倒计时交通灯控制逻辑电路课程设计论文.doc

课程设计说明书课程名称： 数字电子技术课程设计 题 目： 倒计时交通灯控制逻辑电路 学生姓名： 专 业： 班 级： _ 学 号： 指导教师： 课 程 设 计 任 务 书一、 设计题目倒计时交通灯控制逻辑电路设计二、 主要内容及要求要求实现逻辑功能：1、东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间20s。2、南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间20s。3、红绿灯变换3秒前，黄灯处于闪烁状态，红绿灯变换后黄灯熄灭。4、采用两位数码管显示时间倒计时，倒计时结束红绿灯自动变换。三、 设计进程安排1、 复习归纳触发器、计数器的逻辑功能2、 查找常用器件的资料，包括：型号中文名称英文名称7473双j-k触发器(带清除端)Dual JK FF(Clr)7474正沿触发双d型触发器(带预置端和清除端)Dual D-type FF(pre,clr)741383-8线译码器/多路转换器3-To-8-Line Demultiplexer74153双4选1数据选择器/多路选择器Dual 4-to-1 Data Sel/MUXCD40192同步可逆计数器(bcd,二进制)Synchronous Up/Down CounterCD4511十进制/七段译码器decimal counter/seven-phase decoder3、 采用multisim辅助设计电路，并进行调试。4、 完成任务设计书。四、 总评成绩 倒计时交通灯控制逻辑电路设计一、设计任务与要求要求实现逻辑功能，在1-3状态循环。1、东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间20s。2、南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间20s。3、红绿灯变换3秒前，黄灯处于闪烁状态，红绿灯变换后黄灯熄灭。4、采用两位数码管显示时间倒计时，倒计时结束红绿灯自动变换。二、方案设计与论证1、分解任务要求任务要求实际上就是3个状态，不妨设：S1、东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间20s；S2、南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间20s；S3、黄灯闪烁，时间3s。【表1】主电路状态与指示灯状态转换主电路状态S1RS1GS2YS3RS3GS111S21S311灯数南北R2东西G2东南西北Y4东西R2南北G2注:R，G，Y红，绿，黄灯。根据【表1】可知，设计电路只需要3组输出端控制指示灯，指示灯都是以2个或4个一组。总计需要个灯。2、输出指示灯状态设计（显示电路） 按照【表1】，画出显示电路设想控制电路，如上图，这个电路有5个输入端，只要按照要求输入信号，可以达到设计要求。3、显示电路的改进由设想电路和状态表可以看出南北路红灯和东西路绿灯总是同时点亮和熄灭，南北路绿灯和东西路红灯也总是同时电路和熄灭，因此电路的输入控制端可以简化为3个，如右图所示。4、主电路设计、主电路实现S1S2S3状态的转换， 、电路转换条件是时间，电路中需要时钟控制，即时序逻辑控制电路。、实现S120S，S23S，S320S方案一、S1-S3使用2个SR锁存器，设置00，01，10三个状态，这三种状态恰恰对应电路中S1、S2、S3三种状态。、采用74LS74与外围元件构成脉冲发生器，用于产生脉冲信号。、使用4个JK触发器，实现4位计数，作为倒计时显示电路用。、采用2个CD4511和2个七段数码管作为倒计时显示电路。方案二、由D触发器74LS74与外围元件构成单稳态电路，用于S1、S2状态切换（S1、S2正好是相反的状态）。D触发器是边沿触发器，能够实现5、6管脚同时转换，即东西路和南北路的同时变换。、黄灯闪烁电路可以采用NE555振荡电路实现，接收到控制端的信号，NE555的第4管脚得电开始工作，第三脚可输出脉冲信号，并且调整C6或R23可以改变闪烁频率。采用CD40192作为倒计时控制器件，其输出端可直接作为信号灯变化信号。方案对比方案项目实现方法优点缺点一S1-S32个锁存器简单电平触发，与时钟信号不匹配、无法实现闪烁功能脉冲发生器触发器信号稳定价格较高、电路结构复杂计数电路4个JK触发器复杂二S1-S31个D触发器和一个简易脉冲信号发生器边沿触发，与时钟信号匹配，控制精度高脉冲发生器NE555简易信号发生器成本低容易实现频率微调脉冲信号精度稍差些计数电路2个CD40192计数器容易处理，可显示数值综合考虑，为使电路简化、运行稳定，选用方案二。三、单元电路设计总体模块设计1、 时钟模块：采用NE555和RC电路组成振荡电路，产生1HZ时钟信号。2、 计时器模块：使用2个带预置数的十进制计时器CD40192构成20秒倒计时计时器。3、 显示模块：采用2个CD4511作为译码器，将CD40192输出的二进制数转化为BCD码，通过七段数码管显示出具体数值。4、红绿灯转换模块：D边沿触发器和其他元件构成单稳态触发器，每接收一个脉冲，红绿灯即交替一次。5、黄灯闪烁模块：NE555构成振荡电路，检测到03 02 01时，输出脉冲信号，黄灯处于闪烁状态。四、总电路工作原理及元器件清单1总原理图第 25 页 共 29 页2 电路完整工作过程描述（总体工作原理） 3、CD40192工作状态以及状态分析 CD40192工作状态（个位）CD40192 7CD40192 6CD40192 2CD40192 3CD40192CD40192 B数码管00000000111001021001131010040101501106011171000810019注：不填074192(2)工作状态（十位）CD40192 7CD40192 6CD40192 2CD40192 3CD40192CD40192 B数码管B00000100011注：不填0（1） 计数模块值为01 02 03时，黄灯闪烁，根据上面表格可以看出对于个位,若B值是低电平有效则有： B=+ 对于十位数，则 B=+因此B=（个位）+（个位）+（十位）+（十位）在电路中可采用4个二极管1N4148（电路图中的D1、D4、D5、D6）作为或门电路。（2） 计数模块为00时，红绿灯交替，这个功能可以不按照真值表来实现，因为CD40192192有借位输出端，作用是当倒计时数值变为0时，借位会输出低电平，所以只要个位和十位借位输出端都是0，则意味着此时计数器为00，控制原理即为借位输出端控制20秒复位和红绿灯交替变换即可。4、 元件清单序号元件符号型号数量1二极管D1-D61N414862发光二极管L3 L4 L7 L8红色43发光二极管L1 L2 L5 L6绿色44发光二极管L9 L10 L11 L12黄色45三极管VT1-4805046色环电阻R1-14360147色环电阻 R15 R16 R19 R21 R25 R2710K68色环电阻R17 R20 R24 R261K49色环电阻R1862K110色环电阻R22 R29100211色环电阻R23510K112色环电阻R28510113电解电容C1 C510uF214电解电容C60.47uF115电解电容C3100uF116瓷片电容C2 C4103217排针P2P118芯片U1 U2CD4511219芯片U3 U4CD40192220芯片U5 U7NE555221芯片U674LS74122管座U5 U7DIP8223管座U6DIP14124管座U1-U4DIP16425数码管DS1 DS24205226线路板134*801五、仿真调试与分析仿真使用multisim10软件。由于本电路结构复杂，元件繁多，难以一步到位、调试成功，为了更容易达到仿真效果，可以采用分步调试的方法,另外，由于仿真软件的局限性，有些元件只能采用功能相近的元件取代，比如CD40192用74LS192取代，8050用2N3707取代。1、 当计数器显示00时候，红绿灯交替变换。2、 当计数器显示03 02 01时候，黄灯闪烁。3、 最后将2个分步仿真合并在一起，得到完整的仿真电路。将两个分步合在一起，由于增加了不少元件，为了节约空间，部分元件挪位置压缩空间，终于得到理想的仿真效果。6、 线路板的制作过程 1、 首先按照设计的电路用Altium Designer14软件画出原理图，由于电路中用到的元件基本都是通用的常用器件，所以画电路比较容易一些。 2、 按照元器件的实物定义元件封装，值得注意的是七段数码管的封装比较多，用尺子测出元件的具体尺寸，找一个比较接近的封装改一下即可。3、 所有的元件都定义好封装以后，生成网络表，在此过程中，会自动检查电路中的错误，更正了错误以后，保存好网络表。4、 新建一个PCB文件，并打开这个文件，导入网络表，这时会自动从元件库中调出所需要的元件，手动布局，画出禁止布线层边框。5、 定义好布线规则以后，即可以开始自动布线了，由于元件数目较多，多次布线都无法成功，通过重新布局，有所改观但是仍然不能100%完成布线。6、 最终，采用增加跳线的方法，实现了成功布线。7、利用板图可以做出相应的线路板。7、 电路的安装调试1、做好线路板以后仔细检查，确认线条没有误连、断线情况，即开开始安装调试。2、首先在线路板上面插接焊接电阻、二极管等元件。其次焊接管座、数码管、发光管、电容等元件。3、焊接完毕，剪掉多余的管脚，检查是否存在虚焊、连焊、不规则焊接等。然后检查电容、二极管有无极性装错或集成电路装反情况。4、确认焊接无误，即可通电调试。5、处理了一些小的问题以后，电路能够正常工作，实现了如下功能：（1）东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间20s。（2）南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间20s。（3）红绿灯变换3秒前，黄灯处于闪烁状态，红绿灯变换同时黄灯熄灭。（4）倒计时结束红绿灯自动变换。 这说明我设计的电路是成功的。八、结论与心得在设计过程中，我第一次综合的运用了如此多的软件，设计过程中不自觉的熟练地掌握了不少技巧，为了完成设计查阅了大量的资料，认真学习了很多元器件的工作原理，虽然有些没有完全用得上，但我也意识到这也是本次设计的收获。在设计中，也感觉到自己学识的浅薄 ，仅仅从书本上面学到的知识是远远不够的，通过设计让我对电子产生了浓厚的兴趣，从今以后，我会更加致力于学习钻研电子知识，并做到理论联系实际，争取用所学到的知识去解决更多的问题。最后感谢老师和各位同学对于我的设计给予的指点和帮助！九、参考文献1数字电子技术基本教程 清华大学出版社 阎石274LS73说明书374LS138说明书474LS153说明书5CD40192说明书1、十进制可逆计数器CD40192引脚图管脚及功能表CD40192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，其引脚排列及逻辑符号如下所示：图5-4 CD40192的引脚排列及逻辑符号（a）引脚排列 (b) 逻辑符号图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端， 为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。其功能表如下：2、CD4511 BCD-7 段译码驱动器功能简介：CD4511 是常用的七段显示译码驱动器，它的内部除了七段译码电路外，还这有锁存电路和输出驱动器部分，具有输出电流大，最大可达25mA,可直接驱动LED 数码管。CD4511 由4 个输入端A/B/C/D 和7 个输出端ag，它还具有输入BCD 码锁存、灯测试和熄灭控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测试LT、熄灭控制端BI 来控制。功能表如下： 3、NE555 内部含有两个电压比较器，一个分压器，一个RS触发器，一个放电晶体管和一个功率输出级右图是元件封装图，下图为内部结构图和E555内部电路方框图。4、74ls74是一种双上升沿D触发器芯片，下面介绍他的引脚功能:1Q、2Q、1Q、2Q输出端1CP、2CP时钟输入端1D、2D数据输入端CLR1、CLR2直接复位端（低电平有效）PR1、PR2直接置位端（低电平有效）5、7473双j-k触发器(带清除端)负边沿J-K触发器Dual JK FF(Clr)JKFF7473功能输入输出清除0XXX001110维持11XX0110维持1000110异步置1110011010异步置0101001110Toggle切换11101101001JK触发器000110011010011101107473替代的T触发器JK触发器包含SR触发器和T触发器的功能J=K=T，则得到T触发器。7473替代的T触发器功能输入输出清除0XX001110维持11X0110T触发器100110Toggle切换1101101001T触发器00110110第 29 页 共 29 页74138 3-8线译码器/多路转换器双列直插16脚3-8线译码器3-to-8 DEC3-To-8-Line DemultiplexerDecoder/Demultiplexer使能端S01，使能；S00，禁止。S2S30使能，S2+S31禁止。输出Y0Y7为低电平有效。74153双4选1数据选择器/多路选择器Dual 4-to-1 Data Sel/MUXDual 4-input MultiplexerS0选择输入Common Select InputE选通输入Enable (Active Low) InputI0,I1数据输入Multiplexer InputsZ输出Multiplexer Output74153