“交通燈控制與顯示電路”綜合設計實驗

一、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．掌握數字電路的安裝和調試方法。二、實驗說明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。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。三、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、集成數據選擇器、集成計數器等。2．CPLD/FPGA可編程器件。“交通燈控制與顯示電路”綜合設計實驗（1）——方案設計（課外完成）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1二、功能分析1．基本功能（見前面圖）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。（2）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的情況不符合預定要求。三、設計任務與要求

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、設計思路：1．參考圖1，定義交通燈的狀態，確定狀態表；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狀態轉換圖2、、設設計計的的系系統統模模塊塊框框圖圖分分為為兩兩部部分分：第一一部部分分：組合合邏邏輯輯電電路路部部分分解決決三三個個問問題題：（1））不不同同狀狀態態下下交交通通燈燈的的控控制制；；（2））交交通通燈燈燈燈亮亮時時間間的的預預置置；；（3））交交通通燈燈燈燈亮亮時時間間的的顯顯示示。。狀態輸入狀態譯碼、輸出電路交通燈單元（6對）燈亮時間預置電路計時顯示電路（兩位）第二二部部分分：時序序邏邏輯輯電電路路部部分分解決決兩兩個個問問題題：（1））交交通通燈燈燈燈亮亮時時間間的的倒倒計計時時；；（2））交交通通燈燈不不同同狀狀態態的的產產生生及及其其轉轉換換；；狀態產生及其轉換電路時間倒計時電路時間顯示狀態輸出時間預置電路“交交通通燈燈控控制制與與顯顯示示電電路路””綜綜合合設設計計實實驗驗（（2））———組合合邏邏輯輯電電路路設設計計一、、任任務務與與要要求求由數數據據選選擇擇器器、、譯譯碼碼器器和和集集成成門門等等集集成成電電路路器器件件設設計計““交交通通燈燈控控制制與與顯顯示示電電路路””中中的的組合合邏邏輯輯電電路路部部分分，具具體體要要求求如如下下：：（1））將將狀狀態態信信號號譯譯碼碼為為東東西西、、南南北北方方向向6對對交交通通燈燈的的控控制制信信號號，，實實現現正正常常時時序序控控制制功功能能；；（2））特特殊殊狀狀態態期期間間，，東東西西、、南南北北兩兩個個方方向向的的紅紅燈燈同同時時發發亮亮，，實實現現特特殊殊狀狀態態控控制制功功能能；；（3）將將東西方方向、南南北方向向的燈亮亮時間分分別用數數碼管顯顯示；（4）根根據不同同的狀態態信號分分別預置置相應的的燈亮時時間數據據Te、、Ty、、Ts和和Ty，，其范圍圍為00～99s，2位BCD碼形形式；（5）寫寫出設計計步驟，，畫出設設計的邏邏輯電路路圖；（6）對對設計的的電路進進行仿真真、修改改，使仿仿真結果果達到設設計要求求；（7）安安裝并測測試電路路的邏輯輯功能。。二、設計計思路：：主要解決決三個問問題：（1）不不同狀態態下交通通燈的控控制；（2）交交通燈燈燈亮時間間的預置置；（3）交交通燈燈燈亮時間間的顯示示。狀態輸入狀態譯碼、輸出電路交通燈單元（6對）燈亮時間預置電路計時顯示電路（兩位）（1）狀狀態譯碼碼電路、、輸出電電路及其其交通燈燈單元的的設計思思路該電路的的主要功功能是依依據不同同的狀態態信號實實現對交交通燈的的控制。。其設計計框圖如如圖所示示。“狀態譯譯碼電路路”采用用二進制制譯碼器器74LS138實現；“輸出電電路”采采用集成邏輯輯門實現；“交通燈燈單元””采用普普通的紅紅色、綠綠色和黃黃色發光二極極管；“接口電電路”起起信號驅驅動作用用，視實實驗情況況的不同同選用。。設燈亮為為“1””，燈滅滅為“0”，交交通燈的的4種狀狀態S0～S3分別編編碼為00、01、10、11，特殊狀態態用S表表示，進入特特殊狀態態為“1”，這這時兩兩個方向向的紅燈燈同時點點亮，正正常狀態態為“0”。則則可列出真真值表（（學生做做）。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）SA1A0SQ0SQ1SQ2SQ3EGEREYSGSRSY1xx11110100100000111100010001101100101001011010101000111110010001（2）時時間預置置電路的的設計思思路該電路的的主要功功能是依據不同同的狀態態信號輸輸入相應應的時間間預置數數據，從而確確定交通通燈的燈燈亮時間間。狀態A1A0運行時間十位預置數據BCD碼個位預置數據BCD碼00Te（20s）0010000001Ty（5s）0000010110Ts（10s）0001000011Ty（5s）00000101時間預置置電路的的設計框框圖（3）計計時顯示示電路的的設計思思路將倒計時時電路產產生的輸輸出經顯示譯碼碼器CD4511和數碼管管進行顯顯示。三、原理理圖繪制制與電路路仿真用proteus軟件件繪制出出該電路路的原理理圖，對對所設計計的電路路進行仿仿真實驗驗。在仿真過過程中，，分別改改變狀態信號號及特殊殊狀態信信號，驗證電電路的邏邏輯功能能是否達達到設計計要求。。四、電路路安裝與與調試1.電電路布局局在多孔電電路實驗驗板上裝裝配電路路時，首首先應熟熟悉其結結構。明明確哪些些孔眼是是連通的的，并安安排好電電源正、、負引出出線在實實驗板上上的位置置。電路布局局時應安安排好各各個集成成塊的位位置，以以方便連連線為原原則。電電路與外外接儀器器的連接接端、測測試端要要布置合合理，便便于操作作。狀態態信號、、預置數數據的輸輸入端點點應方便便改變其其電平。。2．安裝裝與調試試方法電路安裝裝前，要要先檢測測所用集集成電路路及其它它元器件件的好壞壞。安裝裝完成后后，要用用萬用表表檢測電電路接觸觸是否可可靠、電電源電壓壓大小、、極性是是否正確確。一切切正常后后才能通通電調試試。實驗調試試時，注注意發光光二極管管不能過過亮。如如果過亮亮，可串串接一個個100歐左右右的限流流電阻。。調試過程程中，最最好分塊進行行，如首先先調試““狀態譯譯碼電路路”、然然后調調試“輸輸出電路路及其交交通燈單單元”，，最后調調試“時時間預置置電路””。五、設計計、仿真真及實驗驗問題研研究六、設計計與測試試報告要要求見實驗電電子文檔檔。“交通燈燈控制與與顯示電電路”綜綜合設計計實驗（（3）——時序邏輯輯電路設設計一、任務務與要求求由集成觸觸發器、、集成計計數器等等集成器器件設計計“交通通燈控制制電路””中的時序邏輯輯電路部部分，并在實實驗（2）的基基礎上完完成整個個控制電電路的調調試。具具體要求求如下：：（1）交交通燈的的不同狀狀態轉換換時分別別產生相相應的狀狀態信號號；（2）對對交通燈燈不同狀狀態的燈燈亮時間間Te、、Ty、、Ts分分別進行行減法計計數，實實現倒計計時功能能；（3）特特殊狀狀態期間間，計時時停止；；特殊狀狀態結束束后，恢恢復正常常計時；；（4）寫寫出設計計步驟，，畫出設設計的邏邏輯電路路圖；（5）對對設計的的電路進進行仿真真、修改改，使仿仿真結果果達到設設計要求求；（6）安安裝并測測試電路路的邏輯輯功能；；（7）將將實驗（（2）、、實驗(3)電電路連接接起來，，完成整整個控制制電路的的調試。。二、設計計思路（1）時時間倒計計時電路路的設計計思路該電路在在秒信號號作用下下，分別別以不同同狀態的的燈亮時時間Te、Ty、Ts和Ty作為開開始計時時的初始始值進行行減法計計數循環環。每當當計計時時到到00時時，，向向““狀狀態態產產生生電電路路””發發出出計計時時結結束束信信號號。。改改變變這這些些初初始始值值即即可可實實現現信信號號燈燈點點亮亮時時間間修修改改的的功功能能。。采用用2片片具有有置置數數功功能能的集集成成十十進進制制加加/減減可可逆逆計計數數器器74LS192組成成時時間間倒倒計計時時電電路路。。時間間倒倒計計時時電電路路的的設設計計框框圖圖（2））狀狀態態產產生生電電路路的的設設計計思思路路該電電路路的的主主要要功功能能是是根根據據實實際際交交通通燈燈的的轉轉換換過過程程，，產產生生相相應應的的狀狀態態信信號號供其其它它電電路路使使用用。根據據設設計計思思路路，，交交通通燈燈共共有有4個個不不同同狀狀態態：：00、、01、、10和和11。。只只有有當當倒倒計計時時時時間間結結束束時時交交通通燈燈的的狀狀態態才才發發生生變變化化，，故故可可將將““時時間間倒倒計計時時電電路路””產產生生的的計時時結結束束信信號號作作為為狀狀態態變變化化的的控控制制信信號號。。為此，，將該該信號號作為為一個個同步步2位位二進進制加加計數數器的的時鐘鐘脈沖沖即可可，計計數器器采用用JK觸觸發器器或D觸發發器實現。。三、原原理圖圖繪制制與電電路仿仿真用proteus軟軟件繪繪制出出該電電路的的原理理圖，，對所所設計計的電電路進進行仿仿真實實驗。。在仿真真過程程中，，分別別手工改改變每每個狀狀態的的時間間預置置數據據，觀察察電路路的仿仿真運運行結結果；；將實驗驗（2）、、實驗驗(3)電電路連連接起起來，，驗證證電路路的邏邏輯功功能是是否達達到設設計要要求。。四、電電路安安裝