数字逻辑 交通灯和抢答器.docx

1、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

2、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：

3、 1.2智力竞赛抢答器 01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

4、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Multisim 7或EWB仿真软件进行仿真，后进行电路的实际安装和调试。

5、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74LS74 1片，74LS10 1片，74LS00 2片，74LS153 2片，74LS163 2片，NE555 1片1.3 电阻 51K 1只，200 6只1.4 电容 10Uf 1只1.

6、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：LC501111，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，

7、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22画出交通灯控制器的ASM（Algorithmic State Machine，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

8、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

9、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

10、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

11、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，D0D3是并行数据输入端，Q0Q 3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3 74LS163的外引线排列图和时序

12、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2 74LS163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

13、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

14、表4控制器状态编码与信号灯关系表状态AG AY ARBG BY BR001 0 0 0 0 1010 1 0001100 0 1100110 0 10101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。

15、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74 LS193）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

16、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，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

17、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Q1，Q0）。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

18、，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

19、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

20、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. Protel DXP电路设计教程/李东生等编 电子工业出版社出版 2004 76. 数字电子技术基础（第四版）/阎石主编 高等教育出版社出版 1998 127. TTL 高速CMOS手册/科林 孙人杰 编著 电子工业出版社出版 2004 52 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