数电交通灯设计(含电路图30s-15s-3s)

长江大学电子电工实验中心1“交通灯控制与显示电路”综合设计实验任务与要求：1.设计一个交通信号灯控制器2.由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红，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在禁行线外。3.主干道每次放行30秒。支干道每次放行15秒；4.在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮3秒黄灯作为过渡一、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1．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。2．该综合设计实验采取课内外结合的方式。第一部分实验要求在课外完成，在数字电子技术课程的理论教学之初布置综合设计实验的第一部分内容，学生边学习理论课程，边思考，逐步完成方案设计；第二部分实验主要在实验课内完成，安排在组合逻辑电路理论教学内容结束后进行；第三部分实验主要在实验课内完成，安排在时序逻辑电路理论教学内容结束后进行；第四部分实验主要在实验课内完成，安排在CPLD/FPGA可编程器件理论教学内容结束后进行。3．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、集成数字选择器、集成计数器等。2．CPLD/FPGA可编程器件。元件清单：2个74LS741个74LS1383个74LS1532个74LS1922个45114个TrafficLights7SEG-BCD7SEG-COM-CATHODE74LS0474LS0874LS1174LS2174LS3274LS114072CLOCKRESSW-SPD-MOM长江大学电子电工实验中心2长江大学电子电工实验中心3“交通灯控制与显示电路”综合设计实验（1）——方案设计一、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正常情况下交通灯状态示意图二、功能分析1．基本功能根据需求描述，系统应具有如下基本功能：系统工作时，东西方向绿灯亮时，南北方向红灯亮，该信号灯点亮时间可自由设定(设定范围为00～99s)，同时点亮时间进行倒计时显示；当时间减为00时，东西方向绿灯熄灭，黄灯同时点亮，并维持数秒，南北方向仍为红灯亮；当倒计时显示减为00时，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮，点亮时间仍可自由设定；当倒计时显示减为00时，南北方向绿灯熄灭，黄灯同时点亮，并维持数秒，东西方向仍为红灯亮。当倒计时显示减为00时，系统状态进入下一个周期，以后周而复始的循环。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。长江大学电子电工实验中心4三、设计任务与要求正常情况下，十字路口的红、绿、黄三色信号交通灯有如图1所示4种情况，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、设计方案根据上述设计要求，交通灯共有4种状态如表1所示。该电路根据东西、南北方向的灯亮时间Te、Ts和Ty产生这些状态并对它们进行有序的控制。相应的状态转换图如图1所示。系统模块框图如图2所示。表1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图1交通灯状态转换图长江大学电子电工实验中心5图2系统模块图图2所示系统模块框图中各电路模块的作用如下：（1）状态译码及输出电路将状态产生电路的输出状态信号A1A0译码为东西、南北方向6对交通灯的控制信号。（2）时间预置电路该电路根据4种不同的状态信号A1A0分别预置相应的灯亮时间数据Te、Ty、Ts和Ty，作为开始计时的初始值，改变这些初始值可实现信号灯点亮时间修改的功能。（3）时间倒计时电路该电路在秒信号作用下，对不同状态的灯亮时间Te、Ty、Ts和Ty分别进行减法计数循环，实现倒计时功能。每当计时到00时，向状态产生电路发出计时结束信号。（4）状态产生电路该电路根据计时结束信号分别产生交通灯的4种不同状态信号A1A0。（5）计时显示电路Ts计时结束Ty计时结束Te计时结束TsTyTe秒信号产生电路时序逻辑电路部分Ty时间倒计时电路状态产生电路特殊状态时间预置电路（2位BCD码）状态译码电路A0A1SSQ0SQ1SQ2SQ3接口电路交通灯单元（6对）输出电路红灯黄灯绿灯东西红灯黄灯绿灯南北组合逻辑电路部分计时显示电路（两位）南北方向计时显示电路（两位）东西方向长江大学电子电工实验中心6采用数码管将灯亮时间Te、Ty、Ts和Ty进行实时显示。“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，即“状态译码电路”、“输出电路及其交通灯单元”、“时间预置电路”和“计时显示电路”。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、实验电路设计思路（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。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”。则其真值表如表2所示。表2状态译码及输出电路信号关系特殊状态正常状态（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由上述真值表可知，状态指示信号SQ0～SQ3与状态信号A1A0之间的逻辑关系可由二进制译码器74LS138实现；交通灯的控制信号EG、ER、EY、SG、SR、SY与状态指示信号SQ0～SQ3之间的逻辑关系可由集成逻辑门实现；“交通灯单元”采用红色、绿色和黄色发光二极管。其设计框图如图3所示。状态信号A1A0输入特殊状态状态译码电路A0A1SSQ0SQ1SQ2SQ3接口电路交通灯单元（6对）输出电路红灯黄灯绿灯东西红灯黄灯绿灯南北EGEYER长江大学电子电工实验中心7图3设计框图一（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。根据设计要求，时间预置电路应满足如表3所示关系表。因此该电路可由4片集成数据选择器74LS153实现，其设计框图如图4所示。表3预置时间数据与状态关系表状态A1A0运行时间十位预置数据BCD码个位预置数据BCD码备注00Te（20s）0010000001Ty（5s）0000010110Ts（10s）0001000011Ty（5s）00000101图4设计框图二（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Te、Ty、Ts和Ty十位预置数据BCD码Te、Ty、Ts和Ty个位预置数据BCD码数据选择电路十位预置数据BCD码输出个位预置数据BCD码输出状态信号A1A0输入SGSYSR长江大学电子电工实验中心8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1．如何实现特殊状态控制功能？2．如果采用二进制译码器74LS139可实现“状态译码电路”吗？请画出其逻辑电路图。3．如果“输出电路”不能正常驱动发光二极管发亮，应如何设计图3中的“接口电路”？4．如何实现“时间预置电路”中预置数据直接采用十进制形式？画出其逻辑电路图并列出所需器件清单。六、设计与测试报告要求课题完成后应认真撰写《设计与测试报告》，其主要内容如下：1．课题的任务及要求。2．课题分析与方案选择。对课题认真分析，正确理解，明确设计思路。通过各种可实现的电路原理、特点分析，方案类比，选择最佳实现电路。3．集成电路及元器件选择。对设计中选定的集成电路及元器件，给出它们的引脚图、功能表或真值表或主要参数值。4．原理图绘制及仿真。用Proteus软件绘出电原理图，详细标明各集成电路及元器件的型号，并给出有关原理图的适当注释。5．实验测试、问题分析与研究。实验设备清单（名称、型号、数量等）；安装及调试过程简介；故障分析及解决办法；第五项中的问题解答。6．总结。总结所设计课题存在的问题，提出改进的设想；完成本课题后的收获、体会和建议。“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，即“状态产生电路”和“时间倒计时电路”。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；长江大学电子电工实验中心9(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、实验电路设计思路在实验（2）的基础上完成本部分实验电路的设计。（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