交通燈控制電路

一、設(shè)計任務(wù)與要求

1．設(shè)計一個十字路口的交通燈控制電路，要求甲車道和乙車道兩條交叉道路上的車輛交替運(yùn)行，每次通行時間都設(shè)為25秒；
2．要求黃燈先亮5秒，才能變換運(yùn)行車道；
3．黃燈亮?xí)r，要求每秒鐘閃亮一次 。

二、實驗預(yù)習(xí)要求
1．復(fù)習(xí)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)。
2．復(fù)習(xí)多路數(shù)據(jù)選擇器、二進(jìn)制同步計數(shù)器的工作原理。
3．根據(jù)交通燈控制系統(tǒng)框圖，畫出完整的電路圖。

三、設(shè)計原理與參考電路

???1．分析系統(tǒng)的邏輯功能，畫出其框圖
???交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖12、1所示。它主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時器和譯碼器的工作。圖中：
TL: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間間隔。定時時間到，TL=1，否則，TL=0。
??????TY：表示黃燈亮的時間間隔為5秒。定時時間到，TY=1，否則，TY=0。
??????ST：表示定時器到了規(guī)定的時間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。由它控制定時器開始下個工作狀態(tài)的定時。

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圖12、1 交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖	2．畫出交通燈控制器的ASM（Algorithmic State Machine，算法狀態(tài)機(jī)）

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???（1）圖甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。
???（2）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。
???（3）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行綠燈亮足規(guī)定的時間間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。
???（4）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上位過縣停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。
????交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器器進(jìn)行控制的。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、11、10，并分別用S0、S1、S3、S2表示，則控制器的工作狀態(tài)及功能如表12、1所示，控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見，把燈的代號和燈的驅(qū)動信號合二為一，并作如下規(guī)定：
????表12、1 控制器工作狀態(tài)及功能
???控制狀態(tài) 信號燈狀態(tài) 車道運(yùn)行狀態(tài)
??????S0（00） 甲綠，乙紅 甲車道通行，乙車道禁止通行
??????S1（01） 甲黃，乙紅 甲車道緩行，乙車道禁止通行
??????S3（11） 甲紅，乙綠 甲車道禁止通行，甲車道通行
??????S2（10） 甲紅，乙黃 甲車道禁止通行，甲車道緩行
??????AG=1：甲車道綠燈亮；
??????BG=1：乙車道綠燈亮；
??????AY=1：甲車道黃燈亮；
??????BY=1：乙車道黃燈亮；
??????AR=1：甲車道紅燈亮；
??? BY=1：乙車道紅燈亮；
????由此得到交通燈的ASM圖，如 圖12、2所示。設(shè)控制器的初始狀態(tài)為S0（用狀態(tài)框表示S0），當(dāng)S0的持續(xù)時間小于25秒時，TL=0（用判斷框表示TL），控制器保持S0不變。只有當(dāng)S0的持續(xù)時間等于25秒時，TL=1，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST（用條件輸出框表示ST），并轉(zhuǎn)換到下一個工作狀態(tài)。依此類推可以弄懂ASM圖所表達(dá)的含義。
???3．單元電路的設(shè)計
???（1）定時器
????定時器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的計數(shù)器構(gòu)成，要求計數(shù)器在狀態(tài)信號ST作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從零開始進(jìn)行增1計數(shù)，向控制器提供模5的定時信號TY和模25的定時信號TL。
???計數(shù)器選用集成電路74LS163進(jìn)行設(shè)計較簡便。74LS163是4位二進(jìn)制同步計數(shù)器，它具有同步清零、同步置數(shù)的功能。74LS163的外引線排列圖和時序波形圖如圖12、3所示，其功能表如表12、2所示。圖中， 是低電平有效的同步清零輸入端， 是低電平有效才同步并行置數(shù)控制端，CTp、CTT是計 圖12、2 交通燈的ASM圖數(shù)控制端，CO是進(jìn)位輸出端，D0～D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q0～Q 3是數(shù)據(jù)輸出端。由兩片74LS163級聯(lián)組成的定時器電路如圖12、4所示。電路的工作原理請自行分析。

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???（2）控制器
????控制器是交通管理的核心，它應(yīng)該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。從ASM圖可以列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表12、3所示。選用兩個D觸發(fā)器FF1、FFO做為時序寄存器產(chǎn)生 4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為TL和TY，當(dāng)控制器處于Q1n+1Q0n+1＝ 00狀態(tài)時，如果TL＝ 0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果，則控制器轉(zhuǎn)換到Q1n+1Q0n+1＝ 01狀態(tài)。這兩種情況與條件TY無關(guān)，所以用無關(guān)項"X"表示。其余情況依次類推，同時表中還列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST。

表12、2 74LS163功能表
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表12、3 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

????根據(jù)表12、3、可以推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號方程，其方法是：將Q1n+1、Q0n+1和 ST為1的項所對應(yīng)的輸人或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與，其中"1"用原變量表示，"0"用反變量表示，然后將各與項相或，即可得到下面的方程：

????根據(jù)以上方程，選用數(shù)據(jù)選擇器 74LS153來實現(xiàn)每個D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值（ ）加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇輸入端作為控制信號．即可實現(xiàn)控制器的功能?？刂破鞯倪壿媹D如圖12、5所示。圖中R、C構(gòu)成上電復(fù)位電路 。

（3）譯碼器
????譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出 Q1、 Q0的4種工作狀態(tài)，翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態(tài)。控制器的狀態(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關(guān)系如表 12、4所示。實現(xiàn)上述關(guān)系的譯碼電路請讀者自行設(shè)計。

四、實驗儀器設(shè)備
1． 數(shù)字電路實驗箱
2． 集成電路74LS74 1片，74LS10 1片，74LS00 2片，74LS153 2片，74LS163 2片，NE555 1片
3． 電阻 51KΩ 1只，200Ω 6只
4． 電容 10Uf 1只
5． 其它 發(fā)光二極管 6只

五、實驗內(nèi)容及方法

????表12、4控制器狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表

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1．設(shè)計、組裝譯碼器電路，其輸出接甲、乙車道上的6只信號燈（實驗時用發(fā)光二極管代替），驗證電路的邏輯功能。
2．設(shè)計、組裝秒脈沖產(chǎn)生電路。
3．組裝、調(diào)試定時電路。當(dāng) CP信號為 1Hz正方波時，畫出CP、 Q0、 Q1、 Q2、Q3、Q4、TL．、TY的波形，并注意它們之間一的時序關(guān)系。
4．組裝、調(diào)試控制器電路。
5．完成交通燈控制電路的聯(lián)調(diào)，并測試其功能。

六、實驗報告
1．畫出實驗電路原理圖，并標(biāo)明各元件的參數(shù)值。
2．繪出實驗中的時序波形，整理實驗數(shù)據(jù)，并加以說明。
3．寫出實驗過程中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象及其解決辦法。
4．回答思考題。
5．心得體會與建議。

七、思考題
????能否用具有異步清零功能的計數(shù)器74LS161來代替圖12、4所示電路中的74LS163？說明理由。