交通燈控制電路綜合設(shè)計實驗課件

1、“交通燈控制與顯示電路交通燈控制與顯示電路” 綜合設(shè)計實驗綜合設(shè)計實驗長江大學電工電子實驗教學示范中心長江大學電工電子實驗教學示范中心一、實驗?zāi)康囊弧嶒災(zāi)康?掌握組合邏輯電路的設(shè)計方法；掌握組合邏輯電路的設(shè)計方法；2掌握時序邏輯電路的設(shè)計方法；掌握時序邏輯電路的設(shè)計方法；3初步具備數(shù)字系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力；初步具備數(shù)字系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力；4學會數(shù)字電路的軟件仿真；學會數(shù)字電路的軟件仿真；5掌握數(shù)字電路的安裝和調(diào)試方法。掌握數(shù)字電路的安裝和調(diào)試方法。二、實驗說明二、實驗說明該綜合實驗按分步實施方式進行。全部實驗分為四該綜合實驗按分步實施方式進行。全部實驗分為四部分：部分：第一，方案設(shè)計；第一，方

2、案設(shè)計；第二，組合邏輯電路的設(shè)計與實現(xiàn)；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)；第三，時序邏輯電路的設(shè)計與實現(xiàn)；第四，采用第四，采用CPLD/FPGA可編程器件實現(xiàn)整個實驗?？删幊唐骷崿F(xiàn)整個實驗。 該綜合設(shè)計實驗采用該綜合設(shè)計實驗采用理論設(shè)計理論設(shè)計、軟件仿真軟件仿真和和電電路安裝與調(diào)試路安裝與調(diào)試三步走，以提高學生的綜合設(shè)計與三步走，以提高學生的綜合設(shè)計與實踐動手能力。實踐動手能力。三、實驗元器件三、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)：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、常用中、小規(guī)模數(shù)字電路：集成邏輯門、集成編碼

3、器、集成譯碼器、集成數(shù)字選擇集成編碼器、集成譯碼器、集成數(shù)字選擇器、集成計數(shù)器等。器、集成計數(shù)器等。2CPLD/FPGA可編程器件?？删幊唐骷??！敖煌艨刂婆c顯示電路交通燈控制與顯示電路”綜合設(shè)計實驗（綜合設(shè)計實驗（1）方案設(shè)計方案設(shè)計（課外完成）（課外完成）一、問題描述一、問題描述 設(shè)計并實現(xiàn)一十字路口的紅、綠、黃三色交設(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、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，按圖黃、綠交通燈，按圖1所示情況變化，以保證車輛、所示情況變化，以保證車輛、行人通行安全。行人通行安全。圖圖1二、功能分析二、功能分析1基本

4、功能（見前面圖）基本功能（見前面圖）2擴展功能擴展功能（1）特殊狀態(tài)控制功能）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；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。特殊狀態(tài)結(jié)束后，恢復(fù)原來狀態(tài)繼續(xù)運行。（2）信號燈點亮時間預(yù)置功能

5、）信號燈點亮時間預(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亮時間?？刂齐娐吩谌魏螘r候可根據(jù)實際情況修改信號燈點亮時間。（3）各路口交通燈故障報警功能（選做）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。亮的情況不符合預(yù)定要求。三、設(shè)計任務(wù)與要求三、設(shè)計任務(wù)與要求 假設(shè)東西方向的綠燈點亮時間為假設(shè)東西方向的綠燈點亮時間為Te ，同時也是，同時也是南北方向的禁行時間；南北方向的綠燈點亮時間為南北方向的禁行時間；南北方向的綠燈點亮時間為Ts ，同時也是東西方向的禁行時間；此外，

6、東西、，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時間均為南北方向的黃燈點亮時間均為Ty 。1參考圖參考圖1，定義交通燈的狀態(tài)，確定狀態(tài)表；，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)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；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。按交通燈的功能要求，設(shè)計系統(tǒng)的電路模塊圖。四、設(shè)計思路：四、設(shè)計思路：1參考圖參考圖1，定義交通燈的狀態(tài)，確定狀態(tài)表；，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TeS S1 1黃燈亮黃燈

7、亮紅燈亮紅燈亮TyS S2 2紅燈亮紅燈亮綠燈亮綠燈亮TsS S3 3紅燈亮紅燈亮黃燈亮黃燈亮Ty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TeS S1 1黃燈亮黃燈亮紅燈亮紅燈亮TyS S2 2紅燈亮紅燈亮綠燈亮綠燈亮TsS S3 3紅燈亮紅燈亮黃燈亮黃燈亮Ty、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖2、設(shè)計的系統(tǒng)模塊框圖分為兩部分、設(shè)計的系統(tǒng)模塊框圖分為兩部分 ：第一部分第一部分：組合邏輯電路部分組合邏輯電路部分解決三個問題解決三個問題：（1）不同狀態(tài)下交通燈的控制；）不同狀態(tài)下交通燈的控制；（2）交通燈燈亮時間的預(yù)置；）交通燈燈亮時間的預(yù)置；（3）交通燈

8、燈亮時間的顯示。）交通燈燈亮時間的顯示。狀態(tài)狀態(tài)輸入輸入狀態(tài)譯碼、狀態(tài)譯碼、輸出電路輸出電路交通燈單元交通燈單元（6對）對）燈亮時間燈亮時間預(yù)置電路預(yù)置電路計時顯示電路計時顯示電路（兩位）（兩位）第二部分第二部分：時序邏輯電路部分時序邏輯電路部分解決兩個問題解決兩個問題：（1）交通燈燈亮時間的倒計時；）交通燈燈亮時間的倒計時；（2）交通燈不同狀態(tài)的產(chǎn)生及其轉(zhuǎn)換；）交通燈不同狀態(tài)的產(chǎn)生及其轉(zhuǎn)換；狀態(tài)產(chǎn)生及狀態(tài)產(chǎn)生及其轉(zhuǎn)換電路其轉(zhuǎn)換電路時間倒計時時間倒計時電路電路時間時間顯示顯示狀態(tài)狀態(tài)輸出輸出時間預(yù)時間預(yù)置電路置電路“交通燈控制與顯示電路交通燈控制與顯示電路”綜合設(shè)計實驗（綜合設(shè)計實驗（2）組合

9、邏輯電路設(shè)計組合邏輯電路設(shè)計一、任務(wù)與要求一、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“交交通燈控制與顯示電路通燈控制與顯示電路”中的中的組合邏輯電路部分組合邏輯電路部分，具體要，具體要求如下：求如下：（1）將狀態(tài)信號譯碼為東西、南北方向）將狀態(tài)信號譯碼為東西、南北方向6對交通燈的控制對交通燈的控制信號，實現(xiàn)正常時序控制功能；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)）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；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

10、時間分別用數(shù)碼管顯）將東西方向、南北方向的燈亮時間分別用數(shù)碼管顯示；示； （4）根據(jù)不同的狀態(tài)信號分別預(yù)置相應(yīng)的燈亮時間數(shù)據(jù)）根據(jù)不同的狀態(tài)信號分別預(yù)置相應(yīng)的燈亮時間數(shù)據(jù)Te、Ty、Ts和和Ty，其范圍為，其范圍為0099s，2位位BCD碼形式；碼形式；（5）寫出設(shè)計步驟，畫出設(shè)計的邏輯電路圖；）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)）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；計要求；（7）安裝并測試電路的邏輯功能。）安裝并測試電路的邏輯功能。 二、設(shè)計思路：二、設(shè)計思路：主要解決三個問題主要解決三個問題：（1）不同狀態(tài)下交通燈的控制；

11、）不同狀態(tài)下交通燈的控制；（2）交通燈燈亮時間的預(yù)置；）交通燈燈亮時間的預(yù)置；（3）交通燈燈亮時間的顯示。）交通燈燈亮時間的顯示。狀態(tài)狀態(tài)輸入輸入狀態(tài)譯碼、狀態(tài)譯碼、輸出電路輸出電路交通燈單元交通燈單元（6對）對）燈亮時間燈亮時間預(yù)置電路預(yù)置電路計時顯示電路計時顯示電路（兩位）（兩位）（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）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。制。其設(shè)計框圖如圖所示。 “狀態(tài)譯碼電路狀態(tài)譯碼電路”采用二進制譯碼器采用二進制譯碼

12、器74LS138實現(xiàn)；實現(xiàn)； “輸出電路輸出電路”采用采用集成邏輯門集成邏輯門實現(xiàn)；實現(xiàn)； “交通燈單元交通燈單元”采用普通的紅色、綠色和黃色采用普通的紅色、綠色和黃色發(fā)光二極管發(fā)光二極管； “接口電路接口電路”起信號驅(qū)動作用，視實驗情況的不同選用。起信號驅(qū)動作用，視實驗情況的不同選用。 設(shè)燈亮為設(shè)燈亮為“1”，燈滅為，燈滅為“0”，交通燈的，交通燈的4種狀態(tài)種狀態(tài)S0S3分別分別編碼為編碼為00、01、10、11， 特殊狀態(tài)用特殊狀態(tài)用S表示表示，進入特殊狀態(tài)為，進入特殊狀態(tài)為“1”， 這時兩個方向的這時兩個方向的紅燈同時點亮，正常狀態(tài)為紅燈同時點亮，正常狀態(tài)為“0”。則。則可列出真值表（學

13、生做）可列出真值表（學生做）。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 3EGEGEREREYEYSGSGSRSRSYSY1 1x xx x1 11 11 11 10 01 10 00 01 10 00 00 00 00 01 11 11 11 10 00 00 01 10 00 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 10 00 01 10 01 11

14、 10 01 10 01 10 01 10 00 00 01 11 11 11 11 10 00 01 10 00 00 01 1（2）時間預(yù)置電路的設(shè)計思路）時間預(yù)置電路的設(shè)計思路 該電路的主要功能是該電路的主要功能是依據(jù)不同的狀態(tài)信號輸入相依據(jù)不同的狀態(tài)信號輸入相應(yīng)的時間預(yù)置數(shù)據(jù)應(yīng)的時間預(yù)置數(shù)據(jù)，從而確定交通燈的燈亮時間。，從而確定交通燈的燈亮時間。 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） 00100010000000000101Ty（5s）000000000101010110

15、10Ts（10s）00010001000000001111Ty（5s）0000000001010101時間預(yù)置電路的設(shè)計框圖時間預(yù)置電路的設(shè)計框圖（3）計時顯示電路的設(shè)計思路）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)將倒計時電路產(chǎn)生的輸出經(jīng)顯示譯碼器顯示譯碼器CD4511和數(shù)和數(shù)碼管進行顯示。碼管進行顯示。三、原理圖繪制與電路仿真三、原理圖繪制與電路仿真 用用proteus軟件繪制出該電路的原理圖，對所設(shè)計的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。電路進行仿真實驗。 在仿真過程中，分別改變在仿真過程中，分別改變狀態(tài)信號及特殊狀態(tài)信號狀態(tài)信號及特殊狀態(tài)信號，驗證電路的邏輯功

16、能是否達到設(shè)計要求。驗證電路的邏輯功能是否達到設(shè)計要求。四、電路安裝與調(diào)試四、電路安裝與調(diào)試 1. 電路布局電路布局 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)。明確哪些孔眼是連通的，并安排好電源正、負引出線在實驗板上哪些孔眼是連通的，并安排好電源正、負引出線在實驗板上的位置。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。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

17、。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。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。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，可串接一個接一個100歐左右的限流電阻。歐左右的限流電阻。 調(diào)試過程中，最好調(diào)試過程中，最好分塊進行分塊進行，如首先調(diào)試，如

18、首先調(diào)試“狀態(tài)譯碼電狀態(tài)譯碼電路路”、 然后調(diào)試然后調(diào)試“輸出電路及其交通燈單元輸出電路及其交通燈單元”，最后調(diào)試，最后調(diào)試“時間預(yù)置電路時間預(yù)置電路”。五、設(shè)計、仿真及實驗問題研究五、設(shè)計、仿真及實驗問題研究六、設(shè)計與測試報告要求六、設(shè)計與測試報告要求 見實驗電子文檔。見實驗電子文檔。“交通燈控制與顯示電路交通燈控制與顯示電路”綜合設(shè)計實驗（綜合設(shè)計實驗（3）時序邏輯電路設(shè)計時序邏輯電路設(shè)計一、任務(wù)與要求一、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“交通燈控交通燈控制電路制電路”中的中的時序邏輯電路部分時序邏輯電路部分，并在實驗（，并在實驗（2

19、）的基礎(chǔ)）的基礎(chǔ)上完成整個控制電路的調(diào)試。具體要求如下：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；）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)的燈亮時間）對交通燈不同狀態(tài)的燈亮時間Te、Ty、Ts分別進行減法分別進行減法計數(shù)，實現(xiàn)倒計時功能；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；計時；（4）寫出設(shè)計步驟，畫出設(shè)計的邏輯電路圖；）寫出設(shè)計步驟，畫出設(shè)計的邏輯電路圖；（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）對設(shè)計的

20、電路進行仿真、修改，使仿真結(jié)果達到設(shè)計要求；求；（6）安裝并測試電路的邏輯功能；）安裝并測試電路的邏輯功能；（7）將實驗（）將實驗（2）、實驗）、實驗(3)電路連接起來，完成整個控制電電路連接起來，完成整個控制電路的調(diào)試。路的調(diào)試。二、設(shè)計思路二、設(shè)計思路（1）時間倒計時電路的設(shè)計思路）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)的燈亮時間該電路在秒信號作用下，分別以不同狀態(tài)的燈亮時間Te、Ty、Ts和和Ty作為開始計時的初始值進行減法計數(shù)循環(huán)。作為開始計時的初始值進行減法計數(shù)循環(huán)。 每當計時到每當計時到00時，向時，向“狀態(tài)產(chǎn)生電路狀態(tài)產(chǎn)生電路”發(fā)出計時結(jié)束信發(fā)出計時結(jié)束信

21、號。改變這些初始值即可實現(xiàn)信號燈點亮時間修改的功能。號。改變這些初始值即可實現(xiàn)信號燈點亮時間修改的功能。 采用采用2片片具有置數(shù)功能具有置數(shù)功能的集成十進制加的集成十進制加/減可逆計數(shù)器減可逆計數(shù)器74LS192組成時間倒計時電路。組成時間倒計時電路。時間倒計時電路的設(shè)計框圖時間倒計時電路的設(shè)計框圖減法計數(shù)器減法計數(shù)器（3）狀態(tài)產(chǎn)生電路的設(shè)計思路）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)信號應(yīng)的狀態(tài)信號供其它電路使用供其它電路使用。 根據(jù)設(shè)計思路，交通燈共有根據(jù)設(shè)計思路，交通燈共有4個不同狀態(tài)：個不同狀態(tài)：00、01、10和和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“時間倒計時電路時間倒計時電路”產(chǎn)生的產(chǎn)生的計時結(jié)束信號作為狀態(tài)變化的控制計時結(jié)束信號作為狀態(tài)變化的控制信號。信號。 為此，將該信號作為一個同步為此，將該信號作為一個同步2位二進制加計數(shù)器的時鐘脈位二進制加計數(shù)器的時鐘脈沖即可，計數(shù)器采用沖即可，計數(shù)器采用JK觸發(fā)器觸發(fā)器或或D觸發(fā)器觸發(fā)器實現(xiàn)。實現(xiàn)。三、原理圖繪制與