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本科实验报告
实验名称: 交?通?灯?控?制?器
课程名称:
任课教师:
实验教师:
学生姓名:
/学号班级:
/
学 院:
专 业:
课程设计?II(数字电路)
张延军
田东
倪正超
1120133797?徐特立学院
徐特立英才班
实验时间:
实验地点:
实验类型:
组???号:
同组搭档:
成???绩:
第?19?周
4-333
□?原理验证
■?综合设计
□?自主创新
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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
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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)。
主路M
传感器
传感器
G?Y?R
支路B
G
Y
R
图?1?交通灯示意图
(2)交通灯系统框图
框图结构如下:
译码器
红绿灯
红绿灯
Q1
Q0
CLK
控制器
VS
驱动电路
LD CNT TL
定时器
TS??TY
时间显示 控制电路
BCD-七段显示译码器
手动控制
七段数码管
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
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时间已倒计为?0,TY,?TS?同;VS=1?表示支路有车)。
MG
BR
S0
00
S1
01
MY
BR
MR
BY
S3
10
S2
11
MR
BG
图?3?交通灯控制器状态转换图
状态方程:?Q?n?1???Q?Q??T?V???QQ??1???Q?Q??T?V???Q?Q???0
0 1 0 L?S 1 0 1 0 S S 1 0
Q?n?1???Q?Q???0???QQ??T???Q?Q??1???Q?Q??T
1 1 0 1 0 Y 1 0 1 0 Y
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:
S0
S1
S2
Q1
0
0
1
Q0
0
1
1
下一状态持续时间
TY????0?0?1?1
TB????1?1?0?0
TY????0?0?1?1
D
1
0
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