數(shù)字電路—交通燈故障檢測電路強(qiáng)化訓(xùn)練

1、武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)技能強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計說明書 武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)技能強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計說明書 數(shù)字電路一交通燈故障檢測電路.設(shè)計題目的理論分析電路的理論分析交通燈故障監(jiān)測邏輯電路的設(shè)計，紅燈R,黃燈Y,綠燈Go其中，燈單獨亮正常，黃綠同時亮正常，其他情況不正常。設(shè)燈亮為“1”，不亮為“ 0”，正常為“0”，不正常為“ 1”。用與非門實現(xiàn)該邏輯電路。使用 Simulink進(jìn)行簡單的仿真。從題目上看，這是一個基本邏輯門電路在實際生活中的應(yīng)用問題。根據(jù)我們本學(xué)期已經(jīng)學(xué)過的數(shù)字電路方面的知識，首先要分析一下該題目中的邏輯命題，再根據(jù)命題確定我們要設(shè)定的輸入和輸出變量分別是什么。在這個設(shè)計實驗中，很明顯，輸入

2、變量是紅，黃，綠三種燈的顯示狀態(tài)，而輸出變量是檢測電路的結(jié) 果，即交通燈是否有故障。然后用二值邏輯的0和1兩種狀態(tài)，分別對輸入輸出變量進(jìn)行賦值。題目中燈亮用“1”表示，燈不亮則用“0”表示，電路有故障用用“1”表示，不亮用“ 0”表示。再根據(jù)題目的意思，我們很容易寫出該題目所要求實現(xiàn)的邏輯門電路的真值表，如下所示。表1電路實現(xiàn)的邏輯功能表RYGZ00010010010001101000101111011111要設(shè)計出所需的邏輯電路，我們得先知道真值表所對應(yīng)的的函數(shù)表達(dá)式。而 要根據(jù)真值表得到邏輯函數(shù)表達(dá)式，我們可以用畫卡諾圖的方法。如下圖所示， 為輸入輸出變量的卡諾圖表示。圖1真值表對應(yīng)的卡諾

3、圖最后根據(jù)已經(jīng)列寫好的卡諾圖，我們可以運(yùn)用數(shù)字電路中學(xué)過的知識化簡出 輸出變量Z的最終表達(dá)式，即：Z RYG RG RY但是題目要求我們用與非門實現(xiàn)該邏輯功能，所以我們還要將式（1）化成只由與非門構(gòu)成的基本邏輯函數(shù)表達(dá)式，即：Z RYG RG RY RYG?RG?RY（2）電路原理圖的繪制根據(jù)式（2）,我們可以利用 Altium designer軟件繪制出相應(yīng)的原理電路圖， 在原理圖中，三個開關(guān)分別控制三個指示燈的亮或暗，元件“NAND ”則表示相應(yīng)的二輸入端與非門 74LS00 ,或者三輸入與非門，其中三輸入端的與非門可以由四 輸入端的與非門 74LS20改變，只要讓四輸入端與非門的一個輸入

4、端接入高電平即 可，最后的Z則表示監(jiān)測信號的輸出端。下面是繪制好的原理圖形。圖2實驗原理圖.MATLAB軟件的使用MATLAB軟件的簡要介紹MATLAB 是美國Mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù) 可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB和Simulink兩大部分。其中，MATLAB 是matrix和laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩 陣實驗室），它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建 模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程 設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多

5、科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并 在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科 學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB 的主要功能有數(shù)值分析、數(shù)值和符號計算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號處理、通訊系 統(tǒng)設(shè)計與仿真、財務(wù)與金融工程等。Simulink 則是基于 MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進(jìn) 行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對任何能夠用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如航空航天動力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船舶及汽車等，其中還包括了連續(xù)、離散條件執(zhí)行，事件驅(qū)動，單速率、多速率和混雜 系統(tǒng)等。它提供了

6、利用鼠標(biāo)拖放的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面，而且 Simulink還提供了豐富的功能塊以及不同的專業(yè)模塊集合，利用Simulink幾乎可以做到不書寫一行代碼就完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。利用Simulink軟件繪制模型及對模型的仿真根據(jù)上一節(jié)中我們對設(shè)計題目的理論分析，在得到了最后的邏輯函數(shù)表達(dá)式后，我們就可以打開 MATLAB ,并運(yùn)用其中自帶的系統(tǒng)仿真軟件SIMULINK 連接我們所需要的基本邏輯門電路。下面是我在本次的設(shè)計實驗中使用MATLAB軟件的具體操作步驟。武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)技能強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計說明書 武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)技能強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計說明書圖6模塊的添加 圖3打開MATLAB

7、軟件*! nrsulinlc Li.&ra-ry Brows.frufarAIHB.FFritnmri1Ei,武Ltnry SirjbrvStdiL R Ctwrwwir？y 111Md 甘betsCw bh rniu 1Daciete,日 R* 0p=時的黑, UKifajp iTbte-fcl/Bit Operatons - Usd? gTiearti” 此扣 51 fisrts- A ubs戶fce*F-Wqim Air-ifilTM.：.QialHoJ.Hrj Srfcs.京HjY：H： 丁 i/wr1必*VE F:i ，田，-gji. i-ir i npi-m-xL. kbl 土 a

8、rrLE=y. nl1孰CL 口*，安sr wine SwillingQj5ffmif，J Lk flJ ng二，EFirtJm_5fli!:國 itPM4 胃 EdBYm U 的好LilithCsrfrtuoue二 zcr:iELDCfc-P TWHMedelFirti 4nwilrSwr5eiiW rkas 國 S 算回E ”Nime a圖4打開MATLAB 的系統(tǒng)仿真軟件SimulinkStare： IeIEEE知t電FWS ASmrMjr 學(xué) LWnk-nDrniwKi-n r 如 s-trf 6k?c曲序&c*riiuu qT，卯S日 no I Hok-rtlrib 0ntimdR

9、看 3+1(W$|Rie Edit U* Smuiatiwii Forrviat locls l-telp口* R mQ | k ba Q 降eU圖5打開新建模型窗口及新建模型在 “ Simulink Library Browser” 窗口中將 “ Simulink ” 節(jié)點展開，并選中 “Logical and bit operations ” 模板庫中的 “ Logical operator ” 模塊，如圖 6 所示， 鼠標(biāo)右擊，在彈出的快捷菜單中選擇“Add to Untitled ”菜單項，就可以將“ Logicaloperator”模塊添加到“ Untitled ”模型中。也可以直接

10、將“ Logical operator ”模塊 拖拽到模型編輯窗口中，完成模塊的添加操作。添加元件的模型完成后，就可以開始按照原理圖連接線路。完成連線，首先應(yīng)該改一下電路中元件模型的名稱，以方便我們看清各個模型。同時，還要對一些模型的參數(shù)加以更改，例如，模型圖里的與非門都是由基本的與門通過設(shè)計相關(guān)參數(shù)來確定它的類型，輸入管腳數(shù)。最后的 Display則是用來觀察輸入和輸出信號的狀態(tài)。 這樣，我們就能在一次仿真的結(jié)果中同時看到輸入和輸出的高低電平狀態(tài)。如下圖 7就是連接好的模型圖。圖7模型線路連接圖連接好模型線路圖后，就可以開始進(jìn)行模型的仿真了。該電路的輸入共有八種不同的狀態(tài)，為了證明該電路模型

11、的正確性，我們需要將每一種狀態(tài)都進(jìn)行仿真。在仿真的過程中，我們可以通過改變開關(guān)的狀態(tài)來控制各個信號燈的亮或暗，再通過 Display來觀察電路的每一次仿真的輸入和輸出的狀態(tài)。所有的狀態(tài)仿真完成后，再將仿真結(jié)果與理論值進(jìn)行比較。下面是八次仿真的結(jié)果圖。武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)技能強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計說明書 武漢理工大學(xué)基礎(chǔ)技能強(qiáng)化訓(xùn)練課程設(shè)計說明書 圖8八種狀態(tài)的仿真結(jié)果圖.實驗結(jié)果及分析由上面對模型電路的仿真結(jié)果，將八次結(jié)果列成一張仿真表，如下表所示。根據(jù)上面的理論表和仿真結(jié)果表相比較可以看出， 仿真和理論值是一樣的。即：當(dāng)三個燈單獨亮，或當(dāng)黃綠燈同時亮?xí)r，模型電路輸出信號“0”，說明信號燈工作正常；其他

12、情況下，模型電路輸出信號“1”，說明指示燈工作處于不正常的狀態(tài)。由兩個表格分析結(jié)果可以看出，本次實驗里所繪制的邏輯原理電路圖完全正確，它能夠檢測出交通燈的工作是否正常，完全實現(xiàn)了實驗任務(wù)書中所要求的實驗內(nèi)容。當(dāng)用Simulink進(jìn)行電路的仿真時，其結(jié)果與我們用理論得到的結(jié)果是一樣的。這這個題目本身并沒有太大的難度，但是當(dāng)我們用仿真軟件將模型電路進(jìn)行仿真時，可以更加清楚直觀的看到信號的輸入和輸出的變化，加深了我對理論的理解。表2八次仿真結(jié)果整理表R0Y0G0Z000010010010001101000101111011111.心得體會通過本次基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練，一方面，在完成本次實驗課題的過程中，我對

13、于 MATLAB 這個高級的計算軟件有了初步的了解，也學(xué)會了使用一種新的仿真軟件 Simulink。應(yīng)該說，在這次的基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練中，我的收獲還是很大的。首先，我最大的體會還是關(guān)于這個軟件強(qiáng)大的功能。在此之 前，因為我所學(xué)習(xí) 的專業(yè)，對這個軟件聽說過，但沒有學(xué)習(xí)使用這個軟件。在做本次的實驗課題前， 我先去網(wǎng)上和圖書館找了一下關(guān)于這個軟件的介紹和使用方法，才發(fā)現(xiàn)原來這個 軟件的功能非常強(qiáng)大，應(yīng)用也很廣泛。當(dāng)然，因為它所涉及到的東西太多，所以 要真正地掌握這個軟件的使用，對我們新手來講，是基本不可能的。我認(rèn)為，對 現(xiàn)在的我來說，能夠使用MATLAB中的基本功能，如矩陣的相關(guān)運(yùn)算，簡單程序的編寫，系統(tǒng)

14、仿真軟件Simulink的使用，也要花不少的時間去學(xué)透他們。再者，其實這次的課題設(shè)計我做的有點匆忙，所以關(guān)于MATLAB軟件的使用，我也只是為了省時間而僅僅先學(xué)會了怎么使用Simulink系統(tǒng)仿真軟件對基本的邏輯門電路進(jìn)行模型的建立和仿真，但是對于MATLAB真正的強(qiáng)大功能，矩陣和程序這兩方面，我卻還沒有來得及去認(rèn)真地學(xué)習(xí)。但是經(jīng)過這次的實驗，我想既然 這個軟件這么強(qiáng)大，特別是在數(shù)學(xué)建模方面，我想，應(yīng)該不能少了這個軟件，這 樣就更激發(fā)了我以后學(xué)習(xí)這個軟件的興趣。課題設(shè)計實驗一般都是這樣，雖然不難，一般情況下，大家都能完成。但是重 要的是我們在完成這個課題的過程中，所學(xué)習(xí)到的平常我們忽視的，或者是學(xué)不 到的知識。就像在這次的課題設(shè)