娟 郭华 编 西安邮电学院

十．课程设计仪器及材料:
型号
名称
功能
数量
74LS00
与非门
电路模块搭接与显示器部分使用
1
74LS04
非门
电路模块搭接与计数显示部分使用
3
74LS08
与门
电路模块搭接
1
74LS48
七段显示译码器
计数器计数显示
2
74LS74
双上升沿D触发器
控制模块
1
74LS86
异或门
控制模块
1
74LS139
双二四线译码器
显示模块使用
1
74LS161
四位二进制计数器
计数部分
2
555
定时器
提供CP脉冲电路
1
100Ω
电阻
保护显示器件
8
4.7KΩ
电阻
提供CP脉冲电路
1
150Ω
电阻
提供CP脉冲电路
1
0.01μF
电容
提供CP脉冲电路
1
4.7μF
电容
提供CP脉冲电路
1

数码管
显示
2

发光二极管
显示
红黄绿各2个
西安邮电学院计算机学院学院数电课程设计过程考核
学生姓名

班级/学号

承担任务实验室（单位）
电子信息工程
所在部门
电子工程学院
实施时间
2010年12月20 日 — 2010年12月31日
具体内容
第一周
集中讲解设计的目的及要求；介绍系统设计的一般方法和步骤；介绍部分逻辑器件及其应用；布置课程设计题目；分析设计中可能出现的问题。学生选题,查阅资料，设计电路;教师准备器材、工具等，同时为学生检查电路设计、辅导答疑。学生完成原理图设计及接线图设计。教师审阅，开始发放元器件及工具。
学生进行电路安装、调试；教师继续答疑并补发元器件。
第二周
学生继续安装调试，调试成功的学生可选做第二课题；验收调试成功的学生。验收通过的学生整理、上交工具，写出设计报告；召开课程设计总结交流会，总结交流学生在课程设计中具有特色的设计思想和先进的调试方法。
指导教师（师傅）姓名

职务或职称

指导教师（师傅）
对学生的评价
学习态度
□ 认真 □ 一般 □ 不认真
学习纪律
□ 全勤 □ 偶尔缺勤 □ 经常缺勤
实践能力
□ 很强 □ 一般 □ 较差
指导教师（师傅）对学生专业知识或社会实践能力等情况的意见

指导教师（师傅）签字

年 月 日

西安邮电学院计算机学院数电课程设计成绩鉴定表
学生姓名
陈笛
班级/学号
光电0801/24
进行时间
2010年12月20日 — 2010年12月31日
成绩鉴定
学习内容（20分）
与教学任务计划结合程度（10分）

与专业培养结合程度（6分）

其它（4分）

接受单位评价
（20分）
实践能力（10分）

学习态度（6分）

学习纪律（4分）

报告鉴定
（60分）
报告内容与实践过程紧密结合（15分）

报告内容与教学计划内容紧密结合（15分）

报告质量(主题、结构、观点、逻辑、资料、字数 30分)

评阅教师姓名

职称

成绩

评语

评阅教师签字

年 月 日