数电实验报告模板-2

交通灯逻辑控制电路设计PAGEPAGE9交通灯逻辑控制电路设计一、绪论1.意义交通的发达，标志着城市的发达，相对交通的管理则显得越来越重要。对于复杂的城市交通系统，为了确保安全，保证正常的交通秩序，十字路口的信号控制必需按照一定的规律变化，以便于车辆行人能顺利地通过十字路口。交通灯在安全行车过程中起着十分重要的作用,现在交通灯一般设在十字路口,在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯,加上一个倒计时的显示计时器来控制行车,对于一般情况下的安全行车、车辆分流发挥着作用。2.目的（1）熟悉集成电路的引脚安排。（2）掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。（3）了解面包板结构及其接线方法。（4）了解数字交通灯控制电路的组成及工作原理。3.指标要求（1）满足图1顺序工作流程。图中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR、NSY、NSG，东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR、EWY、EWG。它们的工作方式有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄红灯亮。（2）应满足两个方向的工作时序：即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和，南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。时序工作流程图2所示。图2中，假设每个单位时间为4秒，则南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别20秒、4秒、24秒，一次循环为48秒。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和。123456789123456789NSGNSYNSREWREWGEWYt5t6tt南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮(5t)南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮(1t)南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮(5t)南北方向红灯，东西方向黄灯亮(1t)图1交通灯顺序工作流程图图2交通灯时序工作流程图（3）十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，进入下一步某方向地工作循环。例如：当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为18，并使数显计数器开始减“1”计数，当减到绿灯灭而黄灯亮时，数显的值应为3，当减到“0”，时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为18。（4）扩展功能：=1\*GB3①灯的转换可以手动调整，夜间为黄灯闪耀。=2\*GB3②用LED发光二极管模拟汽车行驶电路。当某一方向绿灯亮时，这一方向的发光二极管接通，并一个一个向前移动，表示汽车在行驶；当遇到黄灯时，移位发光二极管就停止，而过了十字路口的移位发光二极管继续向前移动；红灯亮时，则另一方向转为绿灯亮，那么，这一方向的LED发光二极管就开始移位（表示这一方向的车辆行驶）。4.要解决的主要问题能解决交通灯顺序的跳转、对减计数24秒的置数，时标电路的输出信号频率为1Hz的问题。二、单元电路的设计1、秒脉冲和四分频(1)秒冲发生器电路是由555定时电路控制的。[2]利用的是555构成的多谐振荡器。由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端Ct放电，使电路产生振荡。电容C在和之间充电和放电。输出信号的时间参数是T＝tw1＋tw2，tw1＝0.7(R1＋R2)C，tw2＝0.7R2C，555电路要求R1与R2均应大于或等于1KΩ，但R1＋R2应小于或等于3.3MΩ。[1]外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力这个555多谐振荡器是整个电路的时钟信号。要使电路的时间脉冲时间为一秒，则应使图中的R1为5.1K欧，R2为5.1K欧，电容C为100UF。图4脉冲发生器电路图(2)CD4013由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。[2]所以用CD4013做四分频。图5引出段符号图图6引脚图CD4013功能表表1CD4013功能表四分频由双D触发器CD4013得到，获得所需4倍频时钟信号。控制器的逻辑图如图7所示。图7四分频电路2、控制电路由波形图可知，计数器每次工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。这里我们选用中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。74LS164是为8位移位寄存器，当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。[1]引脚功能：CLOCK：时钟输入端；CLEAR：同步清除输入端（低电平有效）；A，B：串行数据输入端；QA－QH：输出端。图874LSLS164引脚图74LS164真值表表274LS164功能表根据状态表，列出东西方向和南北方向绿﹑黄﹑红灯的逻辑表达式：扭环形计数器状态表[1]t计数器输出南北方向东西方向Q0Q1Q2Q3Q4Q5NSGNSYNSREWGEWYEWR01234567891011000000100000110000111000111100111110111111011111001111000111000011000001111110000000000001000000000000111111000000111110000000000001111111000000根据状态表，我们不难列出东西方向和南北方向绿﹑黄﹑红灯的逻辑表达式：东西方向绿：EWG=Q4·Q5黄：EWY=(Q4)'·Q5红：EWR=(Q5)'南北方向绿：NSG=(Q4)'·Q5黄：NSY=Q4·(Q5)'红：NSR=Q5由于黄灯要求闪耀几次，所以用顶时标1s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。3、定时器电路定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先置数24，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从24开始进行减1计数，向控制器提供模4的定时信号TY和模24的定时信号TL。[4]计数器选用集成电路74LS192进行设计。图9交通灯的ASM图74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。[4]图10是74LS192引脚图图1074LS192引脚图表4为74LS192功能表表474LS192功能表4、显示部分显示部分由CD4511和共阴极七段数码管组成，CD4511作为译码器，对74LS192的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出74LS192的计数。即交通灯需要显示的时间。（1）数码显示译码器一个LED数码管可用来显示一位0～9十进制数和一个小数点。小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为2～2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5～10mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。（2）译码部分CD4511是一组用来作为BCD对共阴极LED七段显示器译码的包装。LT：做灯泡测试用，当LT=0，则不论其它输入状态为何，其输出abcdefg=1111111，使七段显示器全亮，即显示8，以便观测七段显示器是否正常。当LT=1，常解码。BI：空白输入控制，当BI=0(LT为1时)则不论DCBA之输入为何，其输出皆为0，即七段显示器完全不亮，此脚可供使用者控制仅对有效数据译码，避免在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱。LE：数据栓锁致能控制；在CD4511中，不但具译码功能，更具有数据栓锁的记忆功能。当LE=0时(LT=1且BI=1)，DCBA数据会被送入IC的缓存器中保存；当LE=1时，则IC中的暂存器会关闭，仅保存原来在LE=0时的数据供译码器译码。[5]换句话说当LE=1时，不论DCBA的输入数据为何，皆不影响其输出，其输出abcdefg仍保留原来在LE由0转为1以前的资料。图12为CD4511的引脚图。图12CD4511引脚图图13显示部分三、总原理图电路说明交通灯控制系统功能图它主要由减法计数器、步骤控制器、置数逻辑电路和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。[5]其中控制部分由74LS164组成扭环形12进制计数器，然后经译码后，输出十字路口南北﹑东西二个方向的控制型号。其中黄灯信号须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿﹑红灯灭。当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS168以减法计数器方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯信号（EWR=0），使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮，使另一方向——东西方向减法计数器开始工作。显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用BCD码七段译码器，显示器用共阴极LED显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。振荡电路调试及实验结果分析实验所用秒脉冲直接使用了实验箱上1Hz信号[3]（产生方法如上面讲的产生方法），通过分频器实现信号周期的变化，用以提供电路信号。四、元器件清单1、二输入四与门 74LS082、六倒相器 74LS043、发光二级管LED4、八输入与非门 74LS305、正沿双D触发器 CD40136、同步十进制可逆加、减计数器(8421BCD码)74LS1927、移位寄存器 74LS1648、BCD七段显示译码器 CD45119、555定时器 NE55510、LED共阴七段数码管BS20711、电阻、电容、导线……等12、工具(镊子、剪刀、万用表……)五、电路的安装与调试实验仪器设备：1、设计、组装译码器电路，其输出接东南、西北方向的6只信号灯（发光二极管），验证电路的逻辑功能。2、设计、组装秒脉冲产生电路。3、组装、调试定时电路。当CP信号为1Hz正方波时，画出CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL．、TY的波形，并注意它们之间一的时序关系。4、组装、调试控制器电路。5、完成交通灯控制电路的联调，并测试其功能。现象记录：实验完成后，有如下现象：1、南北绿灯亮，东西红灯亮。同时东西数码管从24开始倒计时，南北不设数显电路，东西24秒倒计时完成后，改为从4开始倒计时，东西红灯熄灭，黄灯亮，南北的红灯继续亮。这时东西4秒倒计时完成后，数显变成24等待下一个循环的开始倒计时，实验结果跟理论分析一样。2、由于时间关系，模拟路口汽车驾驶情况，这项我们没有完成。六、结论1.计数电路调试及实验结果分析24循环过后回复计数不正常。经过检查发现问题原因：1.显示最大数不对，是由于74LS192置数端不对，初始值错误2.显示乱码原因可能是由于与CD4511译码器接口不对。3.计数器不工作（不倒计时）电路连接不稳定，注意查线，保证线路的正确性。2.秒脉冲、分频电路调试及实验结果分析秒冲发生器电路是由555定时电路控制的。利用的是555构成的多谐振荡器。由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，输出信号的时间参数是T＝tw1＋tw2，tw1＝0.7(R1＋R2)C[3]，要使电路的时间脉冲时间为一秒，R1为5.1K欧，R2为5.1K欧，电容C为100UF。初次用74LS74接四分频电路由于未考虑到74LS74是异步