單片機(jī)燈控制電路創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)生

.z“交通燈控制與顯示電路〞綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(huì)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。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明1．該綜合實(shí)驗(yàn)按分步實(shí)施方式進(jìn)展。全部實(shí)驗(yàn)分為四局部：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)。2．該綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采取課內(nèi)外結(jié)合的方式。第一局部實(shí)驗(yàn)要求在課外完成，在數(shù)字電子技術(shù)課程的理論教學(xué)之初布置綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的第一局部?jī)?nèi)容，學(xué)生邊學(xué)習(xí)理論課程，邊思考，逐步完成方案設(shè)計(jì)；第二局部實(shí)驗(yàn)主要在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)完成，安排在組合邏輯電路理論教學(xué)內(nèi)容完畢后進(jìn)展；第三局部實(shí)驗(yàn)主要在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)完成，安排在時(shí)序邏輯電路理論教學(xué)內(nèi)容完畢后進(jìn)展；第四局部實(shí)驗(yàn)主要在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)完成，安排在CPLD/FPGA可編程器件理論教學(xué)內(nèi)容完畢后進(jìn)展。3．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(dòng)手能力。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(mén)、集成編碼器、集成譯碼器、集成數(shù)字選擇器、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)一、問(wèn)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(chē)輛、行人通行平安。圖1正常情況下交通燈狀態(tài)示意圖二、功能分析1．根本功能根據(jù)需求描述，系統(tǒng)應(yīng)具有如下根本功能：系統(tǒng)工作時(shí)，東西方向綠燈亮?xí)r，南北方向紅燈亮，該信號(hào)燈點(diǎn)亮?xí)r間可自由設(shè)定(設(shè)定*圍為00～99s)，同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r間進(jìn)展倒計(jì)時(shí)顯示；當(dāng)時(shí)間減為00時(shí)，東西方向綠燈熄滅，黃燈同時(shí)點(diǎn)亮，并維持?jǐn)?shù)秒，南北方向仍為紅燈亮；當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)顯示減為00時(shí)，東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮，點(diǎn)亮?xí)r間仍可自由設(shè)定；當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)顯示減為00時(shí)，南北方向綠燈熄滅，黃燈同時(shí)點(diǎn)亮，并維持?jǐn)?shù)秒，東西方向仍為紅燈亮。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)顯示減為00時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)入下一個(gè)周期，以后周而復(fù)始的循環(huán)。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(chē)輛隨時(shí)通行功能受一開(kāi)關(guān)控制，無(wú)急車(chē)時(shí)，信號(hào)燈按正常時(shí)序控制。有急車(chē)來(lái)時(shí)，將特殊狀態(tài)開(kāi)關(guān)按下，不管原來(lái)信號(hào)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，制止其它車(chē)輛通行，同時(shí)計(jì)時(shí)停頓；特殊狀態(tài)完畢后，恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。信號(hào)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(hào)燈點(diǎn)亮?xí)r間?！?〕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(shuō)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)與要求正常情況下，十字路口的紅、綠、黃三色信號(hào)交通燈有如圖1所示4種情況，假設(shè)東西方向的綠燈點(diǎn)亮?xí)r間為T(mén)e，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T(mén)s，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T(mén)y。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(guò)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?！敖煌艨刂婆c顯示電路〞綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)〔2〕——組合邏輯電路設(shè)計(jì)任務(wù)與要求由數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器和集成門(mén)等集成電路器件設(shè)計(jì)“交通燈控制與顯示電路〞中的組合邏輯電路局部，即“狀態(tài)譯碼電路〞、“輸出電路及其交通燈單元〞、“時(shí)間預(yù)置電路〞和“計(jì)時(shí)顯示電路〞。具體要求如下：〔1〕將狀態(tài)信號(hào)譯碼為東西、南北方向6對(duì)交通燈的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)正常時(shí)序控制功能；〔2〕特殊狀態(tài)期間，東西、南北兩個(gè)方向的紅燈同時(shí)發(fā)亮，實(shí)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(hào)分別預(yù)置相應(yīng)的燈亮?xí)r間數(shù)據(jù)Te、Ty、Ts和Ty，其*圍為00～99s，2位BCD碼形式；〔5〕寫(xiě)出設(shè)計(jì)步驟，畫(huà)出設(shè)計(jì)的邏輯電路圖；〔6〕對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)展仿真、修改，使仿真結(jié)果到達(dá)設(shè)計(jì)要求；〔7〕安裝并測(cè)試電路的邏輯功能。實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)思路〔1〕狀態(tài)譯碼電路、輸出電路及其交通燈單元的設(shè)計(jì)思路該電路的主要功能是依據(jù)不同的狀態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈的控制。其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示?！盃顟B(tài)譯碼電路〞采用二進(jìn)制譯碼器74LS138實(shí)現(xiàn)；“輸出電路〞采用集成邏輯門(mén)實(shí)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(hào)驅(qū)動(dòng)作用，視實(shí)驗(yàn)情況的不同選用。輸出電路紅燈輸出電路紅燈黃燈綠燈東西紅燈黃燈綠燈南北接口電路交通燈單元〔6對(duì)〕接口電路交通燈單元〔6對(duì)〕狀態(tài)信號(hào)輸入EG狀態(tài)譯碼狀態(tài)譯碼電路EYERER特殊狀態(tài)控制特殊狀態(tài)控制SGSYSYSRSR圖2設(shè)計(jì)框圖一〔2〕時(shí)間預(yù)置電路的設(shè)計(jì)思路該電路的主要功能是依據(jù)不同的狀態(tài)信號(hào)輸入相應(yīng)的時(shí)間預(yù)置數(shù)據(jù)，從而確定交通燈的燈亮?xí)r間。其設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，該電路采用集成數(shù)據(jù)選擇器74LS153實(shí)現(xiàn)。TeTe、Ty、Ts和Ty十位預(yù)置數(shù)據(jù)BCD碼Te、Ty、Ts和Ty個(gè)位預(yù)置數(shù)據(jù)BCD碼數(shù)據(jù)選擇電路十位預(yù)置數(shù)據(jù)BCD碼輸出個(gè)位預(yù)置數(shù)據(jù)BCD碼輸出狀態(tài)信號(hào)輸入圖3設(shè)計(jì)框圖二〔3〕計(jì)時(shí)顯示電路的設(shè)計(jì)思路將倒計(jì)時(shí)電路產(chǎn)生的輸出經(jīng)顯示譯碼器CD4511和數(shù)碼管進(jìn)展顯示。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(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)展仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真過(guò)程中，分別改變狀態(tài)信號(hào)及特殊狀態(tài)信號(hào)，驗(yàn)證電路的邏輯功能是否到達(dá)設(shè)計(jì)要求。電路安裝與調(diào)試電路布局在多孔電路實(shí)驗(yàn)板上裝配電路時(shí)，首先應(yīng)熟悉其構(gòu)造。明確哪些孔眼是連通的，并安排好電源正、負(fù)引出線在實(shí)驗(yàn)板上的位置。電路布局時(shí)應(yīng)安排好各個(gè)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(cè)試端要布置合理，便于操作。狀態(tài)信號(hào)、預(yù)置數(shù)據(jù)的輸入端點(diǎn)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(cè)所用集成電路及其它元器件的好壞。安裝完成后，要用萬(wàn)用表檢測(cè)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(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)，注意發(fā)光二極管不能過(guò)亮。如果過(guò)亮，可串接一個(gè)100歐左右的限流電阻。調(diào)試過(guò)程中，最好分塊進(jìn)展，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(shí)間預(yù)置電路〞。設(shè)計(jì)、仿真及實(shí)驗(yàn)問(wèn)題研究如何實(shí)現(xiàn)特殊狀態(tài)控制功能.如果采用二進(jìn)制譯碼器74LS139可實(shí)現(xiàn)“狀態(tài)譯碼電路〞嗎.請(qǐng)畫(huà)出其邏輯電路圖。如果“輸出電路〞不能正常驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)亮，應(yīng)如何設(shè)計(jì)圖2中的“接口電路〞.如何實(shí)現(xiàn)“時(shí)間預(yù)置電路〞中預(yù)置數(shù)據(jù)直接采用十進(jìn)制形式.畫(huà)出其邏輯電路圖并列出所需器件清單。設(shè)計(jì)與測(cè)試報(bào)告要求課題完成后應(yīng)認(rèn)真撰寫(xiě)?設(shè)計(jì)與測(cè)試報(bào)告?，其主要內(nèi)容如下：課題的任務(wù)及要求。課題分析與方案選擇。對(duì)課題認(rèn)真分析，正確理解，明確設(shè)計(jì)思路。通過(guò)各種可實(shí)現(xiàn)的電路原理、特點(diǎn)分析，方案類(lèi)比，選擇最正確實(shí)現(xiàn)電路。集成電路及元器件選擇。對(duì)設(shè)計(jì)中選定的集成電路及元器件，給出它們的引腳圖、功能表或真值表或主要參數(shù)值。原理圖繪制及仿真。用Proteus軟件繪出電原理圖，詳細(xì)標(biāo)明各集成電路及元器件的型號(hào)，并給出有關(guān)原理圖的適當(dāng)注釋。實(shí)驗(yàn)測(cè)試、問(wèn)題分析與研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)備清單〔名稱(chēng)、型號(hào)、數(shù)量等〕；安裝及調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)介；故障分析及解決方法；第五項(xiàng)中的問(wèn)題解答?？偨Y(jié)?？偨Y(jié)所設(shè)計(jì)課題存在的問(wèn)題，提出改良的設(shè)想；完本錢(qián)課題后的收獲、體會(huì)和建議?！敖煌艨刂婆c顯示電路〞綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)〔3〕——時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)任務(wù)與要求由集成觸發(fā)器、集成計(jì)數(shù)器等集成器件設(shè)計(jì)“交通燈控制電路〞中的時(shí)序邏輯電路局部，即“狀態(tài)產(chǎn)生電路〞和“時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路〞。并在實(shí)驗(yàn)〔2〕的根底上完成整個(gè)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(shí)分別產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)；〔2〕對(duì)交通燈不同狀態(tài)的燈亮?xí)r間Te、Ty、Ts分別進(jìn)展減法計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)功能；(3)特殊狀態(tài)期間，計(jì)時(shí)停頓；特殊狀態(tài)完畢后，恢復(fù)正常計(jì)時(shí)；〔4〕寫(xiě)出設(shè)計(jì)步驟，畫(huà)出設(shè)計(jì)的邏輯電路圖；〔5〕對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)展仿真、修改，使仿真結(jié)果到達(dá)設(shè)計(jì)要求；〔6〕安裝并測(cè)試電路的邏輯功能；〔7〕將實(shí)驗(yàn)〔2〕、實(shí)驗(yàn)(3)電路連接起來(lái)，完成整個(gè)控制電路的調(diào)試。實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)思路在實(shí)驗(yàn)〔2〕的根底上完本錢(qián)局部實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)。〔1〕時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)思路該電路在秒信號(hào)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(kāi)場(chǎng)計(jì)時(shí)的初始值進(jìn)展減法計(jì)數(shù)循環(huán)。每當(dāng)計(jì)時(shí)到00時(shí)，向“狀態(tài)產(chǎn)生電路〞發(fā)出計(jì)時(shí)完畢信號(hào)。改變這些初始值即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈點(diǎn)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(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器74LS192組成時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路。其設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。倒計(jì)時(shí)BCD碼輸出Q3倒計(jì)時(shí)BCD碼輸出Q3~Q0十位預(yù)置數(shù)據(jù)BCD碼輸入計(jì)時(shí)顯示電路74LS192計(jì)時(shí)顯示電路74LS192(十位)計(jì)時(shí)完畢信號(hào)計(jì)時(shí)完畢信號(hào)級(jí)聯(lián)級(jí)聯(lián)倒計(jì)時(shí)BCD碼輸出Q倒計(jì)時(shí)BCD碼輸出Q3~Q0個(gè)位預(yù)置數(shù)據(jù)BCD碼輸入個(gè)位預(yù)置數(shù)據(jù)BCD碼輸入計(jì)時(shí)顯示電路74LS192(個(gè)位)計(jì)時(shí)顯示電路74LS192(個(gè)位)秒信號(hào)產(chǎn)生電路秒信號(hào)產(chǎn)生電路圖4設(shè)計(jì)框圖三〔3〕狀態(tài)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)思路該電路的主要功能是根據(jù)實(shí)際交通燈的轉(zhuǎn)換過(guò)程，產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)供其它電路使用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，只有當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)時(shí)間完畢時(shí)交通燈的狀態(tài)才發(fā)生變化，故可將“時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路〞產(chǎn)生的計(jì)時(shí)完畢信號(hào)作為狀態(tài)變化的控制信號(hào)。為此，將該信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖即可，計(jì)數(shù)器采用JK觸發(fā)器或D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。其設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。計(jì)時(shí)完畢信號(hào)〔來(lái)自“時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路〞〕計(jì)時(shí)完畢信號(hào)〔來(lái)自“時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路〞〕計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖狀態(tài)信號(hào)圖5設(shè)計(jì)框圖四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(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)展仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真過(guò)程中，分別手工改變每個(gè)狀態(tài)的時(shí)間預(yù)置數(shù)據(jù)，觀察電路的仿真運(yùn)行結(jié)果；將實(shí)驗(yàn)〔2〕、實(shí)驗(yàn)(3)電路連接起來(lái)，驗(yàn)證電路的邏輯功能是否到達(dá)設(shè)計(jì)要求。電路安裝與調(diào)試電路布局在多孔電路實(shí)驗(yàn)板上裝配電路時(shí)，首先應(yīng)熟悉其構(gòu)造。明確哪些孔眼是連通的，并安排好電源正、負(fù)引出線在實(shí)驗(yàn)板上的位置。電路布局時(shí)應(yīng)安排好各個(gè)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(cè)試端要布置合理，便于操作。該電路與實(shí)驗(yàn)〔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(biāo)記。安裝與調(diào)試方法電路安裝前，首先檢測(cè)所用集成電路及其它元器件的好壞。安裝完成后，要用萬(wàn)用表檢測(cè)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(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)室信號(hào)源產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)。首先手工設(shè)置*一時(shí)間預(yù)置數(shù)據(jù)，調(diào)試“時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路〞；然后調(diào)試“狀態(tài)產(chǎn)生電路〞；最后將實(shí)驗(yàn)〔2〕、實(shí)驗(yàn)(3)電路連接起來(lái)，完成整個(gè)控制電路的調(diào)試。五、設(shè)計(jì)、仿真及實(shí)驗(yàn)問(wèn)題研究1．如何實(shí)現(xiàn)“特殊狀態(tài)期間，計(jì)時(shí)停頓；特殊狀態(tài)完畢后，恢復(fù)正常計(jì)時(shí)〞的功能.2．在“時(shí)間倒計(jì)時(shí)電路〞中，如何產(chǎn)生交通燈不同狀態(tài)下的“計(jì)時(shí)完畢信號(hào)〞和“置數(shù)信號(hào)〞.說(shuō)明其原理，并畫(huà)出它們的波形。3．采用JK觸發(fā)器或D觸發(fā)器設(shè)計(jì)“狀態(tài)產(chǎn)生電路〞時(shí)，選用上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)方式，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何不同.4．在本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)中，考慮到電路實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單性，紅燈亮的倒計(jì)時(shí)次數(shù)共兩次，如何改良電路設(shè)計(jì)，使紅燈亮的倒計(jì)時(shí)次數(shù)為一次而倒計(jì)時(shí)時(shí)間不變.六、設(shè)計(jì)與測(cè)試報(bào)告要求課題完成后應(yīng)認(rèn)真撰寫(xiě)?設(shè)計(jì)與測(cè)試報(bào)告?，其主要內(nèi)容如下：1．課題的任務(wù)及要求。2．課題分析與方案選擇。對(duì)課題認(rèn)真分析，正確理解，明確設(shè)計(jì)思路。通過(guò)各種可實(shí)現(xiàn)的電路原理、特點(diǎn)分析，方案類(lèi)比，選擇最