数字逻辑电路课程设计红绿灯控制器比赛计时器Word文档下载推荐.docx
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设计一个红绿灯控制器控制器设计应具有以下功能
（1）东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮。
.
（2）东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮。
（3）东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮。
（4）东西方向红灯亮，南北方向黄灯亮。
要求有时间显示的（顺数、逆数皆可）。
时间要求红灯时间大于20秒，红灯时间=学号最后两位，小于20学号的加上20。
黄灯≥5秒。
3.给定条件：
只能采用实验室提供的中小规模电路进行设计。
1.原理框图如下图所示：
东西方向显示器南北方向显示器
2.设计思路
交通灯控制器的框图中包括置数模块、计数模块、灯控制模块和信号发生电路等部分组成，
置数模块是将交通灯的灯亮时间预置到计数电路中。
计数模块是以基准时间秒为基准的倒计时，当计数值减为零即预置时间到，通过置数电路来控制改变状态，使电路进入下一个状态的倒计时。
等控制电路是将当前计数状态译码为相应的红、黄、绿三色灯亮信号。
灯控制电路与计数显示电路既相对独立，又有一定的联系，因此可以通过置数电路把灯的状态与计数电路联系在一起。
我要设计的是红灯亮时间为28s。
因此我把各个灯亮时间设置为红灯28s,黄灯7s,绿灯21s。
当东西方向红灯亮时禁止车辆通行，显示时间从27开始倒计时，南北方向绿灯亮车辆安全通行，显示时间从20开始倒计时；
经过21s后，东西方向还是红灯亮，并且正常倒计时，而南北方向绿灯灭，黄灯开始闪烁，车辆在线外等候，已经进了线的可继续通行，并且显示时间为从6开始倒计时；
再经过7s后，东西方向红灯灭，绿灯亮，车辆安全通行，并且显示时间为从21开始倒计时，南北方向黄灯灭，红灯亮，禁止车辆通行，显示时间为从27开始倒计时；
又经过21s后，东西方向绿灯灭，黄灯开始闪烁，车辆在线外等候，已经进了线的可继续通行，并且显示时间为从6开始倒计时，南北方向继续亮红灯并且正常倒计时；
这样再经过7s后，东西方向红灯亮禁止车辆通行，并且显示从27开始的倒计时，南北方向绿灯亮车辆安全通行，显示从20开始的倒计时，这样循环下去，即完成了红绿灯控制器的设计。
S的状态
灯的状态
时间
1
东西方向红灯亮
南北方向绿灯亮
21s
南北方向黄灯闪烁
7s
东西方向绿灯亮
南北方向红灯亮
东西方向黄灯闪烁
暂停计时
1.计数模块
根据设计任务，我要设计的是红灯亮时间为28s。
因此我把各个灯亮时间设置为红灯28s,黄灯7s,绿灯21s，所以，至少要一个28进制以上的计数器，一般而言，红绿灯时间的显示要有利于提醒司机当前状态下的剩余时间，所以用倒数计时，因此可用两个单时钟同步十进制加/减计数器74LS190组成100进制的计数电路，再通过预置数电路的预置数作用，实现各状态的计数显示。
计数器的输出端通过与显示译码器的连接显示当前的计数状态。
由于是倒数计时，所以置数信号就是计数器的初始值9，即1001。
由于倒数计数时时先到9再到8，所以只需将最高位作为置数信号即可。
由于74LS190是同步置数且置数信号为低电平有效，所以把1001通过一个反相器接到置数引脚作为置数信号。
2.置数模块
因为红、黄、绿三色灯的灯亮时间不同，所以置数时间也不同，应该根据灯的不同状态进行预置不同的数值。
由于我要设计的是红灯亮时间为28s，黄灯7s，绿灯21s。
所以我需要进行的预置数分别为28s，21s，7s。
下面是预置数与灯亮状态之间的关系的真值表：
东西方向的置数真值表
计数器十位置数引脚
计数器个位置数引脚
灯亮时间
R红Y黄G绿
DCBA
100
001
010
0010
0000
0111
0000
0110
28s
21s
7s
由以上真值表可得预置数与灯的状态的逻辑关系，得到逻辑表达式如下：
十位计数器：
D=C=A=0
B=R⊕G
个位计数器：
D=0
C=B=R⊕Y
A=R
南北方向的置数真值表
100
0111
3.灯控制电路模块
可以发现其灯亮时间比为红灯：
黄灯：
绿灯=4：
1：
3。
因此选7s为一个时间单位，电路中最初的秒信号经过一个7进制的计数器（可以由74LS90组成）后，就可以实现每隔7s输出一个脉冲。
再把输出的脉冲作为由74LS160组成的8进制的计数器的脉冲，这样，由74LS160组成的8进制的计数器的输出端Qa，Qb，Qc就可用逻辑门电路组成灯的状态的控制电路。
其真值表如下：
8进制计数器的输出端
东西方向的灯
南北方向的灯
QcQbQa
RewYewGew
RsnYsnGsn
000
010
011
101
110
111
100
001
010
注：
表中的1表示灯亮，0表示灯灭。
由以上真值表可得到一下逻辑关系式：
东西方向：
Rew=Qc’
Yew=QcQbQa
Gew=Qc（QbQa）’
南北方向：
Rsn=Qc
Ysn=Qc’QbQa
Gsn=Qc’（QbQa）’
由于黄灯一般要求闪烁，所以只需将最初信号1s和Yew或Ysn相与即可。
4.信号发生电路
由于信号是秒信号，因此可用一个555定时器组成秒信号的发生电路，本实验直接用一个信号发生器作为秒信号的发生装置。
5.特殊状况控制电路
由于红绿灯控制电路在正常运行情况下，难免会出现特殊状况，因此应该设计一个特殊控制电路，用来控制出现特殊情况时的车辆通行，在这次设计时，我用S作为特殊情况时的信号，当S=0时进入特殊状况，当S=1时退出特殊状况。
我设计的特殊情况下红绿灯控制系统的运行情况功能如下：
a.计数器停止计时并保持在原来的状态；
b.东西、南北路口均显示红灯状态；
c.特殊状况结束后，能够继续原来的计时及显示；
就以上功能，当特殊状况出项时，计数器停止计时，可以通过控制输入脉冲来实现，东西、南北方向均显示红灯可以通过开关电路来实现。
因此，在输入脉冲接一个三态门电路，高电位导通，低电位截止，当出现紧急状况时，三态门接入低电平，使输入信号截止，同时，东西、南北方向的红灯均接高电位，黄灯和绿灯均接低电平，这样即能实现以上提到的紧急情况下的功能。
经过以上各模块的分析设计，得到整机电路如附页1所示。
经调试后发现，当S=1,即在正常情况下，当东西方向红灯亮时禁止车辆通行，显示时间从27开始倒计时，南北方向绿灯亮车辆安全通行，显示时间从20开始倒计时；
当S=0，即再特殊情况下，东西、南北均是红灯亮，并且暂停计时，当重新恢复到正常情况后，各方向均继续出现特殊情况前的计时。
具体的状态如下表所示：
一、设计任务书
（二）
1、设计任务：
比赛计时器
2、设计要求：
设计器应具有以下功能：
（1）开机能自动清零；
（2）用数字显示比赛全场时间；
（3）用开关启动开始比赛，比赛过程中可暂停计时，又可继续计时；
（4）上下半场时间到时可用一个发光二极管代替），自动提示并暂停计时，用开关启动下半场开始比赛。
3、给定条件：
只能采用实验室提供的中小规模电路进行设计；
1、原理框图如下图所示：
2、设计思路
现在我要设计一个比赛全场时间为40秒的比赛计时器，根据要求，秒信号通过一个控制开关后送给计数器，通过计数器的计数并把计数通过显示管显示出来。
由于设计要求中场自动暂停，所以必须加一个中场暂停的控制信号，可由三态门实现。
因此，可以通过4个74LS90来组成一个40进制的计时器，并把相应的计时状态通过数码管显示出来；
把半场信号20秒作为控制三态门的截止态信号，使输入的秒信号自动截止，并且当出现20秒的信号时，让此信号使发光二极管发光来提示半场时间到。
这样，即可完成设计要求的任务。
1.暂停、继续控制
这是一个比较简单的功能控制，只要在信号输入的线路接一个开关即可。
当开关断开时，秒信号无法输送到计时器，所以计时器计时暂停，当开关闭合时，秒信号恢复输送到计时器的脉冲输入端，继续原来的计时。
2.开机清零控制
由74LS90的功能可知，当R0
（1）、R0
（2）为1，R9
（1）、R9
（2）为零时，74LS90直接置零。
所以，把R0
（1）、R0
（2）经过一个开关与高电平相接，需要置零时，只要把开关闭合即可。
3.半场到、全场到控制
由于我设计的是全场时间为40分钟的比赛计时器，所以，当到中场20分钟时，把20分钟的信号输出，接到一个发光二极管，使发光二极管发光，与此同时，把20分钟的信号通过一个非门送给中场控制三态门的控制端作为截止信号，这样，当20分钟信号出现时，中场控制三态门截止，计时暂停；
中场控制三态门控制端还要通过一个开关与高电平相接，当出现20分钟信号后，中场控制三态门的控制端出现低电平而截止秒信号的输入，这时，只要把开关接到高电平，皆可恢复信号的输入，继续原来的计时。
4.计时部分
（1）.秒部分
根据要求，秒部分必须可以从0~59秒计时，可得秒部分的真值表如下：
个位计数器的真值表
中场控制信号
开始、暂停开关
计时
QdQcQbQa
×
保持
当前状态
关
开
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
6
7
8
1000
9
1001
十位计数器的真值表
（2）分部分
根据设计要求，分部分从0~40分计时，其真值表如下：
个位真值表
十位真值表
虽然分十位计数可以到5，但是由于在出现4（0100）信号时，产生一个控制信号送给全场控制的三态门，使秒脉冲被截止，停止计时，全场时间到。
经过以上各模块的分析设计，得到整机电路如附页2所示。
如电路图所示，当开机后如果开关A断开，则各显示器均显示零，当开关A闭合后，电路开始正常计时，如果开关B是断开的，则计时到20分钟时会自动暂停计时，并且二极管发光提示半场时间到，此时只要把开关B闭合即可继续原来的计时。
如果开关B一开始就是闭合的，则当到半场20分钟时，虽然发光二极管会发光提示半场时间到，但是系统却没有自动停止计时。
因此，如果要实现题目要求的功能，开关B开始时必须处于断开状态。
当全场时间40分钟时间到时，产生的信号将会使其控制的三态门截止，停止计时。
在比赛过程中，可以随时断开开关A使计时暂停。
1.在设计时，必须对有关芯片的功能有比较好的了解，否则在设计过程中将会遇到困难或者出现错误。
比如：
我在设计红绿灯控制器时用到74LS190芯片，一开始并没有注意它是上升沿触发的器件，但是连接好电路以后才发现：
如果是顺数计时，当个为出现9时，十位已经出现了1；
如果是倒数计时，当个位刚出现0十位已经减了1。
也就是出现了提前进/借位。
后来经过重新看课本才知道了这是上升沿触发的缘故。
因此，我在进位信号中加了一个非门，解决了以上问题。
2.在设计过程中，一定要弄清楚题目要求，将控制电路分成几个部分，逐个部分完成其相应的功能的设计，然后再把各个部分电路组合在一起。
这样目标明确，比较容易检查电路中发生的小错误。
3.在电路布线前，必须对自己的电路有一定的合理布局，做到走线清楚，如果只是随意的布线，那么当完成整个电路时，电路的布线将会十分混乱，难以辨认。
如果电路布线混乱，电路一旦出现错误，将无从查起。
4.在安装过程中，由于难免会出现一些小错误，因此，必须熟练的掌握EWB模拟软件中电压表、示波器的使用，这有这样，当电路出现错误时，才可以较好的进行检测，从而改正错误。
5.我在设计红绿灯控制器时，用到一个七进制的计数器，在用EWB软件模拟时，我发现用74LS160无法设计出一个七进制的计数器，经过我反复思考，那样的连线理论上绝对是正确的，我也问了别的同学，都说理论应该是没有错的。
后来实在找不出原因，干脆不用74160了，就改用74LS90实现了七进制计数器的设计。
后来问老师，她说可能是模拟元件的问题。
所以，在我们用模拟软件进行模拟实验时，如果发现模拟实验结果与自己预期的结果有偏差，一定要认真思考其设计原理，也可以征求别的同学的意见。
如果设计原理确实正确，那么就很可能是模拟软件自身的问题。
所以，模拟软件的结果只可以参考。
这次实验虽然并不容易，但是我还是比较顺利的完成了，可惜只是用模拟软件进行模拟检验电路，如果有条件，我真的希望学校可以提供我们亲自到实验室自己动手将电路连出来，这样可以提高我们的实际动手操作能力。
附录：
元器件清单
1.红绿灯控制器元器件清单
用到的元器件名称
数量
信号发生器
74LS90
74LS160
74LS190
四脚数码管显示器
开关
三态门
与门
非门
与非门
异或门
2.比赛计时器元器件清单
发光二极管
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