基于quartus II的交通灯设计

天津大学自动化学院电子课程设计报告专业：电气工程及其自动化年级：班级：学号：姓名：同组实验人：-1-交通灯电路设计一、设计任务及要求由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁行线内。该交通灯利用QuartusII完成原理图设计和电路仿真，并在GW48-CK实验开发系统上进行实验验证。1.设计任务（基本任务）1)交通灯由绿、黄、红灯组成；绿灯亮表示放行，红灯亮表示禁行。2)主、支干道交替通行，主道每次放行（绿灯常亮）30秒，支道每次放行20秒；当绿灯变红灯时，黄灯先常亮5秒，此时另一干道上的红灯不变。3)倒计时数字显示提示时间。具体要求：主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。2.设计任务（附加任务）1)当绿灯变红灯过程中，倒计时最后5秒绿灯闪烁，闪烁频率1Hz。2)要求主、支干通道通行时间及黄灯亮的时间均可在0～99S内任意设定。3.设计要求根据技术指标，选择元件，设计出原理电路图。二、原理框图-2-三、单元电路设计1.计时器（减法计数器）以两个74ls190级联构成两位十进制计数器来实现0~99内的减法计数。给两片74190的加/减计数控制信号端DNUP加高电平，使计数器工作在减计数状态。低位计数器使能端接地，用同一个时钟信号对两个计数器进行计数控制。低位计数器最大最小端MXMN经过非门连接到高位计数器的使能端。当低位计数器到零时，其最大最小端信号由原来的低电平变为高电平，经由非门取反后输出到高位使能端。此时高位使能端信号由高电平变为低电平，高位计数器开始工作。下一个时钟上升沿到来时，两个计数器同时进行减一计数，低位计数器最大最小端信号由高电平变为低电平，进而使高位计数器使能端信号变为高电平，即“锁”住了高位计数。直到低位计数器再次减到零，高位计数器才有机会再次工作。两个计数器的置位端LDN都由高位计数器的行波时钟输出端RCON的信号与硬件上高低电平发生器的信号经过与门进行控制。电平发生器信号为零时，计数器重复置数，可以看作使计数器暂停工作。假设高位计数器计数为一，低位计数器为零，下一个时钟信号上升沿到来时，低位计数器变为九，高位计数器变为零，低位计数器最大最小端MXMN信号由高电平变为低电平，高位计数器被-3-“锁”，所以时钟信号的下降沿无法使高位计数器RCON端产生脉冲信号。假设高位计数器计数为零，低位计数器计数为一，下一个时钟上升沿到来，低位计数器计数为零，使高位计数器可以工作，时钟下降沿到来时，高位计数器RCON端发出一个负脉冲，使两个计数器置数，换句话说，两个计数器都减到零时可以置数。由实验要求可知红灯的计时器计时时间总是比绿灯的长5s，而绿灯的计时时间恰好都为整十数，即置数时绿灯的低位计数器总是置入0。利用这一特点，将红灯的减法计数器的低位置入数固定为5，高位置数端连绿灯计数器的高位置数端，即可使红灯计时器的计时时间总等于另一路黄灯和绿灯的计时时间之和。2.状态控制器（JK触发器）由设计要求可知，状态控制电路一共需要控制主干道绿黄红灯和支干道绿黄红灯的亮灭，一共需要有六种状态。但是经过分析后发现，可以通过每条道路上的黄绿灯的控制信号相或取反来控制红灯（即一条道路上黄绿灯都熄灭时，红灯一定处于亮的状态）。所以实际上只需要控制两条道路上各自的黄绿灯亮灭即可，即触发电路一共需要四种状态。使用两个JK触发器级联来实现四种状态-4-的控制转换。为这四种状态作编号如下：主干道支干道绿灯黄灯绿灯黄灯00011011显然控制触发器状态翻转的信号应该是来自计数器的某个计数完毕的状态标志信号，设此输入信号为X。画出状态转换图如下：由状态转换图画出状态转换表，由状态转换表得到状态转换方程：nnnnnnnnnXQQXQXQQQQQXQ00101010111通过与JK触发器的特性方程比较，将以上方程化成JK触发器的标准特性方程：nnnnnnnXQQXQQQXQQXQ001010101n1)()(由以上特性方程可知：触发器JK1：n0QXKJ触发器JK2：XKJ由上式设计的状态控制器如图：-5-3.状态译码状态控制部分输出有00、01、10、11四种状态，可以采用双2-4线译码器74LS139，使能端G1N接地，A1、B1接状态控制部分输出。因为译码器输出为低电平有效，所以输出信号还需经一个非门再输出到对应信号灯上。当绿灯黄灯都不亮时，红灯亮，黄灯或绿灯亮时，红灯不亮。所以NYNYNRNYNYMR1312,1110输入输出主干道亮的灯支干道亮的灯----------------Y10N----------------Y11N----------------Y12N----------------Y13N000111MGNR011011MY101101MRNG111110NY注：MR-主干道红灯；MG-主干道绿灯；MY-主干道黄灯；NR-支干道红灯；NG-支干道绿灯；NY-支干道黄灯。-6-4.绿灯闪烁控制任务要求绿灯频率为1HZ，可以考虑使用公共时钟信号来控制灯的闪烁。另外要求倒数5秒时闪烁，此时就需要判断两个计数器的值是否小于等于5，或者说是否小于6。选用两片级联的集成数值比较器74LS85对计数器输出的值(A端输入)与06(B端输入)进行比较判断。计数器数值不小于06时，高位比较器ALBO（AB）端输出信号为低电平；计数器数值小于06时，ALBO端输出信号变为高电平。高位比较器的ALBO端信号作为判断信号，与时钟信号一起经过与非门。ALBO端信号为低电平时，输出信号一直为高电平，时钟信号不能通过，绿灯的状态由状态译码部分绿灯的信号进行控制；ALBO端信号为高电平时，输出信号为时钟信号，进而通过与门控制绿灯闪烁。绿灯信号为低电平时，绿灯始终不亮，即在其它绿黄灯计数倒计时5秒时该灯也不会亮。绿灯信号为高电平时，在时钟信号为高电平时亮，低电平时不亮，即达到了倒计时5秒闪烁的要求。-7-5.置数控制电路采用两片74LS147(10线-4线优先编码器)给计数器置数。预置的数由状态译码部分的74LS139的四个输出信号Y10N~Y13N决定。-8-6.显示译码黄绿灯计数器红灯计数器的输出都接显示译码电路，但是由于主干道和支干道使用同一组计数器计时，故需要通过选择电路将时间显示在相应的道路上。当主干道的绿灯和黄灯亮时JK触发器的状态为00和01，故以触发器输出信号1Q作为显示译码电路的选择信号。记黄绿灯计数器输出为1C，红灯计数器输出为2C，输入主干道和支干道显示译码器的信号分别为1P、2P，选择原理如下式：1211212111QCQCPQCQCP由上式易知，当1Q=0（即主干道黄/绿灯亮时），主干道显示器显示主干道的剩余通行时间，支干道显示器显示支干道的剩余等待时间。同理，当1Q=1时，主干道显示器显示主干道剩余等待时间，支干道显示器显示剩余通行时间。-9-五、整机电路原理图-10-六、工作原理-11-各部分具体的工作原理已在单元电路设计中详细说明，在此不再赘述。现将各部分单元电路协同配合完成整体功能的原理作以说明：系统上电后，触发器处于初始状态00，将触发器的输出输入到2-4译码器使绿灯亮，与绿灯相连的编码器输出绿灯亮的时间30到计数器,需要人工按下按键KEY给两个计数器同时置数，使系统开始工作，系统开始工作后计数器即可通过自身RCO信号置数，此后开通过按键KEY控制计时器停止/开始计数。当黄绿灯计数器计数至5时，与此计数器相连的比较器ALB引脚输出高电平信号，将此信号与时钟信号CLK相与非后再和译码器输出的绿灯控制信号（记为G）相与后接绿灯。即有GALBCLKMG由上式可知当绿灯亮的剩余时间大于5秒时，ALB输出低电平，与CLK与非后一直为高电平，此时绿灯常亮；当时间少于5s时，ALB输出高电平时，输出一个与时钟同频率但极性相反的脉冲信号，此时绿灯状态为以1Hz的频率闪烁。当黄绿灯计数器计数至0时，级联的高位计数器RCO端输出从高电平跳变到低电平，以此电平跳变信号作为计数器的置数信号和控制触发器的状态翻转的触发信号X。同时，触发器JKFF为上升沿有效的触发器，为保证当触发信号到来时需要时钟上升沿同时到达，故应将RCO端信号取反（即在计数至0时产生一个上升沿），记为X，作为触发器的时钟信号。由于触发信号X和触发器的时钟信号X本质上是同一个信号，所以一定能保证触发器准确触发。30s倒计时完毕后，JK触发器状态由00跳到01，此时主干道绿灯灭，黄灯亮，同时置数信号将与黄灯端相连接的编码电路输出的黄灯亮的时间5置入计数器开始下一轮工作；5s倒计时完毕后，JK触发器状态由01跳到10，此时主干道黄灯灭，支干道绿灯亮，同时置数信号将与支干道绿灯端相连接的编码电路输出的绿灯亮的时间20置入计数器开始下一轮工作；20s倒计时完毕后，JK触发器状态由10跳到11，此时支干道绿灯灭，黄灯亮，同时置数信号将与黄灯端相连接的编码电路输出的黄灯亮的时间5置入计数器开始下一轮工作；5s倒计时完毕后，JK触发器状态由11跳到00，此时支干道黄灯灭，主干道绿灯亮，同时置数信号将与绿灯端相连接的编码电路输出的绿灯亮的时间30置入计数器开始下一轮-12-工作，依次循环。而某一路的红灯控制信号可通过将该路的黄灯和绿灯控制信号相或取反后得到，即YGR由上式可知，当某一路绿灯和黄灯都熄灭（即控制信号都为低电平时）红灯亮。由实验要求可知红灯的计时器计时时间总是比绿灯的长5s，而绿灯的计时时间恰好都为整十数，即置数时绿灯的低位计数器总是置入0。利用这一特点，将红灯的减法计数器的低位置入数固定为5，高位置数端连绿灯计数器的高位置数端，即可使红灯计时器的计时时间总等于另一路黄灯和绿灯的计时时间之和。黄绿灯计数器红灯计数器的输出都接显示译码电路，但是由于主干道和支干道使用同一组计数器计时，故需要通过选择电路将时间显示在相应的道路上。当主干道的绿灯和黄灯亮时JK触发器的状态为00和01，故以触发器输出信号1Q作为显示译码电路的选择信号。记黄绿灯计数器输出为1C，红灯计数器输出为2C，输入主干道和支干道显示译码器的信号分别为1P、2P，选择原理如下式：1211212111QCQCPQCQCP由上式易知，当1Q=0（即主干道黄/绿灯亮时），主干道显示器显示主干道的剩余通行时间，支干道显示器显示支干道的剩余等待时间。同理，当1Q=1时，主干道显示器显示主干道剩余等待时间，支干道显示器显示剩余通行时间。七、系统调试过程中遇到的问题及解决办法1.在刚开始认为计数器在刚上电的初始状态下置数为0000，故在第一个时钟信号到来后高位计数器的RCO端会输出一个低电平，以此信号作为置数信号将主干道绿灯时间置入计数器使计数器初始化。然而在调试过程中却发现在电路上电后计数器内的数并不像单独两个的计数器级联时一样为0，而是一个不定态，就导致电路无法自启动开始工作。解决方法：通过附加一个按键KEY为计数器提供一个初始置数信号使电路启动。按键每按一次可以在低电平和高电平之间来回转换，将此按键信号与RCO-13-信号相与后作为置数信号，即可在每次按下按键为低电平时使电路重新置数并停止工作，再次按下（即输出为高电平时）电路正常工作。2.1)触发器的时钟信号和触发信号选择：刚开始以黄绿灯计数器的八个输出相或取反后作为触发器触发信号，即当计数器输出从00000001跳变到00000000时触发器状态翻转，以时钟信号CLK作为触发器的时钟信号，即采用同步触发方式。在调试时发现当由于计数器计数状态变化和或门都需要一定的时间，就造成了当时钟上升沿与触发信号之间有延迟，即时钟上升沿到来时触发信号还未改变，当触发信号到来时已没有上升沿的时钟信号，这就导致触发器状态无法及时翻转，而与此同时置数信号又将30置入计数器，当下一个时钟信号到来时计数器输出又变回00110000