交通燈控制電路綜合設(shè)計(jì)

“交通燈控制與顯示電路”綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法；2．掌握時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法；3．初步具備數(shù)字系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力；4．學(xué)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。二、實(shí)驗(yàn)說明該綜合實(shí)驗(yàn)按分步實(shí)施方式進(jìn)行。全部實(shí)驗(yàn)分為四部分：第一，方案設(shè)計(jì)；第二，組合邏輯電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；第三，時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；第四，采用CPLD/FPGA可編程器件實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)。該綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用理論設(shè)計(jì)、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(jì)與實(shí)踐動手能力。三、實(shí)驗(yàn)元器件該綜合實(shí)驗(yàn)采取兩種不同的技術(shù)手段實(shí)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)據(jù)選擇器、集成計(jì)數(shù)器等。2．CPLD/FPGA可編程器件?！敖煌艨刂婆c顯示電路”綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（1）——方案設(shè)計(jì)（課外完成）一、問題描述設(shè)計(jì)并實(shí)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(gè)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1二、功能分析1．基本功能（見前面圖）2．?dāng)U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(shí)通行功能受一開關(guān)控制，無急車時(shí)，信號燈按正常時(shí)序控制。有急車來時(shí)，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(qiáng)制讓兩個(gè)方向的紅燈同時(shí)點(diǎn)亮，禁止其它車輛通行，同時(shí)計(jì)時(shí)停止；特殊狀態(tài)結(jié)束后，恢復(fù)原來狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。（2）信號燈點(diǎn)亮?xí)r間預(yù)置功能控制電路在任何時(shí)候可根據(jù)實(shí)際情況修改信號燈點(diǎn)亮?xí)r間。（3）各路口交通燈故障報(bào)警功能（選做）交通燈控制電路發(fā)出警報(bào)，說明各路口交通燈同時(shí)熄滅或點(diǎn)亮的情況不符合預(yù)定要求。三、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

假設(shè)東西方向的綠燈點(diǎn)亮?xí)r間為Te，同時(shí)也是南北方向的禁行時(shí)間；南北方向的綠燈點(diǎn)亮?xí)r間為Ts，同時(shí)也是東西方向的禁行時(shí)間；此外，東西、南北方向的黃燈點(diǎn)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(shí)際交通燈轉(zhuǎn)換過程，設(shè)計(jì)交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；3．按交通燈的功能要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電路模塊圖。四、設(shè)計(jì)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)東西方向南北方向時(shí)間（s）S0綠燈亮紅燈亮TeS1黃燈亮紅燈亮TyS2紅燈亮綠燈亮TsS3紅燈亮黃燈亮Ty狀態(tài)東西方向南北方向時(shí)間（s）S0綠燈亮紅燈亮TeS1黃燈亮紅燈亮TyS2紅燈亮綠燈亮TsS3紅燈亮黃燈亮Ty狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖2、、設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的系系統(tǒng)統(tǒng)模模塊塊框框圖圖分分為為兩兩部部分分：第一一部部分分：組合合邏邏輯輯電電路路部部分分解決決三三個(gè)個(gè)問問題題：（1））不不同同狀狀態(tài)態(tài)下下交交通通燈燈的的控控制制；；（2））交交通通燈燈燈燈亮亮?xí)r時(shí)間間的的預(yù)預(yù)置置；；（3））交交通通燈燈燈燈亮亮?xí)r時(shí)間間的的顯顯示示。。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(jì)時(shí)顯示電路（兩位）第二二部部分分：時(shí)序序邏邏輯輯電電路路部部分分解決決兩兩個(gè)個(gè)問問題題：（1））交交通通燈燈燈燈亮亮?xí)r時(shí)間間的的倒倒計(jì)計(jì)時(shí)時(shí)；；（2））交交通通燈燈不不同同狀狀態(tài)態(tài)的的產(chǎn)產(chǎn)生生及及其其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換；；狀態(tài)產(chǎn)生及其轉(zhuǎn)換電路時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路時(shí)間顯示狀態(tài)輸出時(shí)間預(yù)置電路“交交通通燈燈控控制制與與顯顯示示電電路路””綜綜合合設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)（（2））———組合合邏邏輯輯電電路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)一、、任任務(wù)務(wù)與與要要求求由數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)選選擇擇器器、、譯譯碼碼器器和和集集成成門門等等集集成成電電路路器器件件設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)““交交通通燈燈控控制制與與顯顯示示電電路路””中中的的組合合邏邏輯輯電電路路部部分分，具具體體要要求求如如下下：：（1））將將狀狀態(tài)態(tài)信信號號譯譯碼碼為為東東西西、、南南北北方方向向6對對交交通通燈燈的的控控制制信信號號，，實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)正正常常時(shí)時(shí)序序控控制制功功能能；；（2））特特殊殊狀狀態(tài)態(tài)期期間間，，東東西西、、南南北北兩兩個(gè)個(gè)方方向向的的紅紅燈燈同同時(shí)時(shí)發(fā)發(fā)亮亮，，實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)特特殊殊狀狀態(tài)態(tài)控控制制功功能能；；（3）將將東西方方向、南南北方向向的燈亮亮?xí)r間分分別用數(shù)數(shù)碼管顯顯示；（4）根根據(jù)不同同的狀態(tài)態(tài)信號分分別預(yù)置置相應(yīng)的的燈亮?xí)r時(shí)間數(shù)據(jù)據(jù)Te、、Ty、、Ts和和Ty，，其范圍圍為00～99s，2位BCD碼形形式；（5）寫寫出設(shè)計(jì)計(jì)步驟，，畫出設(shè)設(shè)計(jì)的邏邏輯電路路圖；（6）對對設(shè)計(jì)的的電路進(jìn)進(jìn)行仿真真、修改改，使仿仿真結(jié)果果達(dá)到設(shè)設(shè)計(jì)要求求；（7）安安裝并測測試電路路的邏輯輯功能。。二、設(shè)計(jì)計(jì)思路：：主要解決決三個(gè)問問題：（1）不不同狀態(tài)態(tài)下交通通燈的控控制；（2）交交通燈燈燈亮?xí)r間間的預(yù)置置；（3）交交通燈燈燈亮?xí)r間間的顯示示。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(jì)時(shí)顯示電路（兩位）（1）狀狀態(tài)譯碼碼電路、、輸出電電路及其其交通燈燈單元的的設(shè)計(jì)思思路該電路的的主要功功能是依依據(jù)不同同的狀態(tài)態(tài)信號實(shí)實(shí)現(xiàn)對交交通燈的的控制。。其設(shè)計(jì)計(jì)框圖如如圖所示示?！盃顟B(tài)譯譯碼電路路”采用用二進(jìn)制制譯碼器器74LS138實(shí)現(xiàn)；“輸出電電路”采采用集成邏輯輯門實(shí)現(xiàn)；“交通燈燈單元””采用普普通的紅紅色、綠綠色和黃黃色發(fā)光二極極管；“接口電電路”起起信號驅(qū)驅(qū)動作用用，視實(shí)實(shí)驗(yàn)情況況的不同同選用。。設(shè)燈亮為為“1””，燈滅滅為“0”，交交通燈的的4種狀狀態(tài)S0～S3分別編編碼為00、01、10、11，特殊狀態(tài)態(tài)用S表表示，進(jìn)入特特殊狀態(tài)態(tài)為“1”，這這時(shí)兩兩個(gè)方向向的紅燈燈同時(shí)點(diǎn)點(diǎn)亮，正正常狀態(tài)態(tài)為“0”。則則可列出真真值表（（學(xué)生做做）。特殊狀態(tài)正常狀態(tài)（4種）狀態(tài)指示信號（4種）東西方向交通燈（3種）南北方向交通燈（3種）SA1A0SQ0SQ1SQ2SQ3EGEREYSGSRSY1xx11110100100000111100010001101100101001011010101000111110010001（2）時(shí)時(shí)間預(yù)置置電路的的設(shè)計(jì)思思路該電路的的主要功功能是依據(jù)不同同的狀態(tài)態(tài)信號輸輸入相應(yīng)應(yīng)的時(shí)間間預(yù)置數(shù)數(shù)據(jù)，從而確確定交通通燈的燈燈亮?xí)r間間。狀態(tài)A1A0運(yùn)行時(shí)間十位預(yù)置數(shù)據(jù)BCD碼個(gè)位預(yù)置數(shù)據(jù)BCD碼00Te（20s）0010000001Ty（5s）0000010110Ts（10s）0001000011Ty（5s）00000101時(shí)間預(yù)置置電路的的設(shè)計(jì)框框圖（3）計(jì)計(jì)時(shí)顯示示電路的的設(shè)計(jì)思思路將倒計(jì)時(shí)時(shí)電路產(chǎn)產(chǎn)生的輸輸出經(jīng)顯示譯碼碼器CD4511和數(shù)碼管管進(jìn)行顯顯示。三、原理理圖繪制制與電路路仿真用proteus軟件件繪制出出該電路路的原理理圖，對對所設(shè)計(jì)計(jì)的電路路進(jìn)行仿仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)。在仿真過過程中，，分別改改變狀態(tài)信號號及特殊殊狀態(tài)信信號，驗(yàn)證電電路的邏邏輯功能能是否達(dá)達(dá)到設(shè)計(jì)計(jì)要求。。四、電路路安裝與與調(diào)試1.電電路布局局在多孔電電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)板上裝裝配電路路時(shí)，首首先應(yīng)熟熟悉其結(jié)結(jié)構(gòu)。明明確哪些些孔眼是是連通的的，并安安排好電電源正、、負(fù)引出出線在實(shí)實(shí)驗(yàn)板上上的位置置。電路布局局時(shí)應(yīng)安安排好各各個(gè)集成成塊的位位置，以以方便連連線為原原則。電電路與外外接儀器器的連接接端、測測試端要要布置合合理，便便于操作作。狀態(tài)態(tài)信號、、預(yù)置數(shù)數(shù)據(jù)的輸輸入端點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)方便便改變其其電平。。2．安裝裝與調(diào)試試方法電路安裝裝前，要要先檢測測所用集集成電路路及其它它元器件件的好壞壞。安裝裝完成后后，要用用萬用表表檢測電電路接觸觸是否可可靠、電電源電壓壓大小、、極性是是否正確確。一切切正常后后才能通通電調(diào)試試。實(shí)驗(yàn)調(diào)試試時(shí)，注注意發(fā)光光二極管管不能過過亮。如如果過亮亮，可串串接一個(gè)個(gè)100歐左右右的限流流電阻。。調(diào)試過程程中，最最好分塊進(jìn)行行，如首先先調(diào)試““狀態(tài)譯譯碼電路路”、然然后調(diào)調(diào)試“輸輸出電路路及其交交通燈單單元”，，最后調(diào)調(diào)試“時(shí)時(shí)間預(yù)置置電路””。五、設(shè)計(jì)計(jì)、仿真真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)問題研研究六、設(shè)計(jì)計(jì)與測試試報(bào)告要要求見實(shí)驗(yàn)電電子文檔檔。“交通燈燈控制與與顯示電電路”綜綜合設(shè)計(jì)計(jì)實(shí)驗(yàn)（（3）——時(shí)序邏輯輯電路設(shè)設(shè)計(jì)一、任務(wù)務(wù)與要求求由集成觸觸發(fā)器、、集成計(jì)計(jì)數(shù)器等等集成器器件設(shè)計(jì)計(jì)“交通通燈控制制電路””中的時(shí)序邏輯輯電路部部分，并在實(shí)實(shí)驗(yàn)（2）的基基礎(chǔ)上完完成整個(gè)個(gè)控制電電路的調(diào)調(diào)試。具具體要求求如下：：（1）交交通燈的的不同狀狀態(tài)轉(zhuǎn)換換時(shí)分別別產(chǎn)生相相應(yīng)的狀狀態(tài)信號號；（2）對對交通燈燈不同狀狀態(tài)的燈燈亮?xí)r間間Te、、Ty、、Ts分分別進(jìn)行行減法計(jì)計(jì)數(shù)，實(shí)實(shí)現(xiàn)倒計(jì)計(jì)時(shí)功能能；（3）特特殊狀狀態(tài)期間間，計(jì)時(shí)時(shí)停止；；特殊狀狀態(tài)結(jié)束束后，恢恢復(fù)正常常計(jì)時(shí)；；（4）寫寫出設(shè)計(jì)計(jì)步驟，，畫出設(shè)設(shè)計(jì)的邏邏輯電路路圖；（5）對對設(shè)計(jì)的的電路進(jìn)進(jìn)行仿真真、修改改，使仿仿真結(jié)果果達(dá)到設(shè)設(shè)計(jì)要求求；（6）安安裝并測測試電路路的邏輯輯功能；；（7）將將實(shí)驗(yàn)（（2）、、實(shí)驗(yàn)(3)電電路連接接起來，，完成整整個(gè)控制制電路的的調(diào)試。。二、設(shè)計(jì)計(jì)思路（1）時(shí)時(shí)間倒計(jì)計(jì)時(shí)電路路的設(shè)計(jì)計(jì)思路該電路在在秒信號號作用下下，分別別以不同同狀態(tài)的的燈亮?xí)r時(shí)間Te、Ty、Ts和Ty作為開開始計(jì)時(shí)時(shí)的初始始值進(jìn)行行減法計(jì)計(jì)數(shù)循環(huán)環(huán)。每當(dāng)當(dāng)計(jì)計(jì)時(shí)時(shí)到到00時(shí)時(shí)，，向向““狀狀態(tài)態(tài)產(chǎn)產(chǎn)生生電電路路””發(fā)發(fā)出出計(jì)計(jì)時(shí)時(shí)結(jié)結(jié)束束信信號號。。改改變變這這些些初初始始值值即即可可實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)信信號號燈燈點(diǎn)點(diǎn)亮亮?xí)r時(shí)間間修修改改的的功功能能。。采用用2片片具有有置置數(shù)數(shù)功功能能的集集成成十十進(jìn)進(jìn)制制加加/減減可可逆逆計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器74LS192組成成時(shí)時(shí)間間倒倒計(jì)計(jì)時(shí)時(shí)電電路路。。時(shí)間間倒倒計(jì)計(jì)時(shí)時(shí)電電路路的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)框框圖圖（2））狀狀態(tài)態(tài)產(chǎn)產(chǎn)生生電電路路的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)思思路路該電電路路的的主主要要功功能能是是根根據(jù)據(jù)實(shí)實(shí)際際交交通通燈燈的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換過過程程，，產(chǎn)產(chǎn)生生相相應(yīng)應(yīng)的的狀狀態(tài)態(tài)信信號號供其其它它電電路路使使用用。根據(jù)據(jù)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)思思路路，，交交通通燈燈共共有有4個(gè)個(gè)不不同同狀狀態(tài)態(tài)：：00、、01、、10和和11。。只只有有當(dāng)當(dāng)?shù)沟褂?jì)計(jì)時(shí)時(shí)時(shí)時(shí)間間結(jié)結(jié)束束時(shí)時(shí)交交通通燈燈的的狀狀態(tài)態(tài)才才發(fā)發(fā)生生變變化化，，故故可可將將““時(shí)時(shí)間間倒倒計(jì)計(jì)時(shí)時(shí)電電路路””產(chǎn)產(chǎn)生生的的計(jì)時(shí)時(shí)結(jié)結(jié)束束信信號號作作為為狀狀態(tài)態(tài)變變化化的的控控制制信信號號。。為此，，將該該信號號作為為一個(gè)個(gè)同步步2位位二進(jìn)進(jìn)制加加計(jì)數(shù)數(shù)器的的時(shí)鐘鐘脈沖沖即可可，計(jì)計(jì)數(shù)器器采用用JK觸觸發(fā)器器或D觸發(fā)發(fā)器實(shí)現(xiàn)。。三、原原理圖圖繪制制與電電路仿仿真用proteus軟軟件繪繪制出出該電電路的的原理理圖，，對所所設(shè)計(jì)計(jì)的電電路進(jìn)進(jìn)行仿仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)。。在仿真真過程程中，，分別別手工改改變每每個(gè)狀狀態(tài)的的時(shí)間間預(yù)置置數(shù)據(jù)據(jù)，觀察察電路路的仿仿真運(yùn)運(yùn)行結(jié)結(jié)果；；將實(shí)驗(yàn)驗(yàn)（2）、、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)(3)電電路連連接起起來，，驗(yàn)證證電路路的邏邏輯功功能是是否達(dá)達(dá)到設(shè)設(shè)計(jì)要要求。。四、電電路安安裝