北京理工大学数字电路课程设计交通灯控制器预习报告.docx
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北京理工大学数字电路课程设计交通灯控制器预习报告
本科实验报告
实验名称:
交通灯控制器
课程名称:
课程设计II(数字电路)
实验时间:
第19周
任课教师:
张延军
实验地点:
4-333
实验教师:
田东
实验类型:
□原理验证
■综合设计
□自主创新
学生姓名:
倪正超
学号/班级:
112013379730011302
组号:
学院:
徐特立学院
同组搭档:
专业:
徐特立英才班
成绩:
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)。
图1交通灯示意图
(2)交通灯系统框图
框图结构如下:
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)。
图3交通灯控制器状态转换图
状态方程:
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:
Q1
Q0
下一状态持续时间
D
C
B
A
S0
0
0
TY0011
1
1
0
1
S1
0
1
TB1100
0
1
0
0
S2
1
1
TY0011
1
1
0
1
S3
1
0
TM10000
0
0
0
0
从表中可得:
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.NE555555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
8.74LS1634位二进制同步计数器1片
9.74LS248BCD-七段显示译码器1片
10.74LS1383-8译码器1片
11.LED6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
时,加0110,用加法器实现之,则输入端输入为:
其中B3B2逻辑函数的实现可由画卡诺图得到:
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
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:
图8LED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
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
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