交通灯控制电路综合设计

“交通灯控制与显示电路”综合设计实验

一、实验目的1．掌握组合逻辑电路的设计方法；2．掌握时序逻辑电路的设计方法；3．初步具备数字系统的综合设计能力；4．学会数字电路的软件仿真；5．掌握数字电路的安装和调试方法。二、实验说明该综合实验按分步实施方式进行。全部实验分为四部分：第一，方案设计；第二，组合逻辑电路的设计与实现；第三，时序逻辑电路的设计与实现；第四，采用CPLD/FPGA可编程器件实现整个实验。该综合设计实验采用理论设计、软件仿真和电路安装与调试三步走，以提高学生的综合设计与实践动手能力。三、实验元器件该综合实验采取两种不同的技术手段实现：1．常用中、小规模数字电路：集成逻辑门、集成编码器、集成译码器、集成数据选择器、集成计数器等。2．CPLD/FPGA可编程器件。“交通灯控制与显示电路”综合设计实验（1）——方案设计（课外完成）一、问题描述设计并实现一十字路口的红、绿、黄三色交通灯控制与显示电路，即每个路口设置一组红、黄、绿交通灯，按图1所示情况变化，以保证车辆、行人通行安全。图1二、功能分析1．基本功能（见前面图）2．扩展功能（1）特殊状态控制功能特殊状态如紧急车辆随时通行功能受一开关控制，无急车时，信号灯按正常时序控制。有急车来时，将特殊状态开关按下，不管原来信号灯的状态如何，一律强制让两个方向的红灯同时点亮，禁止其它车辆通行，同时计时停止；特殊状态结束后，恢复原来状态继续运行。（2）信号灯点亮时间预置功能控制电路在任何时候可根据实际情况修改信号灯点亮时间。（3）各路口交通灯故障报警功能（选做）交通灯控制电路发出警报，说明各路口交通灯同时熄灭或点亮的情况不符合预定要求。三、设计任务与要求

假设东西方向的绿灯点亮时间为Te，同时也是南北方向的禁行时间；南北方向的绿灯点亮时间为Ts，同时也是东西方向的禁行时间；此外，东西、南北方向的黄灯点亮时间均为Ty。1．参考图1，定义交通灯的状态，确定状态表；2．根据实际交通灯转换过程，设计交通灯的状态转换图；3．按交通灯的功能要求，设计系统的电路模块图。四、设计思路：1．参考图1，定义交通灯的状态，确定状态表；状态东西方向南北方向时间（s）S0绿灯亮红灯亮TeS1黄灯亮红灯亮TyS2红灯亮绿灯亮TsS3红灯亮黄灯亮Ty状态东西方向南北方向时间（s）S0绿灯亮红灯亮TeS1黄灯亮红灯亮TyS2红灯亮绿灯亮TsS3红灯亮黄灯亮Ty状态转换图2、、设设计计的的系系统统模模块块框框图图分分为为两两部部分分：第一一部部分分：组合合逻逻辑辑电电路路部部分分解决决三三个个问问题题：（1））不不同同状状态态下下交交通通灯灯的的控控制制；；（2））交交通通灯灯灯灯亮亮时时间间的的预预置置；；（3））交交通通灯灯灯灯亮亮时时间间的的显显示示。。状态输入状态译码、输出电路交通灯单元（6对）灯亮时间预置电路计时显示电路（两位）第二二部部分分：时序序逻逻辑辑电电路路部部分分解决决两两个个问问题题：（1））交交通通灯灯灯灯亮亮时时间间的的倒倒计计时时；；（2））交交通通灯灯不不同同状状态态的的产产生生及及其其转转换换；；状态产生及其转换电路时间倒计时电路时间显示状态输出时间预置电路“交交通通灯灯控控制制与与显显示示电电路路””综综合合设设计计实实验验（（2））———组合合逻逻辑辑电电路路设设计计一、、任任务务与与要要求求由数数据据选选择择器器、、译译码码器器和和集集成成门门等等集集成成电电路路器器件件设设计计““交交通通灯灯控控制制与与显显示示电电路路””中中的的组合合逻逻辑辑电电路路部部分分，具具体体要要求求如如下下：：（1））将将状状态态信信号号译译码码为为东东西西、、南南北北方方向向6对对交交通通灯灯的的控控制制信信号号，，实实现现正正常常时时序序控控制制功功能能；；（2））特特殊殊状状态态期期间间，，东东西西、、南南北北两两个个方方向向的的红红灯灯同同时时发发亮亮，，实实现现特特殊殊状状态态控控制制功功能能；；（3）将将东西方方向、南南北方向向的灯亮亮时间分分别用数数码管显显示；（4）根根据不同同的状态态信号分分别预置置相应的的灯亮时时间数据据Te、、Ty、、Ts和和Ty，，其范围围为00～99s，2位BCD码形形式；（5）写写出设计计步骤，，画出设设计的逻逻辑电路路图；（6）对对设计的的电路进进行仿真真、修改改，使仿仿真结果果达到设设计要求求；（7）安安装并测测试电路路的逻辑辑功能。。二、设计计思路：：主要解决决三个问问题：（1）不不同状态态下交通通灯的控控制；（2）交交通灯灯灯亮时间间的预置置；（3）交交通灯灯灯亮时间间的显示示。状态输入状态译码、输出电路交通灯单元（6对）灯亮时间预置电路计时显示电路（两位）（1）状状态译码码电路、、输出电电路及其其交通灯灯单元的的设计思思路该电路的的主要功功能是依依据不同同的状态态信号实实现对交交通灯的的控制。。其设计计框图如如图所示示。“状态译译码电路路”采用用二进制制译码器器74LS138实现；“输出电电路”采采用集成逻辑辑门实现；“交通灯灯单元””采用普普通的红红色、绿绿色和黄黄色发光二极极管；“接口电电路”起起信号驱驱动作用用，视实实验情况况的不同同选用。。设灯亮为为“1””，灯灭灭为“0”，交交通灯的的4种状状态S0～S3分别编编码为00、01、10、11，特殊状态态用S表表示，进入特特殊状态态为“1”，这这时两两个方向向的红灯灯同时点点亮，正正常状态态为“0”。则则可列出真真值表（（学生做做）。特殊状态正常状态（4种）状态指示信号（4种）东西方向交通灯（3种）南北方向交通灯（3种）SA1A0SQ0SQ1SQ2SQ3EGEREYSGSRSY1xx11110100100000111100010001101100101001011010101000111110010001（2）时时间预置置电路的的设计思思路该电路的的主要功功能是依据不同同的状态态信号输输入相应应的时间间预置数数据，从而确确定交通通灯的灯灯亮时间间。状态A1A0运行时间十位预置数据BCD码个位预置数据BCD码00Te（20s）0010000001Ty（5s）0000010110Ts（10s）0001000011Ty（5s）00000101时间预置置电路的的设计框框图（3）计计时显示示电路的的设计思思路将倒计时时电路产产生的输输出经显示译码码器CD4511和数码管管进行显显示。三、原理理图绘制制与电路路仿真用proteus软件件绘制出出该电路路的原理理图，对对所设计计的电路路进行仿仿真实验验。在仿真过过程中，，分别改改变状态信号号及特殊殊状态信信号，验证电电路的逻逻辑功能能是否达达到设计计要求。。四、电路路安装与与调试1.电电路布局局在多孔电电路实验验板上装装配电路路时，首首先应熟熟悉其结结构。明明确哪些些孔眼是是连通的的，并安安排好电电源正、、负引出出线在实实验板上上的位置置。电路布局局时应安安排好各各个集成成块的位位置，以以方便连连线为原原则。电电路与外外接仪器器的连接接端、测测试端要要布置合合理，便便于操作作。状态态信号、、预置数数据的输输入端点点应方便便改变其其电平。。2．安装装与调试试方法电路安装装前，要要先检测测所用集集成电路路及其它它元器件件的好坏坏。安装装完成后后，要用用万用表表检测电电路接触触是否可可靠、电电源电压压大小、、极性是是否正确确。一切切正常后后才能通通电调试试。实验调试试时，注注意发光光二极管管不能过过亮。如如果过亮亮，可串串接一个个100欧左右右的限流流电阻。。调试过程程中，最最好分块进行行，如首先先调试““状态译译码电路路”、然然后调调试“输输出电路路及其交交通灯单单元”，，最后调调试“时时间预置置电路””。五、设计计、仿真真及实验验问题研研究六、设计计与测试试报告要要求见实验电电子文档档。“交通灯灯控制与与显示电电路”综综合设计计实验（（3）——时序逻辑辑电路设设计一、任务务与要求求由集成触触发器、、集成计计数器等等集成器器件设计计“交通通灯控制制电路””中的时序逻辑辑电路部部分，并在实实验（2）的基基础上完完成整个个控制电电路的调调试。具具体要求求如下：：（1）交交通灯的的不同状状态转换换时分别别产生相相应的状状态信号号；（2）对对交通灯灯不同状状态的灯灯亮时间间Te、、Ty、、Ts分分别进行行减法计计数，实实现倒计计时功能能；（3）特特殊状状态期间间，计时时停止；；特殊状状态结束束后，恢恢复正常常计时；；（4）写写出设计计步骤，，画出设设计的逻逻辑电路路图；（5）对对设计的的电路进进行仿真真、修改改，使仿仿真结果果达到设设计要求求；（6）安安装并测测试电路路的逻辑辑功能；；（7）将将实验（（2）、、实验(3)电电路连接接起来，，完成整整个控制制电路的的调试。。二、设计计思路（1）时时间倒计计时电路路的设计计思路该电路在在秒信号号作用下下，分别别以不同同状态的的灯亮时时间Te、Ty、Ts和Ty作为开开始计时时的初始始值进行行减法计计数循环环。每当当计计时时到到00时时，，向向““状状态态产产生生电电路路””发发出出计计时时结结束束信信号号。。改改变变这这些些初初始始值值即即可可实实现现信信号号灯灯点点亮亮时时间间修修改改的的功功能能。。采用用2片片具有有置置数数功功能能的集集成成十十进进制制加加/减减可可逆逆计计数数器器74LS192组成成时时间间倒倒计计时时电电路路。。时间间倒倒计计时时电电路路的的设设计计框框图图（2））状状态态产产生生电电路路的的设设计计思思路路该电电路路的的主主要要功功能能是是根根据据实实际际交交通通灯灯的的转转换换过过程程，，产产生生相相应应的的状状态态信信号号供其其它它电电路路使使用用。根据据设设计计思思路路，，交交通通灯灯共共有有4个个不不同同状状态态：：00、、01、、10和和11。。只只有有当当倒倒计计时时时时间间结结束束时时交交通通灯灯的的状状态态才才发发生生变变化化，，故故可可将将““时时间间倒倒计计时时电电路路””产产生生的的计时时结结束束信信号号作作为为状状态态变变化化的的控控制制信信号号。。为此，，将该该信号号作为为一个个同步步2位位二进进制加加计数数器的的时钟钟脉冲冲即可可，计计数器器采用用JK触触发器器或D触发发器实现。。三、原原理图图绘制制与电电路仿仿真用proteus软软件绘绘制出出该电电路的的原理理图，，对所所设计计的电电路进进行仿仿真实实验。。在仿真真过程程中，，分别别手工改改变每每个状状态的的时间间预置置数据据，观察察电路路的仿仿真运运行结结果；；将实验验（2）、、实验验(3)电电路连连接起起来，，验证证电路路的逻逻辑功功能是是否达达到设设计要要求。。四、电电路安安装