交通灯课程设计6

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1、目 录一 、 实 验 目 的 二 、 实 验 预 习 要 求 三 、 实 验 原 理 四 、 实 验 仪 器 设 备 五 、 练 习 内 容 及 方 法 六 、 实 验 报 告 一 、 设 计 任 务 与 要 求1 设 计 一 个 十 字 路 口 的 交 通 灯 控 制 电 路 ， 要 求 甲 车 道 和 乙 车 道 两 条 交 叉 道 路 上 的 车 辆 交 替 运 行 ， 每 次 通 行 时 间 都 设 为 25秒 ； 2 要 求 黄 灯 先 亮 5 秒 ， 才 能 变 换 运 行 车 道 ； 3 黄 灯 亮 时 ， 要 求 每 秒 钟 闪 亮 一 次 。 二 、 实 验 预 习 要 求1

2、 复 习 数 字 系 统 设 计 基 础 。 2 复 习 多 路 数 据 选 择 器 、 二 进 制 同 步 计 数 器 的 工 作 原 理 。 3 根 据 交 通 灯 控 制 系 统 框 图 ， 画 出 完 整 的 电 路 图 。 三 、 设 计 原 理 与 参 考 电 路1 分 析 系 统 的 逻 辑 功 能 ， 画 出 其 框 图 交 通 灯 控 制 系 统 的 原 理 框 图 如 图 12、 1 所 示 。 它 主 要 由 控 制 器 、 定 时 器 、 译 码 器 和 秒 脉 冲 信 号 发 生 器 等 部 分 组 成 。 秒 脉 冲 发生 器 是 该 系 统 中 定 时 器 和 控

3、 制 器 的 标 准 时 钟 信 号 源 ， 译 码 器 输 出 两 组 信 号 灯 的 控 制 信 号 ， 经 驱 动 电 路 后 驱 动 信 号 灯 工 作 ， 控 制 器 是系 统 的 主 要 部 分 ， 由 它 控 制 定 时 器 和 译 码 器 的 工 作 。 图 中 ： TL: 表 示 甲 车 道 或 乙 车 道 绿 灯 亮 的 时 间 间 隔 为 25 秒 ， 即 车 辆 正 常 通 行 的 时 间 间 隔 。 定 时 时 间 到 ， TL=1， 否 则 ， TL=0。 TY： 表 示 黄 灯 亮 的 时 间 间 隔 为 5 秒 。 定 时 时 间 到 ， TY=1， 否 则 ，

4、 TY=0。 ST： 表 示 定 时 器 到 了 规 定 的 时 间 后 ， 由 控 制 器 发 出 状 态 转 换 信 号 。 由 它 控 制 定 时 器 开 始 下 个 工 作 状 态 的 定 时 。2 画 出 交 通 灯 控 制 器 的 ASM（ Algorithmic State Machine， 算 法 状 态 机 ）1） 图 甲 车 道 绿 灯 亮 ， 乙 车 道 红 灯 亮 。 表 示 甲 车 道 上 的 车 辆 允 许 通 行 ， 乙 车 道 禁 止 通 行 。 绿 灯 亮 足 规 定 的 时 间 隔 TL 时 ， 控 制 器发 出 状 态 信 号 ST， 转 到 下 一 工

5、作 状 态 。 （ 2） 甲 车 道 黄 灯 亮 ， 乙 车 道 红 灯 亮 。 表 示 甲 车 道 上 未 过 停 车 线 的 车 辆 停 止 通 行 ， 已 过 停 车 线 的 车 辆 继 续 通 行 ， 乙 车 道 禁 止 通行 。 黄 灯 亮 足 规 定 时 间 间 隔 TY 时 ， 控 制 器 发 出 状 态 转 换 信 号 ST， 转 到 下 一 工 作 状 态 。 （ 3） 甲 车 道 红 灯 亮 ， 乙 车 道 黄 灯 亮 。 表 示 甲 车 道 禁 止 通 行 ， 乙 车 道 上 的 车 辆 允 许 通 行 绿 灯 亮 足 规 定 的 时 间 间 隔 TL 时 ， 控制 器

6、发 出 状 态 转 换 信 号 ST， 转 到 下 一 工 作 状 态 。 （ 4） 甲 车 道 红 灯 亮 ， 乙 车 道 黄 灯 亮 。 表 示 甲 车 道 禁 止 通 行 ， 乙 车 道 上 位 过 县 停 车 线 的 车 辆 停 止 通 行 ， 已 过 停 车 线 的 车 辆 停 止通 行 ， 已 过 停 车 线 的 车 辆 继 续 通 行 。 黄 灯 亮 足 规 定 的 时 间 间 隔 TY 时 ， 控 制 器 发 出 状 态 转 换 信 号 ST， 系 统 又 转 换 到 第 （ 1） 种工 作 状 态 。 交 通 灯 以 上 4 种 工 作 状 态 的 转 换 是 由 控 制 器

7、 器 进 行 控 制 的 。 设 控 制 器 的 四 种 状 态 编 码 为 00、 01、 11、 10， 并 分 别 用S0、 S1、 S3、 S2 表 示 ， 则 控 制 器 的 工 作 状 态 及 功 能 如 表 12、 1 所 示 ， 控 制 器 应 送 出 甲 、 乙 车 道 红 、 黄 、 绿 灯 的 控 制 信 号 。 为 简便 起 见 ， 把 灯 的 代 号 和 灯 的 驱 动 信 号 合 二 为 一 ， 并 作 如 下 规 定 ：表 12、 1 控 制 器 工 作 状 态 及 功 能 控制状态 信号灯状态 车道运行状态S0（ 00） 甲绿，乙红 甲车道通行，乙车道禁止通行S

8、1（ 01） 甲黄，乙红 甲车道缓行，乙车道禁止通行S3（ 11） 甲红，乙绿 甲车道禁止通行，甲车道通行S2（ 10） 甲红，乙黄 甲车道禁止通行，甲车道缓行AG=1： 甲 车 道 绿 灯 亮 ； BG=1： 乙 车 道 绿 灯 亮 ； AY=1： 甲 车 道 黄 灯 亮 ； BY=1： 乙 车 道 黄 灯 亮 ； AR=1： 甲 车 道 红 灯 亮 ； BY=1： 乙 车 道 红 灯 亮 ；由 此 得 到 交 通 灯 的 ASM 图 ， 如 图 12、 2 所 示 。 设 控 制 器 的 初 始 状 态 为 S0（ 用 状 态 框 表 示 S0） ， 当 S0 的 持 续 时 间 小 于

9、25秒 时 ， TL=0（ 用 判 断 框 表 示 TL） ， 控 制 器 保 持 S0 不 变 。 只 有 当 S0 的 持 续 时 间 等 于 25 秒 时 ， TL=1， 控 制 器 发 出 状 态 转 换 信号 ST（ 用 条 件 输 出 框 表 示 ST） ， 并 转 换 到 下 一 个 工 作 状 态 。 依 此 类 推 可 以 弄 懂 ASM 图 所 表 达 的 含 义 。 3 单 元 电 路 的 设 计 （ 1） 定 时 器 定 时 器 由 与 系 统 秒 脉 冲 （ 由 时 钟 脉 冲 产 生 器 提 供 ） 同 步 的 计 数 器 构 成 ， 要 求 计 数 器 在 状 态

10、 信 号 ST 作 用 下 ， 首 先 清 零 ， 然 后在 时 钟 脉 冲 上 升 沿 作 用 下 ， 计 数 器 从 零 开 始 进 行 增 1 计 数 ， 向 控 制 器 提 供 模 5 的 定 时 信 号 TY 和 模 25 的 定 时 信 号 TL。 计 数 器 选 用 集 成 电 路 74LS163 进 行 设 计 较 简 便 。 74LS163 是 4 位 二 进 制 同 步 计 数 器 ， 它 具 有 同 步 清 零 、 同 步 置 数 的 功能 。 74LS163 的 外 引 线 排 列 图 和 时 序 波 形 图 如 图 12、 3 所 示 ， 其 功 能 表 如 表 12

11、、 2 所 示 。 图 中 ， 是 低 电 平 有 效 的 同 步 清 零 输入 端 ， 是 低 电 平 有 效 才 同 步 并 行 置 数 控 制 端 ， CTp、 CTT 是 计 图 12.2 交 通 灯 的 ASM 图 数 控 制 端 ， CO 是 进 位 输 出 端 ，D0 D3 是 并 行 数 据 输 入 端 ， Q0 Q 3 是 数 据 输 出 端 。 由 两 片 74LS163 级 联 组 成 的 定 时 器 电 路 如 图 12、 4 所 示 。 电 路 的 工 作 原理 请 自 行 分 析 。图 12、 3 74LS163 的 外 引 线 排 列 图 和 时 序 波 形 图

12、控 制 器控 制 器 是 交 通 管 理 的 核 心 ， 它 应 该 能 够 按 照 交 通 管 理 规 则 控 制 信 号 灯 工 作 状 态 的 转 换 。 从 ASM 图 可 以 列 出 控 制 器 的 状 态 转换 表 ， 如 表 12、 3 所 示 。 选 用 两 个 D 触 发 器 FF1、 FFO 做 为 时 序 寄 存 器 产 生 4 种 状 态 ， 控 制 器 状 态 转 换 的 条 件 为 TL 和 TY，当 控 制 器 处 于 Q1n+1Q0n+1 00 状 态 时 ， 如 果 TL 0， 则 控 制 器 保 持 在 00 状 态 ； 如 果 ， 则 控 制 器 转 换

13、到 Q1n+1Q0n+1 01 状 态 。 这 两 种 情 况 与 条 件 TY 无 关 ， 所 以 用 无 关 项 X表 示 。 其 余 情 况 依 次 类 推 ， 同 时 表 中 还 列 出 了 状 态 转 换 信 号 ST。图 12、 4 定 时 器 电 路 图表 12.2 74LS163 功 能 表 表 12.3 控 制 器 状 态 转 换 表根 据 表 12.3、 可 以 推 出 状 态 方 程和 转 换 信 号 方 程 ， 其 方 法 是 ： 将 Q1n+1、 Q0n+1 和 ST 为 1 的 项 所 对 应 的 输 入 或 状 态 转 换 条 件 变 量 相 与 ， 其 中 1用

14、 原 变量 表 示 ， 0用 反 变 量 表 示 ， 然 后 将 各 与 项 相 或 ， 即 可 得 到 下 面 的 方 程根 据 以 上 方 程 ， 选 用 数 据 选 择 器 74LS153 来 实 现 每 个 D 触 发 器 的 输 入 函 数 ， 将 触 发 器 的 现 态 值 （ ） 加 到 74LS153 的 数 据 选择 输 入 端 作 为 控 制 信 号 即 可 实 现 控 制 器 的 功 能 。 控 制 器 的 逻 辑 图 如 图 12.5 所 示 。 图 中 R、 C 构 成 上 电 复 位 电 路 。 图 12、 5 控 制 器 逻 辑 图（ 3） 译 码 器 译 码 器

15、 的 主 要 任 务 是 将 控 制 器 的 输 出 Q1、 Q0 的 4 种 工 作 状 态 ， 翻 译 成 甲 、 乙 车 道 上 6 个 信 号 灯 的 工 作 状 态 。 控 制器 的 状 态 编 码 与 信 号 灯 控 制 信 号 之 间 的 关 系 如 表 12、 4 所 示 。 实 现 上 述 关 系 的 译 码 电 路 请 读 者 自 行 设 计 。四 、 实 验 仪 器 设 备1 数 字 电 路 实 验 箱 2 集 成 电 路 74LS74 1 片 ， 74LS10 1 片 ， 74LS00 2 片 ， 74LS153 2 片 ， 74LS163 2 片 ， NE555 1

16、片 3 电 阻 51K 1 只 ， 200 6 只 4 电 容 10Uf 1 只 5 其 它 发 光 二 极 管 6 只 五 、 实 验 内 容 及 方 法表 12、 4 控 制 器 状 态 编 码 与 信 号 灯 关 系 表 状 态 AG AY AR BG BY BR 00 1 0 0 0 0 1 01 0 1 0 0 0 1 10 0 0 1 1 0 0 11 0 0 1 0 1 0 1 设 计 、 组 装 译 码 器 电 路 ， 其 输 出 接 甲 、 乙 车 道 上 的 6 只 信 号 灯 （ 实 验 时 用 发 光 二 极 管 代 替 ） ， 验 证 电 路 的 逻 辑 功 能 。 2 设 计 、 组 装 秒 脉 冲 产 生 电 路