交通燈控制邏輯電路設(shè)計

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，才能變換運行車道;

3.黃燈亮?xí)r，要求每秒鐘閃亮一次 。

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。

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準時鐘信號源，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。

2.畫出交通燈控制器的ASM(Algorithmic State Machine，算法狀態(tài)機)

(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，乙車道綠燈亮。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

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;

BR=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進行設(shè)計較簡便。74LS163是4位二進制同步計數(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。

圖12、3 74LS163的外引線排列圖和時序波形圖

(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。

圖12、4 定時器電路圖

表12.2 74LS163功能表

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)的輸入或狀態(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 。

圖 12、5控制器邏輯圖

(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)?？刂破鞯臓顟B(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。

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

表12、4控制器狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表

狀態(tài) AG AY AR BG BY BR

0 0 1 0 0 0 0 1

0 1 0 1 0 0 0 1

1 0 0 0 1 1 0 0

1 1 0 0 1 0 1 0

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 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。

1.畫出實驗電路原理圖，并標明各元件的參數(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。

?1.1實驗?zāi)康?/p>

1.2實驗預(yù)習(xí)要求

13實驗原理

1.4實驗儀器設(shè)備

1.5練習(xí)內(nèi)容及方法

1.6實驗報告

1.7思考題

一般步驟:

(1) 由實際邏輯問題列出真值表;

(2) 由真值表寫出邏輯表達式;

(3) 化簡、變換輸出邏輯表達式;

(4) 畫出邏輯圖。