廣東工業(yè)大學電子技術(shù)綜合設(shè)計與實踐課程設(shè)計交通燈控制器

1、課程設(shè)計課程名稱電子技術(shù)綜合設(shè)計與實踐（1）題目名稱交通燈控制器學生學院自動化學院專業(yè)班級13級自動化卓越1班學 號 3113000981黃景運學生姓名 指導教師2015年11月9日廣東工業(yè)大學課程設(shè)計任務(wù)書題目名稱學生學院交通燈控制器的設(shè)計專業(yè)班級13級自動化卓越(1)班自動化學院黃景運3113000981一、課程設(shè)計的內(nèi)容設(shè)計一個十字路口的紅、綠、黃三色信號交通燈控制電路。二、課程設(shè)計的要求與數(shù)據(jù)1.用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號燈。主干道為東西向，有紅、綠、黃三個燈；支 干道為南北向，也有紅、綠、黃三個燈。紅燈亮禁止通行；綠燈亮允許通行；黃燈亮則要求 壓線車輛快速穿過道口。2. 由于主

2、干道車輛較多而支干道車輛較少，所以主干道綠燈時間較長。當主干道允許通 行亮綠燈時，支干道亮紅燈。而支干道允許通行亮綠燈時，主干道亮紅燈，兩者交替重復(fù)。主干道每次放行50秒，支干道每次放行 30秒。在每次由亮綠燈變成亮紅燈的轉(zhuǎn)換過程中間，需要亮5秒的黃燈作為過渡，以使行駛中的車輛有時間?？康浇芯€以外。3. 采用倒計時方法，各用兩個七段數(shù)碼管分別顯示東西、南北方向的紅燈、綠燈、黃燈時間。4. 能實現(xiàn)總體清零功能。按下清零鍵后，系統(tǒng)實現(xiàn)總清零，計數(shù)器由初始狀態(tài)開始計數(shù), 對應(yīng)狀態(tài)的指示燈亮。5. 能實現(xiàn)特殊狀態(tài)的功能顯示。設(shè)S為特殊狀態(tài)的傳感器信號，當S=1時，進入特殊狀態(tài)；當S=0時，退出特殊狀

3、態(tài)。按下 S后，能實現(xiàn)如下特殊狀態(tài)功能:(1) .顯示器閃爍。(2) .計數(shù)器停止計數(shù)并保持原來的數(shù)據(jù)。(3) .東西、南北路口均顯示紅燈狀態(tài)。(4) .特殊狀態(tài)結(jié)束后，能繼續(xù)對時間進行計數(shù)。6).利用QUARTUS n軟件，設(shè)計符合以上功能要求的交通燈控制器。用圖形輸入方法。6控制器、計數(shù)器的功能用功能仿真的方法驗證， 可通過觀察有關(guān)波形確認電路設(shè)計是否正確。 通過編譯，仿真和綜合，并下載到相應(yīng)芯片中實現(xiàn)，最后在學習機上驗證設(shè)計課題的正確性。 在學習機上驗證結(jié)果。三、課程設(shè)計應(yīng)完成的工作1、設(shè)計電路2、模擬仿真3、下載4、項目結(jié)果驗證5、項目報告四、課程設(shè)計進程安排序號1設(shè)計各階段內(nèi)容地點起

4、止日期1Quartus II入門學習，熟悉設(shè)計流程；講解 各設(shè)計任務(wù)及其要求，分配設(shè)計任務(wù)實 2-212，214第8周周12通過查閱資料，獨立完成電路設(shè)計，提交 紙質(zhì)電路原理圖草稿實 2-212，214第8周周2-周33在Quartus II和DE2板上實現(xiàn)設(shè)計實 2-212，214第8周周4-周54演示和驗收實 2-212，214第8周周55元成設(shè)計報告五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻1、 尹明，電子技術(shù)綜合設(shè)計與實踐，.西安電子科技大學出版社，西安，20112、謝云等，現(xiàn)代電子技術(shù)實踐課程指導，機械工業(yè)出版社，北京， 20063、張志剛，F(xiàn)PGA與SOPC設(shè)計教程一DE2實踐，西安電子科技大

5、學出版社， 西安，20074、閻石等，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，發(fā)出任務(wù)書日期：高等教育出版社，北京, 月2006指導教師簽名：計劃完成日期:基層教學單位責任人簽章:6主管院長簽章:本次的任務(wù)是利用QURATU軟件設(shè)計一個十字路口的紅、綠、黃三色信號交通燈控電路，通過時序功能仿真后，下載到 DE-II 實驗板上驗證結(jié)果。交通信號燈控制器主要由秒脈沖發(fā)生器、定時器、控制器、譯碼顯示電路及信號燈組成。秒脈沖發(fā)生器由74LS292分頻器實現(xiàn)1Hz分頻。定時器采用同步十進制減法計數(shù)器74LS190實現(xiàn)50S、30S、5S倒計時計數(shù)。控制器由JK觸發(fā)器組成，實現(xiàn)四種狀態(tài)循環(huán)。譯碼顯示電路通過七段顯示譯碼器744

6、7及七段顯示數(shù)碼管連接而實現(xiàn)?？刂破魍ㄟ^定時器產(chǎn)生的信號來轉(zhuǎn)變狀態(tài)，實現(xiàn)對數(shù)字顯示 與紅綠黃燈的轉(zhuǎn)換的控制。關(guān)鍵詞： 分頻器、定時器、控制器、譯碼顯示9設(shè)計任務(wù)目的與要求1.1 設(shè)計任務(wù)1.2 設(shè)計要求模塊及其原理介紹2.1 分頻器模塊2.2 主控制器模塊2.3 計數(shù)器模塊2.4 數(shù)碼管顯示模塊2.5 交通燈顯示模塊2.6 復(fù)位功能模塊2.7 特殊功能模塊設(shè)計方案3.1 設(shè)計框圖3.2 總體方案設(shè)計3.3 系統(tǒng)總體電路實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析4.1 實驗結(jié)果結(jié)論與問題討論5.1 問題5.2 解決方法5.3 完成設(shè)計要求程度5.4 總結(jié)參考文獻錯誤 !未定義書簽。錯誤 !未定義書簽。1010錯 誤 !

7、 未定義書簽。錯 誤 ! 未定義書簽。錯 誤 ! 未定義書簽。1051 設(shè)計任務(wù)目的與要求1 1 設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個十字路口的紅、綠、黃三色信號交通燈控制電路。12 設(shè)計要求：1). 用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號燈。主干道為東西向，有紅、綠、黃三個燈；支干道為南北向，也有紅、綠、黃三個燈。紅燈亮禁止通行；綠燈亮允許通行；黃燈亮 則給行駛中的車輛有時間停靠到禁行線之外。2). 由于主干道車輛較多而支干道車輛較少，所以主干道綠燈時間較長。當主干道允許 通行亮綠燈時，支干道亮紅燈。而支干道允許通行亮綠燈時，主干道亮紅燈，兩者交替重復(fù)。主干道每次放行 50秒，支干道每次放行 30秒。在每次由亮綠燈

8、變成亮紅燈的轉(zhuǎn)換過程中間，需要亮 5秒的黃燈作為過渡，以使行駛中 的車輛有時間停靠到禁行線以外。3). 能實現(xiàn)正常的、即時顯示功能。用 DE2上的四個七段數(shù)碼管作為倒計時顯示器。分別顯示東西、南北方向的紅燈、綠燈、黃燈時間。4).能實現(xiàn)特殊狀態(tài)的功能顯示。設(shè)S為特殊狀態(tài)的傳感器信號，當S =1時，進入特殊狀態(tài)。當S =0時，退出特殊狀態(tài)。按S后，能實現(xiàn)特殊狀態(tài)功能:1 )顯示器閃爍；3)東西、南北路口均顯示紅燈狀(2)計數(shù)器停止計數(shù)并保持在原來的數(shù)據(jù)；態(tài)； (4)特殊狀態(tài)結(jié)束后，能繼續(xù)對時間進行計數(shù)。5).能實現(xiàn)總體清零功能。按下 R后，系統(tǒng)實現(xiàn)總清零，計數(shù)器由初始狀態(tài)開始計數(shù), 對應(yīng)狀態(tài)的指

9、示燈亮。6).利用QUARTUB軟件，設(shè)計符合以上功能要求的交通燈控制器。用圖形輸入方法?？刂破鳌⒂嫈?shù)器的功能用功能仿真的方法驗證，可通過觀察有關(guān)波形確認電路設(shè)計是否正確。通過編譯，仿真和綜合，并下載到相應(yīng)芯片中實現(xiàn)，最后在學習機上驗證設(shè)計課題的正 確性。在學習機上驗證結(jié)果。2模塊及其原理介紹2.1分頻器模塊本次課設(shè)所使用的DE-II板提供頻率為50MHz的信號輸入，而我們設(shè)計所需要的頻率為1Hz,因此我們要對其進行分頻處理。我們采用 74LS292分頻器，通過對E.D.C.B.A五個引腳分別輸入高.高.低.低.高電平，實現(xiàn)約為1Hz分頻，作為定時器的輸入信號。baITPIiraIP3742S

10、2 A B C 0 E CLRNI CLKI CLIQ:網(wǎng)卻FFL£Q DIVI- I - F I -F2.2主控制器模塊根據(jù)課程設(shè)計任務(wù)，共有4種狀態(tài)，可以用二位二進制碼（Q1 Q0表示，實現(xiàn)主黃支紅（SO）、主紅支綠（S1）、主綠支黃（S2）、主綠支紅（S3）四個狀態(tài)循環(huán),則有如下圖所示交通 燈控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。根據(jù)這個狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可得出狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表，從而得到主控制器的電 路。設(shè)A為倒計時計數(shù)輸出信號，當計數(shù)完成時輸出 1,計數(shù)未完成時輸出0。主控制器是由兩個JK觸發(fā)器連接而成，當計數(shù)完成時，觸發(fā)器便會從一個狀態(tài)跳到下一個狀態(tài)，從而 實現(xiàn)了狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。J主黃支紅丿（Ji） J主紅

11、支黃丿主控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖00011011000011011101101100主控制器狀犬態(tài)轉(zhuǎn)換真值表00011011 、0001101100111001011011011010根據(jù)真值表可以得到Q1*、Q0*的真值表則Q1 Q0的狀態(tài)方程分別為：則Q1Q0的狀態(tài)方程分別為:QO*=AQ1 Q0 +A' Q1 Q0+AQ1Q0+A'Q1Q0 =A' Q0+AQ0Q1*=A QUAQf Q0+AQ1Q0=(A ' +Q0)Q1+AQ0Q'1又因為采用JK觸發(fā)器，則其驅(qū)動方程為Q*=J' Q+KQ ,則J0=A =K0J1=A +Q0 =K1因此我們可

12、以將J、K端接在一起，接成T觸發(fā)器，則T0=AT1=A +Q0主控制器模塊電路如下所示:,4JrFBtKI4卜Il'"*! 2 l亍ll -(.I，.*!II-:i他匕府'ipmiJIKICLFtH101CLK1QNZPRNZQ2M2C1M2KZCLRh2CLKK3A* QCj * o4JK FLIP-FLOPS I:卜T”卜,-*卜p" "r 't '"I J "1 、Z - H d I . H BHBBBH .H - H Ji 74112 i 40-1-.出屮2.3計數(shù)器模塊設(shè)計要求對不同的狀態(tài)維持的時間不同

13、，而且要以十進制倒計時顯示出來。主支干道分 別采用兩個74LS168完成計時器狀態(tài)產(chǎn)生模塊設(shè)計。 設(shè)計思路：要以十進制輸出，而又有一些 狀態(tài)維持時間超過10秒，則必須用兩個74LS168分別產(chǎn)生個位和十位的數(shù)字信號。 我們可以 通過將74LS168的時鐘CLK端接秒脈沖從而實現(xiàn)計時功能。同時 74LS168計數(shù)器是十進制減法同步計數(shù)器，而且其具有同步置數(shù)（上升沿）的功能，因此我們可以采用置數(shù)法，根據(jù)主控制器狀態(tài)給計數(shù)器置入對應(yīng)的倒計時間。S0狀態(tài)時，主干道黃燈亮置入 05S,支干道紅燈亮置入05S; S1狀態(tài)時，主干道紅燈亮置入35S,支干道綠燈亮置入30S; S2狀態(tài)時，主干道紅燈亮置入05

14、S,支干道黃燈亮置入05S;S3狀態(tài)時，主干道綠燈亮置入 50S,支干道紅燈亮置入55S。設(shè)D31、D21、D11、D01為主干道十位置數(shù)端，D30 D20 D10 D00為主干道個位置數(shù)端；設(shè)d31、d21、d11、d01為支干道十位置數(shù)端，d30、d20、d10、d00為支干道個位置 數(shù)端，因此可得主支干道置數(shù)真值表:Q1Q0D31D21D11D01D30D20D10D000000000101010011010110000001011101010000主干:道置數(shù)（真值表Q1Q0d31d21d11d01d30d20d10d0000000001010100110000100000010111

15、01010101支干道置數(shù)真值表則得到主干道真值表達式為:D31=0D21=Q1Q0D11=Q1 Q0D01=Q1 Q0+Q1Q0=Q0D30=D10=0D20=D00=Q1 +Q1Q0 =Qf+Q0支干道真值表達式為:d31=0d21=Q1Q0d11=Q1 Q0d01=Q0d30=d10=0d20=d00=Q1+Q'1 Q0 =Q1+Q0則置數(shù)模塊電路如下所示:；-1'-主¥道+位-!74156j w -ko - -: =HO -I rDODl02OO0301U/DNQ2EWTM03ENPMTCNLDhCLKirhst陶：至畫數(shù)AZE 廠 ':血i'

16、"i 蘇'i I L'-I - I - - Q.'O'rOj- !'' 'Tn 4IL I I斗=-74163imstJl.”.”i.OJ.雖Mi；:；:，褲十 J-CH-網(wǎng)經(jīng)；«oa JI P I P I -1 K -I'|- !'<.皿.X.IE'八；“I _ q p q ，盧,-J" -b"、. p741G&DO 01 垃D3LKHJ fihfTM EhPNJCMCLKQO010203TCNTPJT> TEST3I c = ii - .I. t 卷

17、i 扌" “；嚴 TP JTIs TESTTz主干道置數(shù)電路A7447DOD1D2QOD3Q1U/DNQ2ENTTKQ3ENPNTCNLDNCLKitlCOUNlEH!(!T“- |o”F-Wfl'".-"丨" 屮II-H_*L J _F" >-CH:專詮卜柚is<H A i2 ：.*+ mi0cr-1L20口Q1LVCH02FNTTK8EhPNrchLDHCLK.;-L - Hi;支干道置數(shù)電路當74LS168的U/DN端為低電平時，進行減法運算。又因為日常生活中交通燈倒計時顯示不會出現(xiàn)“ 00”，因此我們在主干道計數(shù)器或

18、支干道計數(shù)器減到01的時候均輸出低電平的置數(shù)脈沖，從而進行下一狀態(tài)的倒計時顯示。倒計時模塊電路如下:6-；1H H H H HH H 74ies DOOilD?即U/Dh:roM ；MPH二 LK:;主辛道汀立；c4 <GOQ'llQ2Q3TCN-t:f - -«-”-卜V Lin -b I | I»|>1D?00ID11JOH02EMINC3EL PHTCNUJNCLKM1聞A,-1._Y 電, UH茹DEFpih qiln<-i- F"rrr yrr pri- <-RBOUOGBNOFRElhlOELTH0DCCDDOAAU：&

19、gt;7447! ! !-I'! -I- ! !BUJ ! Fa：G g":密：D C u LIU H&rj as了4軒5aosoc00fXI OFG2日OHH H H H H 74160主干道計數(shù)模塊DODI020D3Q1U/DM2EhfTMQ3EhiPhiTCNLDWCLKA支不道+位 i 碼rtgCOU 阿 R2.4數(shù)碼管顯示模塊qJ I - - i 74168I支千道"DODID20D3Q1U/DM02EhfTlMQ3EhlPhJTCNLDNCLK ksl44 COUfTER y i-.帛！ 1 = l'' |!-S-nTaTiTZZ

20、ZHIZZZHGiAVA'»ww/i-i/Avmri/?AWTVAVi"»VA-.vrtf.v.vrt-iwjwiiiVAV/»w.wrtv.w.vv.w.vir> ZZ2H7AOAQOBCOCODLTHOERBINOFBINOG RBON = ZZ2H2、Z2ZH1 ；如曲g zzzhTii!Et2|CDTO,7S_ :還支干道計數(shù)模塊我們采用7447譯碼器加共陰七段數(shù)碼管實現(xiàn)時間顯示功能，其電路如下所示:8ID30'1ID2QJ1旳QlU.DHQ2tIJTN03已円TCML0HCJt.1;,一AQAta»匚Qt；n.n

21、riibJ*f HU U' OFRiRhfirEN(J<5RBDN7447L b h：GuoTOTsaa j - I P- |h. -RI iQlwi ° ippia-iii IJ -hl lb-/,i '眇歸”巴；'沁-gL _ . L 亠一"J - 一一 '一,亠-'v_*!f<wTVTr zir-NL _ .llr-rL-r-lLr-r-亠-一-"I i .-_-亠:fOuTFTTF _、22帝詁JTVTr 卒耳-F '4' -B-h'-a' 'H- - ! '

22、; r -Hh- 'H-b- -p- -i - Ht DMDID2QC旳Q11C2ETnTj1fNFIrcNLOHLLR-!gu+LUUMItR _ I .Yf . - X . !-；r" 7石廠i,A3PETCDCDCDLTNDtPEhDFHIMOGWON ；_ij9COirC?SEU j132.5交通燈顯示模塊交通燈顯示是表示電路所處的狀態(tài)，受主控制器控制，即主控制器的狀態(tài)決定主干道支G Y、R分別表示主干道的綠、黃、紅燈；干道的交通燈顯示。設(shè)的綠、黃、紅燈，值為1時表示該燈亮，值為0時表示燈滅。設(shè)g、y、r分別表示支干道S為緊急開關(guān)，當S為1時，表示按下緊急按鈕,僅主干

23、道和支干道的紅燈亮，其余燈不亮;S=0時，電路維持正常,S0時主黃支紅；S1時主紅支綠；S2時主紅支黃；S3時主綠支紅。因此可得到交通燈的真值表:SQ1Q0GYRgyr1XX001001000010001001001100010001010011100001則真值表達式為:G=QQ0SY=Q' Q0 S'R=Q1 Q0+Q1Q0 +Sg=Qf Q0Sy=Q1Q0 S'r=Q1Q0+Q1 Q0 +S則交通燈顯示模塊電路如下所示:2.6復(fù)位功能模塊當按下復(fù)位按鈕，系統(tǒng)要實現(xiàn)總清零，計數(shù)器由初始狀態(tài)開始計數(shù)，而我們所使用的JK觸發(fā)器具有同步清零功能，則我們可以在按下按鈕時輸入

24、清零信號（低電平有效），讓主控制器進入初始狀態(tài)，同時輸入到計數(shù)器的置數(shù)端置入初始狀態(tài)的倒計時間。二二工二二二工二二二工：工工：工二一勢潮鰻二：工：二：二二：m-謹律-入-制-總，A -1卩RM-1_-H I 州ICLRhIQ1CLKlaw2PH.H2Q2J2QW2K1J復(fù)位功能電路ENPM TCNpi耳-0-Ims.CPU.應(yīng)&BLD«CLKENPNLDNCLKI - ；instl5COUN和Ljij iFu I:b-Bfc*-TCTLmiy.IJlTTFljTr-0 RBOMUw'Wj 1 -iw.w.-iwjw/i-.-ava-iwjlw»w.-L ._

25、:OGBnOFRBINOELTN00OCCOQBOAA7447， I I F I I I 1 l"l匚騒瀉：一 ：? WB H H對閃輸入I；:罔無兒.”.：:主計敎器祈輸忑：I:工g''=心“！1 '復(fù)位輸入二:畫敎信呈輸出總體置數(shù)信號輸入電路2.7特殊功能模塊設(shè)按下特殊功能鍵輸入高電平，貝U取反后與秒脈沖相或，當秒脈沖為低時，輸出低電平，并接到7447的BIN端（7447的BIN端為滅燈控制端，低電平有效），此時數(shù)碼管滅,當秒脈沖回到高電平時，輸出高電平，數(shù)碼管亮，從而實現(xiàn)數(shù)碼管顯示閃爍。|CLK鹼tg.CPyrJTR!DV.孔D TO殆EG et塑疝7I

26、 1KB IUU I KU IX7E3TPUTUUJt-TJ I"， RBOH0<5BnUFKUN0ELTTJ0DD0Cc00S0AAr-C>7447入JEP ET我們把按下特殊按鈕的高電平輸入分別輸入到主干道、支干道的個位計數(shù)器的端（EP、ET為計數(shù)使能端，低電平有效），則主支的個位計數(shù)器停止計數(shù)，十位計數(shù)器也 會停止計數(shù)，實現(xiàn)數(shù)碼管的數(shù)值保持不變”伽1j- - 74i68-；二二主干道個位3 聞了-> TEST：L_XL,j-ir-J"-"-y TEST5.二 TEST4=i-0 i . . < - - - - - 丄-言嚴 HHhhH

27、W 'j， iihstJ _-IDDDI02DiU/DHEIUTJ ElNPtJLDhl a_K0Q1Q2Q3TChliiinstlS COUNTER pvti世t產(chǎn)二一詫尿- *-jQ；-TP-T7447TESTT TEST?L .1J】_ 1 1 - &UTPlT1_ VJLVMJkUJiJiAaUUJUBiJk"rSUTPLT1OAOS3設(shè)計方案3.1設(shè)計框圖倒計時 顯示控制JL主干道J_U 1 |J 44 >計數(shù)器反饋G I Y主控制器控制反饋倒計時顯示A支干道 計數(shù)器特殊按鈕3.2總體方案設(shè)計1Hz ;通過減法狀態(tài)控制器主要記錄交通燈的工作狀態(tài)：主黃支

28、紅、主紅支綠、主綠支黃、主綠支紅；主狀態(tài)譯碼器通過與非門點亮相應(yīng)狀態(tài)的信號燈；秒信號發(fā)生器產(chǎn)生整個定時系統(tǒng)的時間脈沖，頻率為1輸出脈沖使狀態(tài)控制器完成狀計數(shù)器對秒脈沖減計數(shù)，達到每一種工作狀態(tài)持續(xù)時間。減法計數(shù)器減至 態(tài)轉(zhuǎn)換，同時主狀態(tài)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)下一個工作狀態(tài)決定下一次減計數(shù)的初始值。減法計數(shù)器的狀態(tài)由BCD譯碼器譯碼，數(shù)碼管顯示。11112.3系統(tǒng)總體電路1 _I- b' -7f 卜T! _ _I- r ” ,+二：_ 7" *-亠二=-. 11 .匸.fi1»=1?=k _h_一!_.LL/LT|:=J-IT-| .u. .-1：9 MWJI_ . I-=蹙7 一 HTn J II-T L I H- *-Hi”14實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析我們運用quartus軟件對所設(shè)計的電路進行時序仿真和功能仿真,仿真通過后下載到DE-II板，運行程14序，觀察并記錄結(jié)果:1.開始時，主干道黃燈亮，支干道紅燈亮，主支干道數(shù)碼管分別顯示“05” “05”字樣。然后主干道05秒倒計到01秒后跳變到紅燈， 進行35秒倒計時，數(shù)碼管顯示“35”，支干道05秒倒計到01秒30秒倒計時結(jié)束后跳變到黃燈,后跳變到綠燈，進行 30秒倒計時，數(shù)碼管顯示“ 30”；支干道進行5秒倒計時，數(shù)碼管顯示“ 05”經(jīng)行30秒倒計時，主干道仍為紅燈，進行5秒倒計時，數(shù)碼管顯示“05”主干道