太原理工大学数字逻辑课设交通灯.docx
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太原理工大学数字逻辑课设交通灯
太原理工大学计算机科学与技术学院
课程设计报告
课程名称：
数字逻辑综合课程设计
系部：
计算机科学与技术
专业班级：
计科1402
学生姓名：
陈志棚
学号：
35
同组人：
潘鋆、张瑾、谢项
指导教师：
廖丽娟
完成时间：
报告成绩：
太原理工大学计算机科学与技术学院
《数字系统设计》课程设计任务书
专业班级
计科1402
学生姓名
陈志棚
课程名称
数字系统设计
设计名称
交通灯控制器
设计周数
2周
指导教师
廖丽娟
设计
任务
设计
要求
一、设计任务
以LED数码管作为显示器件，设计并实现一个十字路口交通灯的控制器。
二、设计要求
1、基本要求
设计一个输出可在3~15V连续可调的直流稳压电源，要求当电网电压在220V上下波动15%,输出电流在0~80mA范围内变化时，均可正常稳压，输出电压的变化不超过±。
主、支干道交替通行，主干道每次放行15秒，支干道每次放行10秒；每次绿灯变红灯前，黄灯先亮5秒，此时另一干道上红灯不变。
主干道黄灯亮时，支干道红灯以1Hz的频率闪烁；支干道黄灯亮时，主干道红灯以1Hz的频率闪烁。
主、支干道各信号灯亮时，需配合有时间提示，以数字显示出来，且以每秒减“1”的计数方式工作，直到减到“0”后主支干道各信号灯自动转换。
2、扩展要求
在满足基本要求的前提下，可实现特殊状态（如火警、救护等）的交通灯控制，声控传感器S送出1的电平时，进入特殊状态，要求：
东西、南北方向的全部是红灯亮。
计数器停止计数并保持原来的时间数据。
特殊状态解除后，继续返回正常工作状态。
3、创新设计
在满足基本要求和扩展要求的前提下，设计一个可编程交通灯控制器，具体要求是：
有控制显示电路，能根据需要更改交通灯的时序。
有语音提示功能。
设计过程
时间要求
1、收集技术资料：
理解设计任务、查阅相关资料。
用时天。
2、确定总体设计思想：
方案论证比较、确定总体设计方案。
用时1天。
3、单元电路设计：
设计单元电路、选择元器件、计算参数。
用时2天。
4、EDA仿真：
利用EDA仿真软件验证设计方案的可行性,修改其中错误。
用时3天。
5、电路调试：
根据已确定无误的方案进行安装调试，验证各项功能和技术指标。
用时2天。
6、书写设计报告：
按照课程设计报告的要求，编写设计报告。
用时天。
学生提交
归档文件
封面—任务书—课程设计报告—图纸
指导教师签名：
日期：
交通灯控制设计报告
一.设计要求
1、基本要求
设计一个输出可在3~15V连续可调的直流稳压电源，要求当电网电压在220V上下波动15%,输出电流在0~80mA范围内变化时，均可正常稳压，输出电压的变化不超过±。
主、支干道交替通行，主干道每次放行15秒，支干道每次放行10秒；每次绿灯变红灯前，黄灯先亮5秒，此时另一干道上红灯不变。
主干道黄灯亮时，支干道红灯以1Hz的频率闪烁；支干道黄灯亮时，主干道红灯以1Hz的频率闪烁。
主、支干道各信号灯亮时，需配合有时间提示，以数字显示出来，且以每秒减“1”的计数方式工作，直到减到“0”后主支干道各信号灯自动转换。
2、扩展要求
在满足基本要求的前提下，可实现特殊状态（如火警、救护等）的交通灯控制，声控传感器S送出1的电平时，进入特殊状态，要求：
东西、南北方向的全部是红灯亮。
计数器停止计数并保持原来的时间数据。
特殊状态解除后，继续返回正常工作状态。
3、创新设计
在满足基本要求和扩展要求的前提下，设计一个可编程交通灯控制器，具体要求是：
有控制显示电路，能根据需要更改交通灯的时序。
有语音提示功能。
二.设计的作用、目的
通过在“模拟电子技术基础”与“数字电子技术基础”课程中的学习，我们了解了很多相关的知识，但通常只是单元电路的设计、集成芯片的特性功能等，并不能很好的将单元电路与集成芯片结合起来，而一个实用的电子系统通常却是由多个单元电路组成的。
因此，进行电子系统设计时，不但要考虑系统总体功能的实际，还要考虑系统各部分电路的选择、设计以及它们之间的相互连接。
这样能让我们更加清楚的认识到集成芯片及单元电路的关系，并熟练掌握。
在系统方案确定后，除少数电路参数需要设计计算外，大部分只需根据框图各部分要求正确选用模拟和数字集成电路的芯片进行连接就可以了。
了解十字路口交通灯的工作方式，熟悉各个芯片各个单元电路的主要功能，通过单元电路和芯片的结合设计出电路。
三.设计的具体实现
1.系统概述
（1）.总体描述
路口信号灯是对当前十字路口的四种状态的描述，通过利用四组信号灯的状态，来体现当前的通行状况，再利用一组时间显示器显示当前状态的时间，该设计还有一个拓展功能，就是在紧急状态下可以将所有状态调整为红灯并将显示的时间停止，在恢复正常后并能继续运行当前状态。
（2）.总体框图
（3）.状态描述
态序
主干道
支干道
时间
1
绿灯亮 允许通行
红灯亮 不许通行
15s
2
黄灯亮
红灯亮 不许通行
5s
3
红灯亮 不许通行
绿灯亮 允许通行
10s
4
红灯亮 不许通行
黄灯亮
5s
2．单元电路设计、仿真与分析（小三号宋体）
我在设计中负责时间反馈部分以及扩展功能的设置:
时间反馈模块:
该模块实现的功能是为计时器循环输送5->15->5->10秒四种状态的时间，该部分的实现思路如下：
由74LS163的输出端QAQB输出00,01,10,11的模四计数器，将这四种输出状态分别对应一种时间，即时间的跳变是由74LS163的反馈来实现，另一方面当倒计时到0的时候，给74LS163一个反馈，使之进入下一个状态，具体实现及对应关系如下表所示
74LS163
QBQA
7段显示译码器高位输入
D1C1B1A1
7段显示译码器低位输入
D2C2B2A2
对应秒数
00
0001
0000
10秒
01
0000
0101
5秒
10
0001
0101
15秒
11
0000
0101
5秒
由表中对应关系，可找到一种规律：
将163的QA输出端通过一个非门接到A1端口，其它B1C1D1三个端口接低电平，然后QAQB通过一个或门连接到A2C2端口，其余B2D2接低电平，这样就完美实现通过163输出的四种状态来控制时间的四种状态，当每次倒计时到0的时候需要给74LS163一个高电平的反馈使之进入下一个状态，这时只需将74lS192的5个有效输出端口通过一个或非门给74LS163输送反馈，这个反馈只有倒计时为0的时候输出的才为高电平，时74LS163进入下一个状态！
以此循环下去就实现四种时间循环变化。
电路简图如下所示：
扩展模块：
当按下紧急开关（由高电平变为低电平）的时候，时间停止计时所有红灯亮起
整体思路：
当按下开关的时候，要使脉冲对计时器失去作用，并且让38译码器的Y0Y1Y2Y3输出端都为高电平，再让此作用在红灯上时红灯亮起。
具体实现如下：
将单刀双掷开关一端引出与脉冲信号通过一个与门接入到192译码器上，开关一端接入38译码器的使能端，38译码器的Y0Y1Y2Y3输出端口接入一个四输入的与门，连接到红灯上。
当开关为高电平的时候，与门输出为高电平，正常作用于193计时器上，译码器输出正常！
当开关为低电平时，与门输出为低电平，计时器停止计时，译码器Y0Y1Y2Y3输出都为高电平，通过与门后也为高电平，使作用到红灯上！
设计简图如下：
3.电路的安装与调试
电路安装主要经历以下几个步骤：
首先测试所有领到的原件，保证其功能正常使用才进行连接电路。
计时器的连接与测试：
先连接计时器模块，并测试其功能能够实现对于给定任意时间输入，从该时间倒时到0。
该模块连接成功功能正常后再连接下一个模块。
状态控制器（模四计数器）的连接与测试：
单独连接状态控制器模块，并测试其功能能够输出00、01、10、11四种状态的循环输出。
该模块连接成功再连接下一模块。
反馈模块的连接与测试：
将计时器和状态控制器按照要求连接起来，并测试该整体功能能够实现10->5->15->5秒的循环输出。
该模块连接成功功能正常后再连接下一个模块。
灯光模块的连接与测试：
将状态控制器的输出与主干道和枝干道连接起来，测试其灯光闪烁能满足要求。
扩展功能模块连接和测试：
根据要求给电路添加上扩展功能模块并测试所有电路功能！
电路安装期间主要出现的问题：
在进行前三部分的电路连接时基本没出什么问题，很顺序的实现了10->5->15->5秒的循环输出结果，唯一在连接灯光模块时，不知道哪根线连接错误出现灯光闪烁不对，于是就不断的查找连接错误的地方，但由于后面连线越来越复杂，导致花了好多时间都没找出出错的地方，最后无奈将灯光模块的连线都拆了重新更加小心的连接，最后连接成功了，总体在灯光模块的连接出现了大问题，并花了很长时间！
对照仿真电路连接实体电路时，发现有的需接入低电平的元件端口在仿真软件中能够悬空便能正常工作，而在实际电路中就需要接入低电平才能正常功能，74LS138译码器的使能端便是如此！
4.直流稳压电源电路
1.直流稳压电源概述
直流稳压电源是电子系统中的一个必备部分，除了应用蓄电池以外，绝大多数的电子系统都使用直流稳压电源。
小功率稳压电源一般由电网供电，再经整流、滤波、稳压三个主要环节，将电网交流电变换成电子系统所需的稳定的低压直流。
常用的稳压电路有：
并联型稳压电路、串联型稳压电路、集成稳压电路等。
并联型稳压电路结构简单，设计容易，但是输出电压不可调，输出电流较小。
串联型稳压电路使输出电压可调节输出电流加大，因此多数电子系统应用中都使用串联行稳压电路或根据此原理实现的集成稳压器来实现的。
2.工作参数
输出电压及调节范围
可调节输出的稳压电源有一个输出电压的调节范围U0min~U0max
固定输出的稳压电源其输出电压与设计的标称输出电压相比通常存在有微小的误差。
最大输出电流I0max
稳压电路能够向负载提供的最大电流
3.串联型稳压电源设计原理
设计一个小功率整流滤波电路，首先要根据负载要求的输出电压、负载电流和纹波电压的大小，选择合适的整流电路，做一些简单的估算，然后选择合适的元件，最后再经过测试加以调整。
负载电流在mA数量级，对纹波要求不高的场合，可以选用简单的半波整流电路，其余一般选用桥式整流电容滤波电路。
本次电流源的设计采用集成电路构成：
用集成电路的形式制造的稳压电路称为集成稳压器。
优点是性能稳定可靠，使用方便、价格低廉。
集成稳压器种类有多端式和三端式，输出电压有固定式和可调式，正压、负压输出稳压器等。
三端固定式集成稳压器都有三个管脚，分别是输入端、输出端和公共端。
正电压输出的78××系列，负电压输出的79××系列。
其中××表示固定电压输出的数值。
如：
7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指输出电压是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。
79××系列也与之对应，只不过是负电压输出。
这类稳压器的最大输出电流为，塑料封装（TO-220）最大功耗为10W（加散热器）；金属壳封装（TO-3）外形，最大功耗为20W（加散热器）。
电路图如下：
三端可调式集成稳压电路
其型号有正输出三端可调式、负输出三端可调式两种。
如LM117型（与LM317类似）是正电压输出型。
经过处理其输出电压可在5～15V之间调节。
串联型稳压电路原理框图
稳压电路各环节分析及设计原则：
1.调整环节
串联型稳压电路的调整环节是由调整管构成的，其基极受比较放大器的输出电压控制，通过调整管集电极与发射极之间压降的变化来抵消输出电压的变化，因此必须保证调整管工作在放大区，以实现其调整作用。
同时，串联型稳压电路的调整管与负载是串联的，全部负载电流要通过调整管。
因此，调整管耗散功率很大，它必须满足负载电流和功耗要求，保证在最不利的情况下也不至于是器件损坏。
2.比较环节
比较放大器的作用是把输出电压较小的变化进行放大，并送去控制调整管以达到稳定输出电压的目的。
比较放大器的增益越高，所需要的控制信号越小，输出电压越稳定。
因此，要提高电源的稳定性，关键在于提高比较放大器的增益。
以下图所示的典型电路为例：
显然要提高比较放大器的增益，可以适当加大R1
但是R1的加大是有限度的，当输入电压一定的时候其两端的电压UR1=（IC2+IB1）R1,为了确定比较放大器对调整管的控制作用，其集电极电流与调整管基极电流之间应有：
放大器对调整管的控制作用，其集电极电流与调整管基极电流之间应有：
IC2MIN=2IB1MAX=2IL/β1
因此
UR1=（3IL/β1））×R1
这里
UR1=UDI－UBE1—UDO
所以
为了减小调整管的功耗，其集电极-发射极间的管压降不能太大。
通常：
UDIMIN－UDOMAX=UCE1MIN＞~2）UCES
一般只有几伏，所以R1趋势很小，仅为几千欧姆。
因此靠加大R1来提高比较放大器的增益是有限度的。
要进一步提高电源稳定度可以考虑采用辅助电源的电路，恒流源负载的电路采用差动放大电路做比较放大器等方法。
基准环节
基准电压一般是由稳压管提供的稳定直流电压。
做为比较放大器的比较基准，应当尽量稳定。
基准电压UZ要低于输出电压UDO，其大小由下式决定
UZ=nUDO
其中n是取样分压比
n=（R4+RW’）/（R4+R3+RW）
n过小会影响电源的稳压效果，UZ的取值应使n在~之间。
为了保证基准电压恒定，稳压管必须工作在稳压区，因此必须适当的选择限流电阻R2,保证稳压管工作电流最大时，小于允许电流IZMAX，工作电流最小时，大于最小稳定工作电流IZMIN。
因此限流电阻R2应满足
为了减小稳压管内阻rZ以及变化电流对UZ的影响，稳压管工作电流应取大些，一般为10mA左右。
为了减小温度变化的影响，尽量选用具有零温度系数的（5~7）V稳压管，或具有温度补偿的稳压管。
取样环节
取样环节是由取样电阻R3,R4,RW组成的电阻分压器。
一方面，R3,R4,RW要使对应的分压比稳定，就要选用同种材料的电阻、稳定性较高的金属膜电阻、温度系数小的锰铜丝等。
另一方面，要尽量减小变化电流IB2对分压比的影响。
所以，R3、R4取值不能太大。
减小R3、R4还可以减小比较放大器的输入电阻，从而提高AU2。
但是R3、R4减小将使电路的空耗增加，效率降低，因此，R3、R4的取值在：
一般取IR为20mA左右。
兼顾泄放作用可稍大一些。
为了提高电源的稳定度，取样分压比n应尽量大些，但总要小于1.（因为n=1时，比较放大器有可能工作在饱和区而失去放大作用。
因此n的取值要结合基准电压UZ的选取综合考虑，一般在~之间。
由UDO=UZ/n可知：
基准电压UZ一经选定之后，UDO由n决定，利用n的变化可以改变UDO。
输出电压的调节范围UDO=[（R3+R4+RW）/（R3+RW）]*UZ
根据给定的电压调节范围，可以定出R3,R4,RW的大小，为了减小电位器可动端受机械振动对输出电压的影响，电位器的阻值RW应比R3,R4小的多
四.心得体会及建议
通过该实验我的体会是：
有些功能需要很多元器件配合起来才能实现，并且即使有相同的思路，电路也连接不大相同，一些巧妙的方法能够大大简化电路，这点很重要。
我们必须将一个大的问题分解成一个个小问题，再将各个小问题逐一解决。
连电路时就是这样，万万不可一下子将整个电路连接出来，因为一旦出错，将会很难在那复杂的电路中找出出错的地方，有可能到最后都无法实现电路功能，而将电路模块化，连接一个模块就测试其功能正常后再进行下一个模块的连接，直至将所有电路连接完，这样才能达到事半功倍的效果！
仿真电路和实际电路的连接有很大区别，仿真电路都是基与元件为理想状况下实现的，而实际的元件有很多误差，并且看似简单的仿真电路，在连接的时候也是相当复杂的。
通过电路的连接让我增强了我的实际操作能力，这点很难能可贵！
五．附录
元器件清单：
74LS192N
2片
74LS163N
1片
74LS128
1片
74LS32（或门）
3片
74LS04（非门）
2片
74LS08（与门）
2片
六．参考文献
[1]刘祖刚.模拟电子电路原理与设计基础[M].北京：
机械工业出版社.2012
[2]欧阳星明.数字逻辑[M].湖北：
华中科技大学出版社.2009
附图
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