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
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