北京理工大学数字电路课程设计交通灯控制器预习报告.docx

本科实验报告

实验名称： 交 通 灯 控 制 器

课程名称：
课程设计II（数字电路）
实验时间：
第19周
任课教师：
张延军
实验地点：
4-333
实验教师：
田东
实验类型：
□ 原理验证
■ 综合设计
□ 自主创新
学生姓名：
倪正超
学号/班级：
1120133797 30011302
组 号：

学 院：
徐特立学院
同组搭档：

专 业：
徐特立英才班
成 绩：

课程设计II —— 交通灯控制器

一、实验目的
1. 巩固所学《数字电路与系统设计》知识，学习数字系统设计方法；
2. 用中小规模集成电路设计、安装、调试一个小型数字控制系统：交通灯控制器；
3. 使用MULTISIM对所设计系统进行仿真；
4. 掌握数字系统的调试方法：应该学会用示波器来进行测试。

二、实验原理
1. 数字系统的概念
数字系统是指对数字信息进行存储、传输、处理的电子系统。它的输入和输出都是数字量。通常把门电路、触发器等称为逻辑器件；将由逻辑器件构成，能执行某单一功能的电路，如计数器、译码器、加法器等，称为逻辑功能部件；把由逻辑功能部件组成的能实现复杂功能的数字电路称数字系统。
数字系统和功能部件之间的区别之一在于功能是否单一。一个存储器尽管规模很大，可以达到数兆甚至G字节，但因其功能单一，只能算是逻辑部件；而由几片MSI构成的交通灯控制器却可称为系统。数字系统和功能部件之间的区别之二在于是否包含控制电路。一个数字电路，无论其规模大小，只有在具有控制电路的情况下才能称之为系统。
2. 数字模块与数字系统的设计思路——自顶向下的设计方法
自顶向下的设计方法是从整体系统功能出发，按一定原则将系统划分为若干子系统，再将每个子系统分为若干功能块，再将每个模块分成若干较小的模块……直至分成多基本模块实现。
《数字电路与系统设计》课程中我们接触到的数字模块有：多路选择器、译码器计数器、移位寄存器、状态机等等。一个数字系统可看成由若干数字模块组成的。进行设计时可以先将系统分解为若干个子系统（模块），每个子系统完成某一功能。将每个子系统设计完毕后，再由子系统构成整个系统。仿真、安装、调试时可逐个模块进行，再将它们连接起来进行调试。
3. 交通灯控制器的原理设计
（1）交通灯功能概述
交通灯示意图如下所示，其中传感器的作用为判断支路是否有车辆通过（或等候），若支路无车，则主路绿灯常亮。其中主路绿灯时间为TM=16s，支路绿灯时间为TB=12s，黄灯时间为TY=3s，支路传感器信号为VS（支路有车，则VS为高电平）。

图1 交通灯示意图

（2）交通灯系统框图
框图结构如下：

图2 交通灯系统的组成框图（左）及实现框图（右）
其中，定时器用74LS163计数器，BCD-七段显示译码器用74LS248，驱动电路中的触发器用D触发器，使用双D触发器74LS74。值得注意的是74LS163为加法计数器，但在交通灯控制器中所需要的是倒计时功能，即实现减法计数器，故需将74LS163计数器的输出反相，并采用预置法实现模M计数。

（3）交通灯控制器状态图
交通灯控制器状态转换示意图如下。（注：在状态图中，TL=1代表主路绿灯时间已倒计为0，TY, TS同；VS=1表示支路有车）。

图3 交通灯控制器状态转换图
状态方程：

从状态方程可以看出，用4-1MUX实现较为简单。
状态个数为4，故所需D触发器个数为2，其驱动方程即为状态方程。

（4）定时器的设计
主路绿灯时间为TM=16s，支路绿灯时间为TB=12s，黄灯时间为TY=3s.
在每个状态下所需预置的数不同，列表如下：

Q1
Q0
下一状态持续时间
D
C
B
A
S0
0
0
TY 0 0 1 1
1
1
0
1
S1
0
1
TB 1 1 0 0
0
1
0
0
S2
1
1
TY 0 0 1 1
1
1
0
1
S3
1
0
TM 1 0 0 0 0
0
0
0
0
从表中可得：

故采用4-1MUX实现以上逻辑函数较为简单，且实现D，C逻辑函数即可。

（5）时钟CLK的发生原理
用555定时器构成多谐振荡器，产生频率为1Hz的时钟信号。
三、元件清单
1. NE555 555定时器 1片
2. 74LS00 四 2 与非门 2片
3. 74LS04 六 非门 1片
4. 74LS08 四 2 与门 3片
5. 74LS32 四 2 或门 1片
6. 74LS74 双 D触发器 1片
7. 74LS153 双 4-1多路选择器 2片
8. 74LS163 4位二进制同步计数器 1片
9. 74LS248 BCD-七段显示译码器 1片
10. 74LS138 3-8 译码器 1片
11. LED 6个
12. 七段显示器 1或2片
13. 电阻、电容、导线若干

四、实验内容和主要步骤
1. 时钟信号的发生
用555定时器构成多谐振荡器，原理图如右图所示，用MULTISIM仿真结果可得其振荡频率为1Hz。

图4 时钟信号的发生原理图

2. 定时器和控制器的设计

图5 定时器和控制器的设计原理图

用MULTISIM仿真结果如下：
A闭合时（即TS=1，支路有车时），波形图如下：

图6 输出波形图
（从上至下依次为163输出QDQCQBQA，预置端DCBA，进位ROC，状态Q1Q0）

A断开时（即TS=0，支路无车时）仿真结果为Q1Q0=00，与状态图相符。

3. 时间显示电路的设计
从上波形图可以看出，163为加法计数器，则为实现红绿灯倒计时功能，需在计数器输出端加反相器。同时将输出转换为BCD码，当时，加0110，用加法器实现之，则输入端输入为：

其中B3B2逻辑函数的实现可由画卡诺图得到：
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1

电路图如下：

图7 时间显示电路原理图
其中LT端接VS，目的是在支路无车时让数码管显示‘88’，区别正常计时。

4. LED灯译码电路的设计
由状态图可知：

图8 LED灯译码电路原理图
5. 整体图设计
将以上子系统整合设计如下图：

图9 交通灯控制器整体原理图

五、实验体会