数字逻辑 交通灯和抢答器.docx
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数字逻辑交通灯和抢答器
福建农林大学东方学院
计算机科学与技术系
课程设计报告
课程名称:
《数字逻辑》课程设计
设计题目:
1、交通灯控制电路设计
2、智力竞赛抢答器电路设计
3、
姓名:
张高榕
专业:
09电子信息工程
年级:
2班
学号:
0950302055
指导教师:
颜德强
职称:
讲师
2011年06月30日
课程设计评分表
评价内容
评价指标
分值
评定成绩
查阅、收集资料
查阅一些相关资料,收集素材,进行参考。
8
构思、主见
综合分析正确,论证充分,构思全面,对问题有较深刻的认识,有一定独特见解。
8
学过知识的运用
能结合学过、了解到的知识正确设计设计项目方案或建立模型;能独立进行实验工作;能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题;能正确处理实验数据;能对设计项目进行理论分析,得出有价值的结论。
24
逻辑结构
结构合理,层次分明,条理清晰,逻辑性强。
8
分析与阐述问题的能力
所阐述问题清楚,突出重点,有见解;设计报告表现出对实际问题有较强的分析能力和概括能力。
10
撰写质量
语句通顺,语言准确,书写工整,达到设计报告要求的字数,设计报告书写格式符合要求。
10
设计质量
实验正确,分析处理科学;设计报告结果有价值;电路绘制符合国家标准,质量符合要求;计算及测试结果准确。
24
撰写报告的态度及完成情况
工作努力,遵守纪律;作风严谨务实;
积极、主动查阅有关资料,按期完成规定的任务,工作量饱满。
8
合计
设计指导教师签名:
评定日期:
1.2智力竞赛抢答器…………………………………………………………0
1.设计的目的和任务
1.1交通灯控制电路
1.1.1设计一个十字路口的交通灯控制电路,要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行,每次通行时间都设为25秒;
1.1.2要求黄灯先亮5秒,才能变换运行车道;
1.1.3黄灯亮时,要求每秒钟闪亮一次
1.2四人智力竞赛抢答器
用TTL和CMOS集成电路设计智力竞赛抢答器逻辑控制电路,具体要求如下:
1.2.1抢答组数为4组,输入抢答信号的控制电路应有无抖动开关来实现。
1.2.2判别选组电路。
能迅速,准确地判出抢答者,同时能排除其他组的干扰信号,闭锁其它各路输入使其它组再按开关时失去作用,并能对抢中者有光,声显示和鸣叫指示。
1.2.3计数、显示电路。
每组有三位十进制计分显示电路,能进行加/减记分。
1.2.4定时及音响。
必答时,启动定时灯亮,以示开始,当时间到要发出单音调“嘟“声,并熄灭指示灯。
抢答时,当抢答开始后,指示灯应闪亮。
当有某组抢答时,指示灯灭,最先抢答一组的灯亮,并发出音响,也可以驱动组别数字显示(用数码管显示)。
1.2.5主持人应有复位按钮。
抢答和必答定时应有手动控制。
正文:
用“小四宋体”
参考文献:
用“五号仿宋体”
纸型:
统一用A4纸
)
2.设计要求
1)从选择设计方案开始,首先按单元电路进行设计,选择合适的元件,最后画出总原理图。
2)均首先采用Multisim7或EWB仿真软件进行仿真,后进行电路的实际安装和调试。
3)设计报告要按照格式来做。
设计结果要以打印稿上交,同时设计报告的电子版和设计的电路图,运行结果(.msm或ewb檔)也要上交统一制作做。
3.设计地点
设计与仿真:
福建农林大学东方学院创新楼楼软件实验室机房三;
安装与调试:
福建农林大学东方学院创新楼楼硬件实验室506
4.主要仪器设备
(1)软件:
数字电路仿真软件Multisim7
(2)硬件:
交通等控制电路所需材料
1.1.数字电路实验箱
1.2.集成电路74LS741片,74LS101片,74LS002片,74LS1532片,74LS1632片,NE5551片
1.3.电阻51KΩ1只,200Ω6只
1.4.电容10Uf1只
1.5.其它发光二极管6只5.设计内容
四人智力竞猜抢答器所需材料
NET系列数字电子技术试验系统
2.1直流稳压电源
2.2集成电路
74LS190,74LS48,CD4043,74LS112及门电路
2.3显示器:
LC5011-11,CL002,发光二极管
2.4拨码开关(8421码)
2.5阻容元件,电位器
2.6喇叭,开关等
5.1交通灯控制电路
5.1.1电路原理:
1.分析系统的逻辑功能,画出其框图
交通灯控制系统的原理框图如图1所示。
它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源,译码器输出两组信号灯的控制信号,经驱动电路后驱动信号灯工作,控制器是系统的主要部分,由它控制定时器和译码器的工作。
图中:
TL:
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒,即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到,TL=1,否则,TL=0。
TY:
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到,TY=1,否则,TY=0。
ST:
表示定时器到了规定的时间后,由控制器发出状态转换信号。
由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
图1交通灯控制系统的原理框图
图2
2.画出交通灯控制器的ASM(AlgorithmicStateMachine,算法状态机)
(1)图甲车道绿灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上的车辆允许通行,乙车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔TL时,控制器发出状态信号ST,转到下一工作状态。
(2)甲车道黄灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行,乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST,转到下一工作状态。
(3)甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时,控制器发出状态转换信号ST,转到下一工作状态。
(4)甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上位过县停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定的时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST,系统又转换到第
(1)种工作状态。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、11、10,并分别用S0、S1、S3、S2表示,则控制器的工作状态及功能如表12、1所示,控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见,把灯的代号和灯的驱动信号合二为一,并作如下规定:
表12、1控制器工作状态及功能
控制状态信号灯状态车道运行状态
S0(00)甲绿,乙红甲车道通行,乙车道禁止通行
S1(01)甲黄,乙红甲车道缓行,乙车道禁止通行
S3(11)甲红,乙绿甲车道禁止通行,甲车道通行
S2(10)甲红,乙黄甲车道禁止通行,甲车道缓行
AG=1:
甲车道绿灯亮;
BG=1:
乙车道绿灯亮;
AY=1:
甲车道黄灯亮;
BY=1:
乙车道黄灯亮;
AR=1:
甲车道红灯亮;
BY=1:
乙车道红灯亮;
由此得到交通灯的ASM图,如图2所示。
设控制器的初始状态为S0(用状态框表示S0),当S0的持续时间小于25秒时,TL=0(用判断框表示TL),控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于25秒时,TL=1,控制器发出状态转换信号ST(用条件输出框表示ST),并转换到下一个工作状态。
依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。
5.1.3单元电路设计
(1)定时器
定时器由与系统秒脉冲(由时钟脉冲产生器提供)同步的计数器构成,要求计数器在状态信号ST作用下,首先清零,然后在时钟脉冲上升沿作用下,计数器从零开始进行增1计数,向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。
74LS163是4位二进制同步计数器,它具有同步清零、同步置数的功能。
74LS163的外引线排列图和时序波形图如图12、3所示,其功能表如表12、2所示。
图中,是低电平有效的同步清零输入端,是低电平有效才同步并行置数控制端,CTp、CTT是计图2交通灯的ASM图数控制端,CO是进位输出端,D0~D3是并行数据输入端,Q0~Q3是数据输出端。
由两片74LS163级联组成的定时器电路如图12、4所示。
电路的工作原理请自行分析。
图374LS163的外引线排列图和时序波形图
图4
(2)控制器
控制器是交通管理的核心,它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
从ASM图可以列出控制器的状态转换表,如表3所示。
选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生4种状态,控制器状态转换的条件为TL和TY,当控制器处于Q1n+1Q0n+1=00状态时,如果TL=0,则控制器保持在00状态;如果,则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。
这两种情况与条件TY无关,所以用无关项"X"表示。
其余情况依次类推,同时表中还列出了状态转换信号ST。
表274LS163功能表
表3控制器状态转换表
根据表3、可以推出状态方程和转换信号方程,其方法是:
将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与,其中"1"用原变量表示,"0"用反变量表示,然后将各与项相或,即可得到下面的方程:
根据以上方程,选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数,将触发器的现态值()加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号.即可实现控制器的功能。
控制器的逻辑图如图5所示。
图中R、C构成上电复位电路。
图5控制器逻辑图
(3)译码器
译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态,翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。
控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表4所示。
实现上述关系的译码电路请读者自行设计。
5.1.4实验内容和方法
表4控制器状态编码与信号灯关系表
状态
AGAYAR
BGBYBR
00
1 0 0
0 0 1
01
0 1 0
0 0 1
10
0 0 1
1 0 0
11
0 0 1
0 1 0
1.设计、组装译码器电路,其输出接甲、乙车道上的6只信号灯(实验时用发光二极管代替),验证电路的逻辑功能。
2.设计、组装秒脉冲产生电路。
3.组装、调试定时电路。
当CP信号为1Hz正方波时,画出CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL.、TY的波形,并注意它们之间一的时序关系。
4.组装、调试控制器电路。
5.完成交通灯控制电路的联调,并测试其功能。
5.2智力竞猜抢答器
5.2.1电路原理:
1.复位和抢答开关输入防抖电路,可采用RS触发电路来完成。
2.判别选组实现的方法可以用触发器和组合电路完成,也可以用一些特殊期间组成。
例如用MC14599和CD4099八路可寻址输入锁存器来实现.
3.计数显示电路可用8421码拨码开关译码电路显示。
8421码拨码开关能进行加或减计数。
也可用加/减计数器(如74LS193)来组成。
译码,显示用共阴或共阳组件,也可用CL002译码显示器。
4.定时电路。
当有开关启动定时器时,使定时器按减计数器使,使定时计数器按减计数或计数方式进行工作,并使一指示灯亮,当定时时间到,输出一脉冲,驱动音响电路工作,并使指示灯灭。
5.2.2总电路设计及说明
根据设计任务和要求,四人智力竞赛抢答器的组成框架图如图所示(如图1)
计时音响装置
振荡电路
抢答控制电路
抢答器
显示音响电路
清零装置
图1
逻辑参考电路如图所示
图2
如图2为拨码开关装置
图3
如图3为参赛者抢答,主持人清零装置。
图4
如图4为抢答者答题计时装置
图5
如图5为抢答时音响装置
5.2.3参考电路简要说明
1.计数部分
每组均有8421码拨码开关KS-1,完成分数的增和减,每组为三位个,十,百位,每位可以单独进行加减。
例如:
100分加“10”分变为110分,秩序安东拨码开关市委“+”号一次;若加“20”分。
若减分,方法相同,即按动“-”号就能完成减数记分。
2.判分电路
这部分电路由RS触发器完成,CD4043位三态RS锁存触发器,当S1按下时,Q1为1,这是或非门74LS25为低电平,封锁了其它阻的输入。
Q1为1,使D1发光管发亮,同时也驱动音响电路鸣叫,实现声,光的指示。
输入端采用了阻容方法,以防治开关抖动。
3.定时电路
当进行抢答或必答使,主持人按动单次脉冲启动开关,使定时数据置入计数器,同时使JK触发器翻转(Q=1),定时器进行减计数定时,定时指示灯亮。
当定时时间到,即减法计数器为“00”时,B0为“1”,定时结束,这是去控制音响电路鸣叫,并灭掉指示灯(JK触发器的Q=1,Q=0)。
定时显示用CL002,定时的时标脉冲为“秒”脉冲。
4.音响电路
音响电路中,f1和f2为两种不同的音响频率,当某组抢答时,应为多音,某时序应为间断音频输出。
当定时到,应为单音,其时序应为单音频输出,时序(如图6)所示。
6.结束语
通过这次的设计与制作,让我了解了一些设计电路的步骤,同时也了解了关于交通灯和智力竞猜抢答器的设计原理与设计思想,但是由于时间的紧迫,这个设计没有进行仿真,比较遗憾,不过在设计的过程中还是是学到不少东西的,由于有些芯片我们在数字电子技术基础里没有学过的,我们在查找这些资料的过程中就学到很多东西,有些芯片本来我们不懂的,但是经过查资料使我对有些不是懂的芯片有了一定的了解。
如果有时间,最好能够做出一个实物图就比较了解,但是时间实在太紧拉,虽然老师布置了很久,但是由于我们要考试复习就没有多少是时间去想,有点遗憾。
对以后设计的一点建议
在这次设计中得到老师的指导比较少,都是靠我们自己找资料,这样就比较盲目,所以在以后的课程设计中希望能多点得到老师的指导,而且有些芯片我们实验室根本就没有,有时候比较难调试。
但是老师也给了我不少的帮助,在这里表示感谢!
多谢老师在我设计过程中给与我的帮助。
总体来说,这次实习使我受益匪浅。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力。
在让我体会到了设计电路的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐。
7.参考文献
1交通灯电路设计参考文献
1.《数字电路逻辑设计》,王毓银主编,(第三版)高等教育出版社
2.《数字系统设计》,高书莉主编,北京邮电大学出版社
3.《数字电路实验报告书》,张亚婷编,西安邮电学院
4.《数字电子技术》,李中发主编,中国水利水电出版社
5.ProtelDXP电路设计教程/李东生等编电子工业出版社出版20047
6.数字电子技术基础(第四版)/阎石主编高等教育出版社出版199812
7.TTL高速CMOS手册/科林孙人杰编著电子工业出版社出版20045
2智力竞猜抢答器参考文献
1.康华光等编著《电子技术基础.数字部分》高等教育出版社2000年第四版
2.张庆双等编著《实用电子电路200例》机械工业出版社2005年版
3.张晓东著《动手制作日常电子装置》中国电力出版社2002年版
4.郁汉琪著《数字电子技术实验及课题设计》高等教育出版社