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交通灯控制与显示电路综合设计实验编写人佘新平长 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望一、实验目的一、实验目的1掌握组合逻辑电路的设计方法；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；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；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；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。掌握数字电路的安装和调试方法。二、实验说明二、实验说明该综合实验按分步实施方式进行。全部实验分为四该综合实验按分步实施方式进行。全部实验分为四部分：部分：第一，方案设计；第一，方案设计；第二，组合逻辑电路的设计与实现；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；第三，时序逻辑电路的设计与实现；第四，采用第四，采用CPLD/FPGA可编程器件实现整个实验。可编程器件实现整个实验。该综合设计实验采用该综合设计实验采用理论设计理论设计、软件仿真软件仿真和和电电路安装与调试路安装与调试三步走，以提高学生的综合设计与三步走，以提高学生的综合设计与实践动手能力。实践动手能力。三、实验元器件三、实验元器件该综合实验采取两种不同的技术手段实现：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、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、集成数字选择集成编码器、集成译码器、集成数字选择器、集成计数器等。器、集成计数器等。2CPLD/FPGA可编程器件。可编程器件。“交通灯控制与显示电路交通灯控制与显示电路”综合设计实验综合设计实验（1）方案设计方案设计（课外完成）（课外完成）一、问题描述一、问题描述 设计并实现一十字路口的红、绿、黄三色交通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、灯控制与显示电路，即每个路口设置一组红、黄、绿交通灯，按图绿交通灯，按图1所示情况变化，以保证车辆、行所示情况变化，以保证车辆、行人通行安全。人通行安全。图图1二、功能分析二、功能分析1基本功能（见前面图）基本功能（见前面图）2扩展功能扩展功能（1）特殊状态控制功能）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；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。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）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。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）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。亮的情况不符合预定要求。三、设计任务与要求三、设计任务与要求 假设东西方向的绿灯点亮时间为假设东西方向的绿灯点亮时间为Te，同时也是，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、，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南北方向的黄灯点亮时间均为Ty。1参考图参考图1，定义交通灯的状态，确定状态表；，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根据实际交通灯转换过程，设计交通灯的状态转换图；换图；3按交通灯的功能要求，设计系统的电路模块图。按交通灯的功能要求，设计系统的电路模块图。四、设计思路：四、设计思路：1参考图参考图1，定义交通灯的状态，确定状态表；，定义交通灯的状态，确定状态表；状状态态东西方向东西方向南北方向南北方向时间时间（s s）S S0 0绿灯亮绿灯亮红灯亮红灯亮TeS S1 1黄灯亮黄灯亮红灯亮红灯亮TyS S2 2红灯亮红灯亮绿灯亮绿灯亮TsS S3 3红灯亮红灯亮黄灯亮黄灯亮Ty状状态态东西方向东西方向南北方向南北方向时间时间（s s）S S0 0绿灯亮绿灯亮红灯亮红灯亮TeS S1 1黄灯亮黄灯亮红灯亮红灯亮TyS S2 2红灯亮红灯亮绿灯亮绿灯亮TsS S3 3红灯亮红灯亮黄灯亮黄灯亮Ty、状态转换图状态转换图2、设计的系统模块框图分为两部分、设计的系统模块框图分为两部分：第一部分第一部分：组合逻辑电路部分组合逻辑电路部分解决三个问题解决三个问题：（1）不同状态下交通灯的控制；）不同状态下交通灯的控制；（2）交通灯灯亮时间的预置；）交通灯灯亮时间的预置；（3）交通灯灯亮时间的显示。）交通灯灯亮时间的显示。状态状态输入输入状态译码、状态译码、输出电路输出电路交通灯单元交通灯单元（6对）对）灯亮时间灯亮时间预置电路预置电路计时显示电路计时显示电路（两位）（两位）第二部分第二部分：时序逻辑电路部分时序逻辑电路部分解决两个问题解决两个问题：（1）交通灯灯亮时间的倒计时；）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；）交通灯不同状态的产生及其转换；状态产生及状态产生及其转换电路其转换电路时间倒计时时间倒计时电路电路时间时间显示显示状态状态输出输出时间预时间预置电路置电路“交通灯控制与显示电路交通灯控制与显示电路”综合设计实验（综合设计实验（2）组合逻辑电路设计组合逻辑电路设计一、任务与要求一、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由数据选择器、译码器和集成门等集成电路器件设计“交交通灯控制与显示电路通灯控制与显示电路”中的中的组合逻辑电路部分组合逻辑电路部分，具体要，具体要求如下：求如下：（1）将状态信号译码为东西、南北方向）将状态信号译码为东西、南北方向6对交通灯的控制对交通灯的控制信号，实现正常时序控制功能；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，）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；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；）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）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和和Ty，其范围为，其范围为0099s，2位位BCD码形式；码形式；（5）写出设计步骤，画出设计的逻辑电路图；）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）对设计的电路进行仿真、修改，使仿真结果达到设计要求；要求；（7）安装并测试电路的逻辑功能。）安装并测试电路的逻辑功能。二、设计思路：二、设计思路：主要解决三个问题主要解决三个问题：（1）不同状态下交通灯的控制；）不同状态下交通灯的控制；（2）交通灯灯亮时间的预置；）交通灯灯亮时间的预置；（3）交通灯灯亮时间的显示。）交通灯灯亮时间的显示。状态状态输入输入状态译码、状态译码、输出电路输出电路交通灯单元交通灯单元（6对）对）灯亮时间灯亮时间预置电路预置电路计时显示电路计时显示电路（两位）（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）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。制。其设计框图如图所示。“状态译码电路状态译码电路”采用二进制译码器采用二进制译码器74LS138实现；实现；“输出电路输出电路”采用采用集成逻辑门集成逻辑门实现；实现；“交通灯单元交通灯单元”采用普通的红色、绿色和黄色采用普通的红色、绿色和黄色发光二极管发光二极管；“接口电路接口电路”起信号驱动作用，视实验情况的不同选用。起信号驱动作用，视实验情况的不同选用。设灯亮为设灯亮为“1”，灯灭为，灯灭为“0”，交通灯的，交通灯的4种状态种状态S0S3分别分别编码为编码为00、01、10、11，特殊状态用特殊状态用S表示表示，进入特殊状态为，进入特殊状态为“1”，这时两个方向的这时两个方向的红灯同时点亮，正常状态为红灯同时点亮，正常状态为“0”。则。则可列出真值表（学生做）可列出真值表（学生做）。特特殊殊状状态态正常正常状状态态（4 4种）种）状状态态指示信指示信号号（4 4种）种）东西方向东西方向交通灯交通灯（3 3种）种）南北方向南北方向交通灯交通灯（3 3种）种）S SA A1 1A A0 0SQSQ0 0SQSQ1 1SQSQ2 2SQSQ3 3EGEG ERER EYEY SGSG SRSR SYSY1 1x xx x1 11 11 11 10 01 10 00 01 10 00 00 00 00 01 11 11 11 10 00 00 01 10 00 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 10 00 01 10 01 11 10 01 10 01 10 01 10 00 00 01 11 11 11 11 10 00 01 10 00 00 01 1（2）时间预置电路的设计思路）时间预置电路的设计思路 该电路的主要功能是该电路的主要功能是依据不同的状态信号输入相依据不同的状态信号输入相应的时间预置数据应的时间预置数据，从而确定交通灯的灯亮时间。，从而确定交通灯的灯亮时间。状状态态A A1 1A A0 0运行运行时间时间十位十位预预置数据置数据BCDBCD码码个位个位预预置数据置数据BCDBCD码码0000Te（20s）00100010000000000101Ty（5s）00000000010101011010Ts（10s）00010001000000001111Ty（5s）0000000001010101时间预置电路的设计框图时间预置电路的设计框图（3）计时显示电路的设计思路）计时显示电路的设计思路 将倒计时电路产生的输出经将倒计时电路产生的输出经显示译码器显示译码器CD4511和数和数码管进行显示。码管进行显示。三、原理图绘制与电路仿真三、原理图绘制与电路仿真 用用proteus软件绘制出该电路的原理图，对所设计的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。电路进行仿真实验。在仿真过程中，分别改变在仿真过程中，分别改变状态信号及特殊状态信号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。验证电路的逻辑功能是否达到设计要求。四、电路安装与调试四、电路安装与调试 1.电路布局电路布局 在多孔电路实验板上装配电路时，首先应熟悉其结构。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。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。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。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，可串接一个串接一个100欧左右的限流电阻。欧左右的限流电阻。调试过程中，最好调试过程中，最好分块进行分块进行，如首先调试，如首先调试“状态译码电状态译码电路路”、然后调试然后调试“输出电路及其交通灯单元输出电路及其交通灯单元”，最后调，最后调试试“时间预置电路时间预置电路”。五、设计、仿真及实验问题研究五、设计、仿真及实验问题研究六、设计与测试报告要求六、设计与测试报告要求 见实验电子文档。见实验电子文档。“交通灯控制与显示电路交通灯控制与显示电路”综合设计实验（综合设计实验（3）时序逻辑电路设计时序逻辑电路设计一、任务与要求一、任务与要求 由集成触发器、集成计数器等集成器件设计由集成触发器、集成计数器等集成器件设计“交通灯控制交通灯控制电路电路”中的中的时序逻辑电路部分时序逻辑电路部分，并在实验（，并在实验（2）的基础上）的基础上完成整个控制电路的调试。具体要求如下：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；）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）对交通灯不同状态的灯亮时间Te、Ty、Ts分别进行减法分别进行减法计数，实现倒计时功能；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，恢复正常特殊状态期间，计时停止；特殊状态结束后，恢复正常计时；计时；（4）写出设计步骤，画出设计的逻辑电路图；）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）对设计的电路进行仿真、修改，使仿真结果达到设计要求；求；（6）安装并测试电路的逻辑功能；）安装并测试电路的逻辑功能；（7）将实验（）将实验（2）、实验）、实验(3)电路连接起来，完成整个控制电电路连接起来，完成整个控制电路的调试。路的调试。二、设计思路二、设计思路（1）时间倒计时电路的设计思路）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和和Ty作为开始计时的初始值进行减法计数循环。作为开始计时的初始值进行减法计数循环。每当计时到每当计时到00时，向时，向“状态产生电路状态产生电路”发出计时结束信号。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。改变这些初始值即可实现信号灯点亮时间修改的功能。采用采用2片片具有置数功能具有置数功能的集成十进制加的集成十进制加/减可逆计数器减可逆计数器74LS192组成时间倒计时电路。组成时间倒计时电路。时间倒计时电路的设计框图时间倒计时电路的设计框图（3）状态产生电路的设计思路）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应的状态信号供其它电路使用供其它电路使用。根据设计思路，交通灯共有根据设计思路，交通灯共有4个不同状态：个不同状态：00、01、10和和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“时间倒计时电路时间倒计时电路”产生的产生的计时结束信号作为状态变化的控制信计时结束信号作为状态变化的控制信号。号。为此，将该信号作为一个同步为此，将该信号作为一个同步2位二进制加计数器的时钟脉位二进制加计数器的时钟脉冲即可，计数器采用冲即可，计数器采用JK触发器触发器或或D触发器触发器实现。实现。三、原理图绘制与电路仿真三、原理图绘制与电路仿真 用用proteus软件绘制出该电路的原理图，对所设计的电路进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。行仿真实验。在仿真过程中，分别在仿真过程中，分别手工改变每个状态的时间预置数据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；观察电路的仿真运行结果；将实验（将实验（2）、实验）、实验(3)电路连接起来，验证电路的逻辑功电路连接起来，验证电路的逻辑功能是否达到设计要求。能是否达到设计要求。四、电路安装与调试四、电路安装与调试 该电路与实验（该电路与实验（1）电路之间的接口应方便连线，）电路之间的接口应方便连线，最好在最好在各自的连接线上做好标记。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。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。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，利用实验室信号源实验调试时，利用实验室信号源产生秒脉冲信号产生秒脉冲信号。分步调试分步调试：（1）手工设置某一时间预置数据，调试手工设置某一时间预置数据，调试“时间倒计时电路时间倒计时电路”；（2）调试）调试“状态产生电路状态产生电路”；（3）将实验（）将实验（2）、实验（）、实验（3）电路连接起来，完成整个控制）电路连接起来，完成整个控制电路的调试。电路的调试。五、设计、仿真及实验问题研究五、设计、仿真及实验问题研究六、设计与测试报告要求六、设计与测试报告要求 见实验电子文档。见实验电子文档。