實驗八交通燈控制電路的設計

實驗八交通燈控制電路的設計第一頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計三、設計任務與要求⑴．設計一個十字交叉路口交通燈自動控制電路，要求主干道和支干道兩條交叉道路上的車輛交替行駛通過，每次通行時間可任意設定，現(xiàn)規(guī)定設為25秒。⑵．在黃燈亮過5秒鐘后，才能變換車輛通行道路方向及行人允許通過道路的方向。⑶．在黃燈亮時，每秒鐘閃亮一次，同時人行通道（斑馬線）旁的報警喇叭也每秒鐘響鳴一聲。

第二頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計四、設計原理與分析1．分析系統(tǒng)的邏輯功能及其框圖

交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖8-1所示。它主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等部分組成。秒脈沖信號發(fā)生器是系統(tǒng)中定時器的標準時鐘信號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經驅動電路后驅動信號燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時器和譯碼器的工作。圖中的：TL：表示主干道或支干道綠燈亮時的時間為25秒，即車輛正常通行的時間間隔。在設定的時間內，TL=1，設定的時間到，TL=0。TY：表示黃燈亮的時間為5秒，在設定的時間內，TY=1，設定的時間到，TY=0。ST：表示定時器到了規(guī)定的時間后，由控制器發(fā)出的狀態(tài)轉換信號。由它控制定時器開始下一個工作狀態(tài)的定時。第三頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計圖8-1交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖第四頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計2．交通燈控制器的工作流程十字路口的交通燈控制器分為定時控制和計數(shù)控制。定時控制就是定時器按要求設置，并發(fā)出的時間起始和終了信號來進行控制；計數(shù)控制既是在十字路口安裝有攝像頭及分析計數(shù)或紅外探測計數(shù)設備；當這類計數(shù)設備，累計到在十字路口某條路上有一定的車輛數(shù)后，便立即發(fā)出狀態(tài)轉換信號控制控制器，使該條路上的交通燈改變成通行信號燈亮。下面我們對定時控制十字路口的交通燈控制器進行分析。⑴．主干道綠燈亮時，支干道紅燈亮。此時主干道上的車輛允許通行，支干道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定時間TL后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號ST，轉到下一工作狀態(tài)。⑵．主干道黃燈亮時，支干道紅燈亮。此時支干道上的車輛禁止通行，主干道上已過停車線的車輛允許通行，未過停車線的車輛禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間TY后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號ST，轉到下一工作狀態(tài)。⑶．主干道紅燈亮時，支干道綠燈亮。支干道上的車輛允許通行；綠燈亮足規(guī)定時間TL后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號ST，轉到下一工作狀態(tài)。第五頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計⑷．主干道紅燈亮時，支干道黃燈亮。此時主干道上的車輛禁止通行，此時支干道上已過停車線的車輛允許通行，未過停車線的車輛禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間TY后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號ST，轉到第⑴種工作狀態(tài)。以上4種交通燈工作狀態(tài)的轉換是由控制器進行控制的。設控制器對這四種狀態(tài)的編碼為00、01、11、10，并分別用Z0、Z1、Z2、Z3表示這四種狀態(tài)，則控制器的工作四種狀態(tài)及其功能見表8-1所示?？刂破鳡顟B(tài)信號燈狀態(tài)車道運行狀態(tài)

Z0

（00）主道綠，支道紅主道車通行，行人禁止橫穿；支道禁止車通行，行人可橫穿。Z1

（01）主道黃，支道紅主干道車緩慢行駛，支干道車禁止通行，行人準備通行

Z2（11）主道紅，支道綠主道禁止車通行，行人可橫穿；支道車通行，行人禁止通行。Z3

（10）主道紅，支道黃主干道車禁止通行，支干道車緩慢行駛，行人準備通行

表8-1控制器的工作狀態(tài)及其功能表第六頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計現(xiàn)作如下規(guī)定：若將主干道和支干道上的紅、黃、綠三色燈的控制信號分為燈的代號和燈的驅動信號，會給系統(tǒng)帶來復雜。為了簡便起見，把燈的代號和燈的驅動信號合二為一，即：AG=1：主干道綠燈亮；BG=1：支干道綠燈亮；AY=1：主干道黃燈亮；BY=1：支干道黃燈亮；AR=1：主干道紅燈亮；BR=1：支干道紅燈亮；這樣可以得到交通燈的工作狀態(tài)流程圖，設控制器的初始狀態(tài)為Z0，當Z0的持續(xù)時間小于25秒時，TL=0，控制器保持Z0狀態(tài)不變。只有當Z0的持續(xù)時間等于25秒時，TL=1，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號ST，并轉換到下一個狀態(tài)Z1。按照這種判斷、分析，將這四種狀態(tài)的轉換無限循環(huán)（不斷電的情況下）。第七頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計第八頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計五、預習要求與思考題1．復習數(shù)字電子技術的數(shù)字系統(tǒng)設計原理。2．復習多路數(shù)據選擇器、二進制同步計數(shù)器的工作原理。3．根據交通燈控制系統(tǒng)框圖，設計出能夠實現(xiàn)的原理電路，并畫出完整的原理電路圖。4．在計算機上利用EWB（ElectronicsWorkBench）虛擬電子工作臺——電路設計與仿真軟件進行仿真分析，檢驗你所設計的電路，分析該電路中CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL、TY的波形及其時序關系。作出仿真分析報告。5.系統(tǒng)框圖中的定時電路能否用計數(shù)器芯片74LS161或者是74LS163來構成，為什么（重點說明理由）？6．熟悉示波器、數(shù)字邏輯實驗箱的使用方法。第九頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計六、實驗內容1．設計、連接譯碼電路，其輸出接主干道、支干道上的6只信號燈（實驗用電平指示燈代替），驗證該電路的邏輯功能。2．設計、連接秒脈沖產生電路，驗證該電路的邏輯功能。3．設計、連接定時電路，調試其應當完成的任務；當CP信號為1KHZ的方波時，按照時序對應關系畫出CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL、TY的波形。4．設計、連接控制器電路，調試其應當完成的任務；5．完成交通燈控制系統(tǒng)電路的整體調試，并檢測其功能。七、主要元器件集成電路芯片：74LS742片，74LS101片，74LS002片，

74LS1532片，74LS1632片，74LS861片，

NE5552片，電阻：51K1只，電容：10UF1只第十頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計八、實驗報告要求1．畫出完整的實驗電路的工作原理圖，表明各元件的參數(shù)值。熟悉所用集成電路的引腳的功能、位置及其使用規(guī)則。2．寫出相應的邏輯表達式、邏輯電路圖。3．繪出實驗中的時序波形，整理實驗數(shù)據，并說明其意義。4．寫出在實驗過程中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象及解決的方法。5．請在計算機上用EWB（ElectricalWorkBench）或PSPICE軟件進行仿真，九、電路設計參考與提示

1．定時器定時器應與系統(tǒng)秒脈沖（由時鐘脈沖產生器提供）同步的計數(shù)器構成，要求計數(shù)器在狀態(tài)轉換信號ST作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從零開始進行加1計數(shù)，向控制器提供5秒的黃燈定時信號TY和25秒的紅燈或綠燈定時信號TL。第十一頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計現(xiàn)在，我們選用計數(shù)器74LS163進行設計。74LS163是4位二進制同步計數(shù)器，它具有同步清零，同步置數(shù)的功能。74LS163的引腳及其功能如圖8-1、功能表見表8-1；建議定時器用兩片計數(shù)器74LS163來設計，下圖為定時器參考電路圖。第十二頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計

2．控制器控制器是交通管理的核心，它應該按照交通管理規(guī)則控制信號燈，能夠滿足控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行交通信號燈的狀態(tài)轉換。根據交通燈的工作狀態(tài)流程圖，可以列出控制器的狀態(tài)轉換表，見下表：選用74LS74（雙D觸發(fā)器）構成時序寄存器，它們的輸出作為控制器的狀態(tài)轉換的4種狀態(tài)；控制器狀態(tài)轉換的條件為TL和TY，當控制器的輸出狀態(tài)處于狀態(tài)時，如果TL=0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果TL=1，則控制器轉換到狀態(tài)。但這兩種情況與條件TY無關，所以用無關項“”表示。同理可以推出其他幾種情況的關系狀態(tài)。同時根據交通燈的控制器狀態(tài)轉換表，可以推出方程和轉換信號方程；即將控制器的輸出狀態(tài)、和ST為1的項所對應的輸入或狀態(tài)條件變量相與，其中“1”用原變量表示，“0”用反變量表示，然后將各與的項再相或，既有：

第十三頁，共十四頁，2022年，8月28日實驗八交通燈控制電路的設計三個方程，我們選用4選一數(shù)據選擇器（74LS153）來實現(xiàn)74LS74中兩個D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的初始狀態(tài)值、加到74LS153的數(shù)據選擇端作為控制信號，這樣即可實現(xiàn)控制器的功能。設計中考慮到上電（打開電源開關時）自動復位