交通燈控制電路綜合設(shè)計實驗

1、二、實驗說明 該綜合實驗按分步實施方式進行。全部實驗分為四 部分： 第一，方案設(shè)計； 第二，組合邏輯電路的設(shè)計與實現(xiàn)； 第三，時序邏輯電路的設(shè)計與實現(xiàn)； 第四，采用CPLD/FPGA可編程器件實現(xiàn)整個實驗。 該綜合設(shè)計實驗采用理論設(shè)計、軟件仿真和電 路安裝與調(diào)試三步走，以提高學(xué)生的綜合設(shè)計與 實踐動手能力。 第1頁/共37頁 三、實驗元器件 該綜合實驗采取兩種不同的技術(shù)手段實現(xiàn)： 1常用中、小規(guī)模數(shù)字電路：集成邏輯門、 集成編碼器、集成譯碼器、集成數(shù)字選擇 器、集成計數(shù)器等。 2CPLD/FPGA可編程器件。 第2頁/共37頁 “交通燈控制與顯示電路”綜合設(shè)計實驗（1） 方案設(shè)計（課外完成）

2、第3頁/共37頁 一、問題描述 設(shè)計并實現(xiàn)一十字路口的紅、綠、黃三色交通 燈控制與顯示電路，即每個路口設(shè)置一組紅、黃、 綠交通燈，按圖1所示情況變化，以保證車輛、行 人通行安全。 圖1 第4頁/共37頁 二、功能分析 1基本功能（見前面圖） 2擴展功能 （1）特殊狀態(tài)控制功能 特殊狀態(tài)如緊急車輛隨時通行功能受一開關(guān)控制，無急車 時，信號燈按正常時序控制。有急車來時，將特殊狀態(tài)開 關(guān)按下，不管原來信號燈的狀態(tài)如何，一律強制讓兩個方 向的紅燈同時點亮，禁止其它車輛通行，同時計時停止； 特殊狀態(tài)結(jié)束后，恢復(fù)原來狀態(tài)繼續(xù)運行。 （2）信號燈點亮?xí)r間預(yù)置功能 控制電路在任何時候可根據(jù)實際情況修改信號燈點

3、亮?xí)r間。 （3）各路口交通燈故障報警功能（選做） 交通燈控制電路發(fā)出警報，說明各路口交通燈同時熄滅或點 亮的情況不符合預(yù)定要求。 第5頁/共37頁 三、設(shè)計任務(wù)與要求 假設(shè)東西方向的綠燈點亮?xí)r間為Te ，同時也是 南北方向的禁行時間；南北方向的綠燈點亮?xí)r間為 Ts ，同時也是東西方向的禁行時間；此外，東西、 南北方向的黃燈點亮?xí)r間均為Ty 。 1參考圖1，定義交通燈的狀態(tài)，確定狀態(tài)表； 2根據(jù)實際交通燈轉(zhuǎn)換過程，設(shè)計交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn) 換圖； 3按交通燈的功能要求，設(shè)計系統(tǒng)的電路模塊圖。 第6頁/共37頁 四、設(shè)計思路： 1參考圖1，定義交通燈的狀態(tài)，確定狀態(tài)表； 狀態(tài)狀態(tài)東西方向東西方向南北方向

4、南北方向時間時間 （s s） S S0 0綠燈亮綠燈亮紅燈亮紅燈亮Te S S1 1黃燈亮黃燈亮紅燈亮紅燈亮Ty S S2 2紅燈亮紅燈亮綠燈亮綠燈亮Ts S S3 3紅燈亮紅燈亮黃燈亮黃燈亮Ty 第7頁/共37頁 狀態(tài)狀態(tài)東西方向東西方向南北方向南北方向時間時間 （s s） S S0 0綠燈亮綠燈亮紅燈亮紅燈亮Te S S1 1黃燈亮黃燈亮紅燈亮紅燈亮Ty S S2 2紅燈亮紅燈亮綠燈亮綠燈亮Ts S S3 3紅燈亮紅燈亮黃燈亮黃燈亮Ty 、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 第8頁/共37頁 2、設(shè)計的系統(tǒng)模塊框圖分為兩部分 ： 第一部分：組合邏輯電路部分 解決三個問題： （1）不同狀態(tài)下交通燈的控制； （2）交

5、通燈燈亮?xí)r間的預(yù)置； （3）交通燈燈亮?xí)r間的顯示。 狀態(tài) 輸入 狀態(tài)譯碼、 輸出電路 交通燈單元 （6對） 燈亮?xí)r間 預(yù)置電路 計時顯示電路 （兩位） 第9頁/共37頁 第二部分：時序邏輯電路部分 解決兩個問題： （1）交通燈燈亮?xí)r間的倒計時； （2）交通燈不同狀態(tài)的產(chǎn)生及其轉(zhuǎn)換； 狀態(tài)產(chǎn)生及 其轉(zhuǎn)換電路 時間倒計時 電路 時間 顯示 狀態(tài) 輸出 時間預(yù) 置電路 第10頁/共37頁 “交通燈控制與顯示電路”綜合設(shè)計實驗（2） 組合邏輯電路設(shè)計 第11頁/共37頁 一、任務(wù)與要求 由數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器和集成門等集成電路器件設(shè)計“交 通燈控制與顯示電路”中的組合邏輯電路部分，具體要 求如下： （1

6、）將狀態(tài)信號譯碼為東西、南北方向6對交通燈的控制 信號，實現(xiàn)正常時序控制功能； （2）特殊狀態(tài)期間，東西、南北兩個方向的紅燈同時發(fā)亮， 實現(xiàn)特殊狀態(tài)控制功能； （3）將東西方向、南北方向的燈亮?xí)r間分別用數(shù)碼管顯示； （4）根據(jù)不同的狀態(tài)信號分別預(yù)置相應(yīng)的燈亮?xí)r間數(shù)據(jù) Te、Ty、Ts和Ty，其范圍為0099s，2位BCD碼形式； （5）寫出設(shè)計步驟，畫出設(shè)計的邏輯電路圖； （6）對設(shè)計的電路進行仿真、修改，使仿真結(jié)果達到設(shè)計 要求； （7）安裝并測試電路的邏輯功能。 第12頁/共37頁 二、設(shè)計思路： 主要解決三個問題： （1）不同狀態(tài)下交通燈的控制； （2）交通燈燈亮?xí)r間的預(yù)置； （3）交通

7、燈燈亮?xí)r間的顯示。 狀態(tài) 輸入 狀態(tài)譯碼、 輸出電路 交通燈單元 （6對） 燈亮?xí)r間 預(yù)置電路 計時顯示電路 （兩位） 第13頁/共37頁 （1）狀態(tài)譯碼電路、輸出電路及其交通燈單元的設(shè)計思路 該電路的主要功能是依據(jù)不同的狀態(tài)信號實現(xiàn)對交通燈的控 制。其設(shè)計框圖如圖所示。 “狀態(tài)譯碼電路”采用二進制譯碼器74LS138實現(xiàn)； “輸出電路”采用集成邏輯門實現(xiàn)； “交通燈單元”采用普通的紅色、綠色和黃色發(fā)光二極管； “接口電路”起信號驅(qū)動作用，視實驗情況的不同選用。 第14頁/共37頁 設(shè)燈亮為“1”，燈滅為“0”，交通燈的4種狀態(tài)S0S3分別編 碼為00、01、10、11， 特殊狀態(tài)用S表示，進

8、入特殊狀態(tài)為“1”， 這時兩個方向的 紅燈同時點亮，正常狀態(tài)為“0”。則可列出真值表（學(xué)生做）。 特特 殊殊 狀狀 態(tài)態(tài) 正常狀正常狀 態(tài)態(tài) （4 4種）種） 狀態(tài)指示信號狀態(tài)指示信號 （4 4種）種） 東西方向交東西方向交 通燈通燈 （3 3種）種） 南北方向交南北方向交 通燈通燈 （3 3種）種） S SA A1 1A A0 0SQSQ0 0SQSQ1 1SQSQ2 2SQSQ3 3EGEGEREREYEYSGSGSRSRSYSY 1 1x xx x1 11 11 11 10 01 10 00 01 10 0 0 00 00 00 01 11 11 11 10 00 00 01 10 0

9、0 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 10 0 0 01 10 01 11 10 01 10 01 10 01 10 00 0 0 01 11 11 11 11 10 00 01 10 00 00 01 1 第15頁/共37頁 （2）時間預(yù)置電路的設(shè)計思路 該電路的主要功能是依據(jù)不同的狀態(tài)信號輸入相 應(yīng)的時間預(yù)置數(shù)據(jù)，從而確定交通燈的燈亮?xí)r間。 狀態(tài)狀態(tài)A A1 1A A0 0運行時間運行時間十位預(yù)置數(shù)據(jù)十位預(yù)置數(shù)據(jù) BCDBCD碼碼 個位預(yù)置數(shù)據(jù)個位預(yù)置數(shù)據(jù) BCDBCD碼碼 0000Te （20s） 0010001000000000 0101Ty（5s）00

10、00000001010101 1010Ts（10s）0001000100000000 1111Ty（5s）0000000001010101 第16頁/共37頁 時間預(yù)置電路的設(shè)計框圖 第17頁/共37頁 （3）計時顯示電路的設(shè)計思路 將倒計時電路產(chǎn)生的輸出經(jīng)顯示譯碼器CD4511和數(shù) 碼管進行顯示。 三、原理圖繪制與電路仿真 用proteus軟件繪制出該電路的原理圖，對所設(shè)計的 電路進行仿真實驗。 在仿真過程中，分別改變狀態(tài)信號及特殊狀態(tài)信號， 驗證電路的邏輯功能是否達到設(shè)計要求。 第18頁/共37頁 四、電路安裝與調(diào)試 1. 電路布局 在多孔電路實驗板上裝配電路時，首先應(yīng)熟悉其結(jié)構(gòu)。 明確哪

11、些孔眼是連通的，并安排好電源正、負引出線在實 驗板上的位置。 電路布局時應(yīng)安排好各個集成塊的位置，以方便連線為原 則。電路與外接儀器的連接端、測試端要布置合理，便于 操作。狀態(tài)信號、預(yù)置數(shù)據(jù)的輸入端點應(yīng)方便改變其電平。 2安裝與調(diào)試方法 電路安裝前，要先檢測所用集成電路及其它元器件的好 壞。安裝完成后，要用萬用表檢測電路接觸是否可靠、電 源電壓大小、極性是否正確。一切正常后才能通電調(diào)試。 實驗調(diào)試時，注意發(fā)光二極管不能過亮。如果過亮，可 串接一個100歐左右的限流電阻。 調(diào)試過程中，最好分塊進行，如首先調(diào)試“狀態(tài)譯碼電 路”、 然后調(diào)試“輸出電路及其交通燈單元”，最后調(diào) 試“時間預(yù)置電路”。

12、第19頁/共37頁 五、設(shè)計、仿真及實驗問題研究 六、設(shè)計與測試報告要求 見實驗電子文檔。 第20頁/共37頁 “交通燈控制與顯示電路”綜合設(shè)計實驗（3） 時序邏輯電路設(shè)計 第21頁/共37頁 一、任務(wù)與要求 由集成觸發(fā)器、集成計數(shù)器等集成器件設(shè)計“交通燈控制 電路”中的時序邏輯電路部分，并在實驗（2）的基礎(chǔ)上 完成整個控制電路的調(diào)試。具體要求如下： （1）交通燈的不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換時分別產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)信號； （2）對交通燈不同狀態(tài)的燈亮?xí)r間Te、Ty、Ts分別進行減法 計數(shù)，實現(xiàn)倒計時功能； （3） 特殊狀態(tài)期間，計時停止；特殊狀態(tài)結(jié)束后，恢復(fù)正常 計時； （4）寫出設(shè)計步驟，畫出設(shè)計的邏輯電路圖

13、； （5）對設(shè)計的電路進行仿真、修改，使仿真結(jié)果達到設(shè)計要 求； （6）安裝并測試電路的邏輯功能； （7）將實驗（2）、實驗(3)電路連接起來，完成整個控制電 路的調(diào)試。 第22頁/共37頁 二、設(shè)計思路 （1）時間倒計時電路的設(shè)計思路 該電路在秒信號作用下，分別以不同狀態(tài)的燈亮?xí)r間Te、 Ty、Ts和Ty作為開始計時的初始值進行減法計數(shù)循環(huán)。 每當計時到00時，向“狀態(tài)產(chǎn)生電路”發(fā)出計時結(jié)束信號。 改變這些初始值即可實現(xiàn)信號燈點亮?xí)r間修改的功能。 采用2片具有置數(shù)功能的集成十進制加/減可逆計數(shù)器 74LS192組成時間倒計時電路。 第23頁/共37頁 第24頁/共37頁 時間倒計時電路的設(shè)計

14、框圖 第25頁/共37頁 （3）狀態(tài)產(chǎn)生電路的設(shè)計思路 該電路的主要功能是根據(jù)實際交通燈的轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生相 應(yīng)的狀態(tài)信號供其它電路使用。 根據(jù)設(shè)計思路，交通燈共有4個不同狀態(tài)：00、01、10和11。 只有當?shù)褂嫊r時間結(jié)束時交通燈的狀態(tài)才發(fā)生變化，故可將 “時間倒計時電路”產(chǎn)生的計時結(jié)束信號作為狀態(tài)變化的控制 信號。 為此，將該信號作為一個同步2位二進制加計數(shù)器的時鐘脈 沖即可，計數(shù)器采用JK觸發(fā)器或D觸發(fā)器實現(xiàn)。 第26頁/共37頁 三、原理圖繪制與電路仿真 用proteus軟件繪制出該電路的原理圖，對所設(shè)計的電路進 行仿真實驗。 在仿真過程中，分別手工改變每個狀態(tài)的時間預(yù)置數(shù)據(jù)， 觀察電路

15、的仿真運行結(jié)果； 將實驗（2）、實驗(3)電路連接起來，驗證電路的邏輯功 能是否達到設(shè)計要求。 第27頁/共37頁 四、電路安裝與調(diào)試 該電路與實驗（1）電路之間的接口應(yīng)方便連線，最好在 各自的連接線上做好標記。 電路安裝前，首先檢測所用集成電路及其它元器件的好壞。 安裝完成后，要用萬用表檢測電路接觸是否可靠、電源電 壓大小、極性是否正確。一切正常后才能通電調(diào)試。 實驗調(diào)試時，利用實驗室信號源產(chǎn)生秒脈沖信號。 分步調(diào)試： （1）手工設(shè)置某一時間預(yù)置數(shù)據(jù)，調(diào)試“時間倒計時電路”； （2）調(diào)試“狀態(tài)產(chǎn)生電路”； （3）將實驗（2）、實驗（3）電路連接起來，完成整個控制 電路的調(diào)試。 第28頁/共3

16、7頁 五、設(shè)計、仿真及實驗問題研究 六、設(shè)計與測試報告要求 見實驗電子文檔。 第29頁/共37頁 第30頁/共37頁 三、實驗元器件 該綜合實驗采取兩種不同的技術(shù)手段實現(xiàn)： 1常用中、小規(guī)模數(shù)字電路：集成邏輯門、 集成編碼器、集成譯碼器、集成數(shù)字選擇 器、集成計數(shù)器等。 2CPLD/FPGA可編程器件。 第31頁/共37頁 三、實驗元器件 該綜合實驗采取兩種不同的技術(shù)手段實現(xiàn)： 1常用中、小規(guī)模數(shù)字電路：集成邏輯門、 集成編碼器、集成譯碼器、集成數(shù)字選擇 器、集成計數(shù)器等。 2CPLD/FPGA可編程器件。 第32頁/共37頁 （3）計時顯示電路的設(shè)計思路 將倒計時電路產(chǎn)生的輸出經(jīng)顯示譯碼器CD4511和數(shù) 碼管進行顯示。 三、原理圖繪制與電路仿真 用proteus軟件繪制出該電路的原理圖，對所設(shè)計的 電路進行仿真實驗。 在仿真過程中，分別改變狀態(tài)信號及特殊狀態(tài)信號， 驗證電路的邏輯功能是否達到