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、设计的系统模块框图分为两部分：第一部分：组合逻辑电路部分解决三个问题：（1）不同状态下交通灯的控制；（2）交通灯灯亮时间的预置；（3）交通灯灯亮时间的显示。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）第二部分：时序逻辑电路部分解决两个问题：（1）交通灯灯亮时间的倒计时；（2）交通灯不同状态的产生及其转换；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“交通灯控制与显示电路”综合设计实验（2）——组合逻辑电路设计一、任务与要求由数据选择器、译码器和集成门等集成电路器件设计“交通灯控制与显示电路”中的组合逻辑电路部分，具体要求如下：（1）将状态信号译码为东西、南北方向6对交通灯的控制信号，实现正常时序控制功能；（2）特殊状态期间，东西、南北两个方向的红灯同时发亮，实现特殊状态控制功能；（3）将东西方向、南北方向的灯亮时间分别用数码管显示；（4）根据不同的状态信号分别预置相应的灯亮时间数据Te、Ty、Ts和Ty，其范围为00～99s，2位BCD码形式；（5）写出设计步骤，画出设计的逻辑电路图；（6）对设计的电路进行仿真、修改，使仿真结果达到设计要求；（7）安装并测试电路的逻辑功能。二、设计思路：主要解决三个问题：（1）不同状态下交通灯的控制；（2）交通灯灯亮时间的预置；（3）交通灯灯亮时间的显示。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）状态译码电路、输出电路及其交通灯单元的设计思路该电路的主要功能是依据不同的状态信号实现对交通灯的控制。其设计框图如图所示。“状态译码电路”采用二进制译码器74LS138实现；“输出电路”采用集成逻辑门实现；“交通灯单元”采用普通的红色、绿色和黄色发光二极管；“接口电路”起信号驱动作用，视实验情况的不同选用。设灯亮为“1”，灯灭为“0”，交通灯的4种状态S0～S3分别编码为00、01、10、11，特殊状态用S表示，进入特殊状态为“1”，这时两个方向的红灯同时点亮，正常状态为“0”。则可列出真值表（学生做）。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）时间预置电路的设计思路该电路的主要功能是依据不同的状态信号输入相应的时间预置数据，从而确定交通灯的灯亮时间。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时间预置电路的设计框图（3）计时显示电路的设计思路将倒计时电路产生的输出经显示译码器CD4511和数码管进行显示。三、原理图绘制与电路仿真用proteus软件绘制出该电路的原理图，对所设计的电路进行仿真实验。在仿真过程中，分别改变状态信号及特殊状态信号，验证电路的逻辑功能是否达到设计要求。四、电路安装与调试1.电路布局在多孔电路实验板上装配电路时，首先应熟悉其结构。明确哪些孔眼是连通的，并安排好电源正、负引出线在实验板上的位置。电路布局时应安排好各个集成块的位置，以方便连线为原则。电路与外接仪器的连接端、测试端要布置合理，便于操作。状态信号、预置数据的输入端点应方便改变其电平。2．安装与调试方法电路安装前，要先检测所用集成电路及其它元器件的好坏。安装完成后，要用万用表检测电路接触是否可靠、电源电压大小、极性是否正确。一切正常后才能通电调试。实验调试时，注意发光二极管不能过亮。如果过亮，可串接一个100欧左右的限流电阻。调试过程中，最好分块进行，如首先调试“状态译码电路”、然后调试“输出电路及其交通灯单元”，最后调试“时间预置电路”。五、设计、仿真及实验问题研究六、设计与测试报告要求见实验电子文档。“交通灯控制与显示电路”综合设计实验（3）——时序逻辑电路设计一、任务与要求由集成触发器、集成计数器等集成器件设计“交通灯控制电路”中的时序逻辑电路部分，并在实验（2）的基础上完成整个控制电路的调试。具体要求如下：（1）交通灯的不同状态转换时分别产生相应的状态信号；（2）对交通灯不同状态的灯亮时间Te、Ty、Ts分别进行减法计数，实现倒计时功能；（3）特殊状态期间，计时停止；特殊状态结束后，恢复正常计时；（4）写出设计步骤，画出设计的逻辑电路图；（5）对设计的电路进行仿真、修改，使仿真结果达到设计要求；（6）安装并测试电路的逻辑功能；（7）将实验（2）、实验(3)电路连接起来，完成整个控制电路的调试。二、设计思路（1）时间倒计时电路的设计思路该电路在秒信号作用下，分别以不同状态的灯亮时间Te、Ty、Ts和Ty作为开始计时的初始值进行减法计数循环。每当计时到00时，向“状态产生电路”发出计时结束信号。改变这些初始值即可实现信号灯点亮时间修改的功能。采用2片具有置数功能的集成十进制加/减可逆计数器74LS192组成时间倒计时电路。时间倒计时电路的设计框图（2）状态产生电路的设计思路该电路的主要功能是根据实际交通灯的转换过程，产生相应的状态信号供其它电路使用。根据设计思路，交通灯共有4个不同状态：00、01、10和11。只有当倒计时时间结束时交通灯的状态才发生变化，故可将“时间倒计时电路”产生的计时结束信号作为状态变化的控制信号。为此，将该信号作为一个同步2位二进制加计数器的时钟脉冲即可，计数器采用JK触发器或D触发器实现。三、原理图绘制与电路仿真用proteus软件绘制出该电路的原理图，对所设计的电路进行仿真实验。在仿真过程中，分别手工改变每个状态的时间预置数据，观察电路的仿真运行结果；将实验（2）、实验(3)电路连接起来，验证电路的逻辑功能是否达到设计要求。四、电路安装与调试该电路与实验（1）电路之间的接口应方便连线，最好在各自的连接线上做好标记。电路安装前，首先检测所用集成电路及其它元器件的好坏。安装完成后，要用万用表检测电路接触是否可靠、电源电压大小、极性是否正确。一切正常后才能通电调试。实验调试时，利用实验室信号源产生秒脉冲信号。分步调试：（1）手工设置某一时间预置数据，调试“时间倒计时电路”；（2）调试“状态产生电路”；（3）将实验（2）、实验（3）电路连接起来，完成整个控制电路的调试。五、设计、仿真及实验问题研究六、设计与测试报告要求见实验电子文档。