实验八 交通灯控制电路的设计

实验八交通灯控制电路的设计•一、实验目的•训练、掌握数字系统的综合设计方法；以及对各基本电路的功能运用和测试方法。•学习调试各个基本电路之间存在的问题，掌握各个基本电路之间级连和应当注意的事项；熟悉各基本电路的输入与输出应满足的条件。正确理解电路中各参数的意义。•学会在数字系统中正确使用数字集成电路。学会查阅、读懂数字集成电路手册。•进一步熟悉数字逻辑实验箱及其他仪器的使用方法。弄懂所用仪器在电路中的作用。•二、意义•为保证交通次序和行人安全，在一些重要交通地段的十字交叉路口安装有交通灯。交通灯的颜色有红、黄、绿三种，当红灯亮时，表示该方向道路上的车辆或行人禁止通行；黄灯亮时，表示该方向道路上的行人禁止通行以及未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮时，表示该方向道路上的车辆或行人允许通行；交通灯控制电路自动控制十字交叉路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，有序的指挥各种车辆和行人安全通行。实验八交通灯控制电路的设计•三、设计任务与要求•⑴．设计一个十字交叉路口交通灯自动控制电路，要求主干道和支干道两条交叉道路上的车辆交替行驶通过，每次通行时间可任意设定，现规定设为25秒。•⑵．在黄灯亮过5秒钟后，才能变换车辆通行道路方向及行人允许通过道路的方向。•⑶．在黄灯亮时，每秒钟闪亮一次，同时人行通道（斑马线）旁的报警喇叭也每秒钟响鸣一声。实验八交通灯控制电路的设计•四、设计原理与分析•1．分析系统的逻辑功能及其框图•交通灯控制系统的原理框图如图8-1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲信号发生器是系统中定时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。图中的：TL：表示主干道或支干道绿灯亮时的时间为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。在设定的时间内，TL=1，设定的时间到，TL=0。TY：表示黄灯亮的时间为5秒，在设定的时间内，TY=1，设定的时间到，TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出的状态转换信号。由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。实验八交通灯控制电路的设计图8-1交通灯控制系统的原理框图实验八交通灯控制电路的设计•2．交通灯控制器的工作流程•十字路口的交通灯控制器分为定时控制和计数控制。定时控制就是定时器按要求设置，并发出的时间起始和终了信号来进行控制；计数控制既是在十字路口安装有摄像头及分析计数或红外探测计数设备；当这类计数设备，累计到在十字路口某条路上有一定的车辆数后，便立即发出状态转换信号控制控制器，使该条路上的交通灯改变成通行信号灯亮。下面我们对定时控制十字路口的交通灯控制器进行分析。•⑴．主干道绿灯亮时，支干道红灯亮。此时主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。绿灯亮足规定时间TL后，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。•⑵．主干道黄灯亮时，支干道红灯亮。此时支干道上的车辆禁止通行，主干道上已过停车线的车辆允许通行，未过停车线的车辆禁止通行。黄灯亮足规定时间TY后，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。•⑶．主干道红灯亮时，支干道绿灯亮。支干道上的车辆允许通行；绿灯亮足规定时间TL后，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。实验八交通灯控制电路的设计•⑷．主干道红灯亮时，支干道黄灯亮。此时主干道上的车辆禁止通行，此时支干道上已过停车线的车辆允许通行，未过停车线的车辆禁止通行。黄灯亮足规定时间TY后，控制器发出状态转换信号ST，转到第⑴种工作状态。•以上4种交通灯工作状态的转换是由控制器进行控制的。设控制器对这四种状态的编码为00、01、11、10，并分别用Z0、Z1、Z2、Z3表示这四种状态，则控制器的工作四种状态及其功能见表8-1所示。控制器状态信号灯状态车道运行状态Z0（00）主道绿，支道红主道车通行，行人禁止横穿；支道禁止车通行，行人可横穿。Z1（01）主道黄，支道红主干道车缓慢行驶，支干道车禁止通行，行人准备通行Z2（11）主道红，支道绿主道禁止车通行，行人可横穿；支道车通行，行人禁止通行。Z3（10）主道红，支道黄主干道车禁止通行，支干道车缓慢行驶，行人准备通行表8-1控制器的工作状态及其功能表实验八交通灯控制电路的设计•现作如下规定：若将主干道和支干道上的红、黄、绿三色灯的控制信号分为灯的代号和灯的驱动信号，会给系统带来复杂。为了简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，即：•AG=1：主干道绿灯亮；BG=1：支干道绿灯亮；•AY=1：主干道黄灯亮；BY=1：支干道黄灯亮；•AR=1：主干道红灯亮；BR=1：支干道红灯亮；•这样可以得到交通灯的工作状态流程图，•设控制器的初始状态为Z0，当Z0的持续时间小于25秒时，TL=0，控制器保持Z0状态不变。只有当Z0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z1。按照这种判断、分析，将这四种状态的转换无限循环（不断电的情况下）。实验八交通灯控制电路的设计实验八交通灯控制电路的设计•五、预习要求与思考题•1．复习数字电子技术的数字系统设计原理。•2．复习多路数据选择器、二进制同步计数器的工作原理。•3．根据交通灯控制系统框图，设计出能够实现的原理电路，并画出完整的原理电路图。•4．在计算机上利用EWB（ElectronicsWorkBench）虚拟电子工作台——电路设计与仿真软件进行仿真分析，检验你所设计的电路，分析该电路中CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL、TY的波形及其时序关系。作出仿真分析报告。•5.系统框图中的定时电路能否用计数器芯片74LS161或者是74LS163来构成，为什么（重点说明理由）？•6．熟悉示波器、数字逻辑实验箱的使用方法。实验八交通灯控制电路的设计•六、实验内容•1．设计、连接译码电路，其输出接主干道、支干道上的6只信号灯（实验用电平指示灯代替），验证该电路的逻辑功能。•2．设计、连接秒脉冲产生电路，验证该电路的逻辑功能。•3．设计、连接定时电路，调试其应当完成的任务；当CP信号为1KHZ的方波时，按照时序对应关系画出CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL、TY的波形。•4．设计、连接控制器电路，调试其应当完成的任务；•5．完成交通灯控制系统电路的整体调试，并检测其功能。•七、主要元器件•集成电路芯片：74LS742片，74LS101片，74LS002片，•74LS1532片，74LS1632片，74LS861片，•NE5552片，•电阻：51K1只，电容：10UF1只实验八交通灯控制电路的设计•八、实验报告要求•1．画出完整的实验电路的工作原理图，表明各元件的参数值。熟悉所用集成电路的引脚的功能、位置及其使用规则。•2．写出相应的逻辑表达式、逻辑电路图。•3．绘出实验中的时序波形，整理实验数据，并说明其意义。•4．写出在实验过程中出现的故障现象及解决的方法。•5．请在计算机上用EWB（ElectricalWorkBench）或PSPICE软件进行仿真，•九、电路设计参考与提示••1．定时器•定时器应与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态转换信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行加1计数，向控制器提供5秒的黄灯定时信号TY和25秒的红灯或绿灯定时信号TL。实验八交通灯控制电路的设计•现在，我们选用计数器74LS163进行设计。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零，同步置数的功能。74LS163的引脚及其功能如图8-1、功能表见表8-1；建议定时器用两片计数器74LS163来设计，下图为定时器参考电路图。实验八交通灯控制电路的设计2．控制器•控制器是交通管理的核心，它应该按照交通管理规则控制信号灯，能够满足控制系统的工作状态进行交通信号灯的状态转换。根据交通灯的工作状态流程图，可以列出控制器的状态转换表，见下表：选用74LS74（双D触发器）构成时序寄存器，它们的输出作为控制器的状态转换的4种状态；控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器的输出状态处于状态时，如果TL=0，则控制器保持在00状态；如果TL=1，则控制器转换到状态。但这两种情况与条件TY无关，所以用无关项“”表示。同理可以推出其他几种情况的关系状态。•同时根据交通灯的控制器状态转换表，可以推出方程和转换信号方程；即将控制器的输出状态、和ST为1的项所对应的输入或状态条件变量相与，其中“1”用原变量表示，“0”用反变量表示，然后将各与的项再相或，既有：0001nnQQ011011nnQQ11nQ10nQ实验八交通灯控制电路的设计•三个方程，我们选用4选一数据选择器（74LS153）来实现74LS74中两个D触发器的输入函数，将触发器的初始状态值、•加到74LS153的数据选择端作为控制信号，这样即可实现控制器的功能。设计中考虑到上电（打开电源开关时）自动复位的问题，这里可以用R、C构成。•3．声响提示电路•声响电路由控制器的工作四种状态中的Z1、Z3两种状态时的灯驱动信号提供信号；因此，用一片74LS68来构成选取“01”或“10”信号到来时，它的输出能够提供一个脉冲信号给声响驱动电路。驱动电路可用555时基电路构成单稳态触发器，即可在黄灯亮时，每秒钟闪亮一次，同时人行通道（斑马线）旁的报警喇叭也每秒钟响鸣一声。LnnnnLnnnTQQQQTQQQ0101010YnnnnYnnnTQQQQTQQQ01010111YnnLnnYnnLnnTTQQTQQTQQTQQS01010101nQ1nQ0