1、精選優質文檔-傾情為你奉上精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業專心-專注-專業精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業“交通燈控制與顯示電路”綜合設計實驗任務與要求 ：1.設計一個交通信號燈控制器2.由一條主干道和一條支干道匯合成十字路口，在每個入口處設置紅，綠，黃三色信號燈，紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮則給行駛中的車輛有時間停在禁行線外。3.主干道每次放行30秒。支干道每次放行15秒；4.在每次由綠燈亮到紅燈亮的轉換過程中，要亮3秒黃燈作為過渡實驗目的1掌握組合邏輯電路的設計方法；2掌握時序邏輯電路的設計方法；3初步具備數字系統的綜合設計能力；4學會數字電路的軟件仿真；5掌

2、握數字電路的安裝和調試方法。實驗說明1該綜合實驗按分步實施方式進行。全部實驗分為四部分：第一，方案設計；第二，組合邏輯電路的設計與實現；第三，時序邏輯電路的設計與實現；第四，采用CPLD/FPGA可編程器件實現整個實驗。2該綜合設計實驗采取課內外結合的方式。第一部分實驗要求在課外完成，在數字電子技術課程的理論教學之初布置綜合設計實驗的第一部分內容，學生邊學習理論課程，邊思考，逐步完成方案設計；第二部分實驗主要在實驗課內完成，安排在組合邏輯電路理論教學內容結束后進行；第三部分實驗主要在實驗課內完成，安排在時序邏輯電路理論教學內容結束后進行；第四部分實驗主要在實驗課內完成，安排在CPLD/FPGA

3、可編程器件理論教學內容結束后進行。3該綜合設計實驗采用理論設計、軟件仿真和電路安裝與調試三步走，以提高學生的綜合設計與實踐動手能力。實驗元器件該綜合實驗采取兩種不同的技術手段實現：1常用中、小規模數字電路：集成邏輯門、集成編碼器、集成譯碼器、集成數字選擇器、集成計數器等。2CPLD/FPGA可編程器件。元件清單： 2個74LS74 1個74LS138 3個74LS153 2個74LS192 2個4511 4個Traffic Lights 7SEG-BCD 7SEG-COM-CATHODE 74LS04 74LS08 74LS11 74LS21 74LS32 74LS11 4072 CLOCK

4、RES SW-SPD-MOM“交通燈控制與顯示電路”綜合設計實驗（1）方案設計一、問題描述設計并實現一十字路口的紅、綠、黃三色交通燈控制與顯示電路，即每個路口設置一組紅、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 正常情況下交通燈狀態示意圖二、功能分析1基本功能根據需求描述，系統應具有如下基本功能：系統工作時，東西方向綠燈亮時，南北方向紅燈亮，該信號燈點亮時間可自由設定(設定范圍為0099s)，同時點亮時間進行倒計時顯示；當時間減為00時，東西方向綠燈熄滅，黃燈同時點亮，并維持數秒，南北方向仍為紅燈亮；當倒計時顯示減為00時，東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮，點亮時間仍可自

5、由設定；當倒計時顯示減為00時，南北方向綠燈熄滅，黃燈同時點亮，并維持數秒，東西方向仍為紅燈亮。當倒計時顯示減為00時，系統狀態進入下一個周期，以后周而復始的循環。2擴展功能（1）特殊狀態控制功能特殊狀態如緊急車輛隨時通行功能受一開關控制，無急車時，信號燈按正常時序控制。有急車來時，將特殊狀態開關按下，不管原來信號燈的狀態如何，一律強制讓兩個方向的紅燈同時點亮，禁止其它車輛通行，同時計時停止；特殊狀態結束后，恢復原來狀態繼續運行。信號燈點亮時間預置功能控制電路在任何時候可根據實際情況修改信號燈點亮時間。（3）各路口交通燈故障報警功能（選做）交通燈控制電路發出警報，說明各路口交通燈同時熄滅或點亮

6、的情況不符合預定要求。三、設計任務與要求正常情況下，十字路口的紅、綠、黃三色信號交通燈有如圖1所示4種情況，假設東西方向的綠燈點亮時間為Te ，同時也是南北方向的禁行時間；南北方向的綠燈點亮時間為Ts ，同時也是東西方向的禁行時間；此外，東西、南北方向的黃燈點亮時間均為Ty 。1參考圖1，定義交通燈的狀態，確定狀態表；2根據實際交通燈轉換過程，設計交通燈的狀態轉換圖；3按交通燈的功能要求，設計系統的電路模塊圖。四、設計方案根據上述設計要求，交通燈共有4種狀態如表1所示。該電路根據東西、南北方向的燈亮時間Te、Ts和Ty產生這些狀態并對它們進行有序的控制。相應的狀態轉換圖如圖1所示。系統模塊框圖

7、如圖2所示。表1 狀態表狀態東西方向南北方向時間（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圖1 交通燈狀態轉換圖組合邏輯電路部分狀態譯碼電路A0A1SSQ0SQ1SQ2SQ3接 口 電 路交通燈單元（6對）輸 出 電 路紅燈黃燈綠燈東西紅燈黃燈綠燈南北特殊狀態計時顯示電路（兩位）南北方向計時顯示電路（兩位）東西方向時間預置電路（2位BCD碼）狀態產生電路Ts計時結束Ty計時結束Te計時結束TsTyTe秒信號產生電路時序邏輯電路部分Ty時間倒計時電路圖2 系統模塊圖圖2所示系統模塊框圖中各電路模塊的作用如下：（1）狀態譯碼及輸出電路將狀態產生電路的輸出

8、狀態信號A1A0譯碼為東西、南北方向6對交通燈的控制信號。（2）時間預置電路該電路根據4種不同的狀態信號A1A0分別預置相應的燈亮時間數據Te、Ty、Ts和Ty，作為開始計時的初始值，改變這些初始值可實現信號燈點亮時間修改的功能。（3）時間倒計時電路該電路在秒信號作用下，對不同狀態的燈亮時間Te、Ty、Ts和Ty分別進行減法計數循環，實現倒計時功能。每當計時到00時，向狀態產生電路發出計時結束信號。（4）狀態產生電路該電路根據計時結束信號分別產生交通燈的4種不同狀態信號A1A0。（5）計時顯示電路采用數碼管將燈亮時間Te、Ty、Ts和Ty進行實時顯示。“交通燈控制與顯示電路”綜合設計實驗（2）

9、組合邏輯電路設計任務與要求由數據選擇器、譯碼器和集成門等集成電路器件設計“交通燈控制與顯示電路”中的組合邏輯電路部分，即“狀態譯碼電路”、“輸出電路及其交通燈單元”、“時間預置電路”和“計時顯示電路”。具體要求如下：（1）將狀態信號譯碼為東西、南北方向6對交通燈的控制信號，實現正常時序控制功能；（2）特殊狀態期間，東西、南北兩個方向的紅燈同時發亮，實現特殊狀態控制功能； （3）將東西方向、南北方向的燈亮時間分別用數碼管顯示； （4）根據不同的狀態信號分別預置相應的燈亮時間數據Te、Ty、Ts和Ty，其范圍為0099s，2位BCD碼形式；（5）寫出設計步驟，畫出設計的邏輯電路圖；（6）對設計的電

10、路進行仿真、修改，使仿真結果達到設計要求；（7）安裝并測試電路的邏輯功能。實驗電路設計思路（1）狀態譯碼電路、輸出電路及其交通燈單元的設計思路該電路的主要功能是依據不同的狀態信號實現對交通燈的控制。設燈亮為“1”，燈滅為“0”，交通燈的4種狀態S0S3分別編碼為00、01、10、11，特殊狀態用S表示，進入特殊狀態為“1”， 這時兩個方向的紅燈同時點亮，正常狀態為“0”。則其真值表如表2所示。表2狀態譯碼及輸出電路信號關系特殊狀態正常狀態（4種）狀態指示信號（4種）東西方向交通燈（3種）南北方向交通燈（3種）SA1A0SQ0SQ1SQ2SQ3EGEREYSGSRSY1xx11110100100

11、000111100010001101100101001011010101000111110010001由上述真值表可知，狀態指示信號SQ0SQ3與狀態信號A1A0之間的邏輯關系可由二進制譯碼器74LS138實現；交通燈的控制信號EG、ER、EY、SG、SR、SY與狀態指示信號SQ0SQ3之間的邏輯關系可由集成邏輯門實現；“交通燈單元”采用紅色、綠色和黃色發光二極管。其設計框圖如圖3所示。狀態信號A1A0輸入特殊狀態控制S狀態譯碼電路A0A1SSQ0SQ1SQ2SQ3接 口 電 路交通燈單元（6對）輸 出 電 路紅燈黃燈綠燈東西紅燈黃燈綠燈南北EGEYERSGSYSR 圖3 設計框圖一（2）時間

12、預置電路的設計思路該電路的主要功能是依據不同的狀態信號輸入相應的時間預置數據，從而確定交通燈的燈亮時間。根據設計要求，時間預置電路應滿足如表3所示關系表。因此該電路可由4片集成數據選擇器74LS153實現，其設計框圖如圖4所示。表3 預置時間數據與狀態關系表 狀態A1A0運行時間十位預置數據BCD碼個位預置數據BCD碼備注00Te （20s） 0010000001Ty（5s）0000010110Ts（10s）0001000011Ty（5s）00000101Te、Ty、Ts和Ty十位預置數據BCD碼Te、Ty、Ts和Ty個位預置數據BCD碼數據選擇電路十位預置數據BCD碼輸出個位預置數據BCD碼

13、輸出狀態信號A1A0輸入圖4 設計框圖二（3）計時顯示電路的設計思路 將倒計時電路產生的輸出經顯示譯碼器CD4511和數碼管進行顯示。原理圖繪制與電路仿真用proteus軟件繪制出該電路的原理圖，對所設計的電路進行仿真實驗。在仿真過程中，分別改變狀態信號及特殊狀態信號，驗證電路的邏輯功能是否達到設計要求。電路安裝與調試電路布局 在多孔電路實驗板上裝配電路時，首先應熟悉其結構。明確哪些孔眼是連通的，并安排好電源正、負引出線在實驗板上的位置。電路布局時應安排好各個集成塊的位置，以方便連線為原則。電路與外接儀器的連接端、測試端要布置合理，便于操作。狀態信號、預置數據的輸入端點應方便改變其電平。 2安

14、裝與調試方法電路安裝前，要先檢測所用集成電路及其它元器件的好壞。安裝完成后，要用萬用表檢測電路接觸是否可靠、電源電壓大小、極性是否正確。一切正常后才能通電調試。實驗調試時，注意發光二極管不能過亮。如果過亮，可串接一個100歐左右的限流電阻。調試過程中，最好分塊進行，如首先調試“狀態譯碼電路”、 然后調試“輸出電路及其交通燈單元”，最后調試“時間預置電路”。設計、仿真及實驗問題研究如何實現特殊狀態控制功能？如果采用二進制譯碼器74LS139可實現“狀態譯碼電路”嗎？請畫出其邏輯電路圖。如果“輸出電路”不能正常驅動發光二極管發亮， 應如何設計圖3中的“接口電路”？如何實現“時間預置電路”中預置數據

15、直接采用十進制形式？畫出其邏輯電路圖并列出所需器件清單。設計與測試報告要求課題完成后應認真撰寫設計與測試報告，其主要內容如下：課題的任務及要求。課題分析與方案選擇。對課題認真分析，正確理解，明確設計思路。通過各種可實現的電路原理、特點分析，方案類比，選擇最佳實現電路。集成電路及元器件選擇。對設計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值。原理圖繪制及仿真。用Proteus軟件繪出電原理圖，詳細標明各集成電路及元器件的型號，并給出有關原理圖的適當注釋。實驗測試、問題分析與研究。實驗設備清單（名稱、型號、數量等）；安裝及調試過程簡介；故障分析及解決辦法；第五項中的問題解

16、答。總結。總結所設計課題存在的問題，提出改進的設想；完成本課題后的收獲、體會和建議。“交通燈控制與顯示電路”綜合設計實驗（3）時序邏輯電路設計任務與要求由集成觸發器、集成計數器等集成器件設計“交通燈控制電路”中的時序邏輯電路部分，即“狀態產生電路”和“時間倒計時電路”。并在實驗（2）的基礎上完成整個控制電路的調試。具體要求如下：（1）交通燈的不同狀態轉換時分別產生相應的狀態信號；（2）對交通燈不同狀態的燈亮時間Te、Ty、Ts分別進行減法計數，實現倒計時功能； (3) 特殊狀態期間，計時停止；特殊狀態結束后，恢復正常計時；（4）寫出設計步驟，畫出設計的邏輯電路圖；（5）對設計的電路進行仿真、修

17、改，使仿真結果達到設計要求；（6）安裝并測試電路的邏輯功能；（7）將實驗（2）、實驗(3)電路連接起來，完成整個控制電路的調試。實驗電路設計思路在實驗（2）的基礎上完成本部分實驗電路的設計。（1）時間倒計時電路的設計思路該電路在秒信號作用下，分別以不同狀態的燈亮時間Te、Ty、Ts和Ty作為開始計時的初始值進行減法計數循環。每當計時到00時，向“狀態產生電路”發出計時結束信號。改變這些初始值即可實現信號燈點亮時間修改的功能。采用2片具有置數功能的集成十進制加/減可逆計數器74LS192組成時間倒計時電路。其設計框圖如圖5所示。十位預置數據輸入BCD碼輸出Q3Q0計時顯示電路74LS192(十位

18、)借位信號TCD計時結束信號置數信號TeTyTsTy減法級聯BCD碼輸出Q3Q0個位預置數據輸入計時顯示電路74LS192(個位)秒信號產生電路圖5 設計框圖三（3）狀態產生電路的設計思路該電路的主要功能是根據實際交通燈的轉換過程，產生相應的狀態信號供其它電路使用。根據設計思路，交通燈共有4個不同狀態：00、01、10和11。只有當倒計時時間結束時交通燈的狀態才發生變化，故可將“時間倒計時電路”產生的計時結束信號作為狀態變化的控制信號。為此，將該信號作為一個同步2位二進制加計數器的時鐘脈沖即可，計數器采用JK觸發器或D觸發器實現。其設計框圖如圖6所示。同步2位二進制加計數器CP脈沖時間倒計時電

19、路計時結束信號TeTyTsTy狀態信號A1A0圖6設計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，對所設計的電路進行仿真實驗。在仿真過程中，分別手工改變每個狀態的時間預置數據，觀察電路的仿真運行結果；將實驗（2）、實驗(3)電路連接起來，驗證電路的邏輯功能是否達到設計要求。電路安裝與調試電路布局 在多孔電路實驗板上裝配電路時，首先應熟悉其結構。明確哪些孔眼是連通的，并安排好電源正、負引出線在實驗板上的位置。電路布局時應安排好各個集成塊的位置，以方便連線為原則。電路與外接儀器的連接端、測試端要布置合理，便于操作。該電路與實驗（1）電路之間的接口應方便連線，最好在各自的連接線上做好標記。安裝與調試方法電路安裝前，首先檢測所用集成電路及其它元器件的好壞。安裝完成后，要用萬用表檢測電路接觸是否可靠、電源電壓大小、極性是否正確。一切正常后才能通電調試