北京理工大学数字电路-课程设计交通灯控制器预习报告
发布时间:2019-03-29 17:24:53
发布时间:2019-03-29 17:24:53
本科实验报告
实验名称: 交 通 灯 控 制 器
课程设计II —— 交通灯控制器
一、实验目的
1. 巩固所学《数字电路与系统设计》知识,学习数字系统设计方法;
2. 用中小规模集成电路设计、安装、调试一个小型数字控制系统:交通灯控制器;
3. 使用MULTISIM对所设计系统进行仿真;
4. 掌握数字系统的调试方法:应该学会用示波器来进行测试。
二、实验原理
1. 数字系统的概念
数字系统是指对数字信息进行存储、传输、处理的电子系统。它的输入和输出都是数字量。通常把门电路、触发器等称为逻辑器件;将由逻辑器件构成,能执行某单一功能的电路,如计数器、译码器、加法器等,称为逻辑功能部件;把由逻辑功能部件组成的能实现复杂功能的数字电路称数字系统。
数字系统和功能部件之间的区别之一在于功能是否单一。一个存储器尽管规模很大,可以达到数兆甚至G字节,但因其功能单一,只能算是逻辑部件;而由几片MSI构成的交通灯控制器却可称为系统。数字系统和功能部件之间的区别之二在于是否包含控制电路。一个数字电路,无论其规模大小,只有在具有控制电路的情况下才能称之为系统。
2. 数字模块与数字系统的设计思路——自顶向下的设计方法
自顶向下的设计方法是从整体系统功能出发,按一定原则将系统划分为若干子系统,再将每个子系统分为若干功能块,再将每个模块分成若干较小的模块……直至分成多基本模块实现。
《数字电路与系统设计》课程中我们接触到的数字模块有:多路选择器、译码器、计数器、移位寄存器、状态机等等。一个数字系统可看成由若干数字模块组成的。进行设计时可以先将系统分解为若干个子系统(模块),每个子系统完成某一功能。将每个子系统设计完毕后,再由子系统构成整个系统。仿真、安装、调试时可逐个模块进行,再将它们连接起来进行调试。
3. 交通灯控制器的原理设计
(1)交通灯功能概述
交通灯示意图如下所示,其中传感器的作用为判断支路是否有车辆通过(或等候),若支路无车,则主路绿灯常亮。其中主路绿灯时间为TM=16s,支路绿灯时间为TB=12s,黄灯时间为TY=3s,支路传感器信号为VS(支路有车,则VS为高电平)。
word/media/image5.gif
图1 交通灯示意图
(2)交通灯系统框图
框图结构如下:
word/media/image6.gif
图2 交通灯系统的组成框图(左)及实现框图(右)
其中,定时器用74LS163计数器,BCD-七段显示译码器用74LS248,驱动电路中的触发器用D触发器,使用双D触发器74LS74。值得注意的是74LS163为加法计数器,但在交通灯控制器中所需要的是倒计时功能,即实现减法计数器,故需将74LS163计数器的输出反相,并采用预置法实现模M计数。
(3)交通灯控制器状态图
交通灯控制器状态转换示意图如下。(注:在状态图中,TL=1代表主路绿灯时间已倒计为0,TY, TS同;VS=1表示支路有车)。
word/media/image7.gif
图3 交通灯控制器状态转换图
状态方程:word/media/image8.gif
word/media/image9.gif
从状态方程可以看出,用4-1MUX实现较为简单。
状态个数为4,故所需D触发器个数为2,其驱动方程即为状态方程。
(4)定时器的设计
主路绿灯时间为TM=16s,支路绿灯时间为TB=12s,黄灯时间为TY=3s.
在每个状态下所需预置的数不同,列表如下:
从表中可得:
word/media/image10.gif
word/media/image11.gif
word/media/image12.gif
word/media/image13.gif
故采用4-1MUX实现以上逻辑函数较为简单,且实现D,C逻辑函数即可。
(5)时钟CLK的发生原理
用555定时器构成多谐振荡器,产生频率为1Hz的时钟信号。
三、元件清单
1. NE555 555定时器 1片
2. 74LS00 四 2 与非门 2片
3. 74LS04 六 非门 1片
4. 74LS08 四 2 与门 3片
5. 74LS32 四 2 或门 1片
6. 74LS74 双 D触发器 1片
7. 74LS153 双 4-1多路选择器 2片
8. 74LS163 4位二进制同步计数器 1片
9. 74LS248 BCD-七段显示译码器 1片
10. 74LS138 3-8 译码器 1片
11. LED 6个
12. 七段显示器 1或2片
13. 电阻、电容、导线若干
四、实验内容和主要步骤
1. 时钟信号的发生
用555定时器构成多谐振荡器,原理图如右图所示,用MULTISIM仿真结果可得其振荡频率为1Hz。
图4 时钟信号的发生原理图
2. 定时器和控制器的设计
图5 定时器和控制器的设计原理图
用MULTISIM仿真结果如下:
A闭合时(即TS=1,支路有车时),波形图如下:
图6 输出波形图
(从上至下依次为163输出QDQCQBQA,预置端DCBA,进位ROC,状态Q1Q0)
A断开时(即TS=0,支路无车时)仿真结果为Q1Q0=00,与状态图相符。
3. 时间显示电路的设计
从上波形图可以看出,163为加法计数器,则为实现红绿灯倒计时功能,需在计数器输出端加反相器。同时将输出转换为BCD码,当word/media/image17.gif时,加0110,用加法器实现之,则输入端输入为:
word/media/image18.gif
word/media/image19.gif其中B3B2逻辑函数的实现可由画卡诺图得到:
word/media/image20.gif
word/media/image21.gif
word/media/image22.gifword/media/image23.gif
word/media/image24.gif
电路图如下:
图7 时间显示电路原理图
其中LT端接VS,目的是在支路无车时让数码管显示‘88’,区别正常计时。
4. LED灯译码电路的设计
由状态图可知:
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图8 LED灯译码电路原理图
5. 整体图设计
将以上子系统整合设计如下图:
图9 交通灯控制器整体原理图
五、实验体会