實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)三、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求⑴．設(shè)計(jì)一個(gè)十字交叉路口交通燈自動(dòng)控制電路，要求主干道和支干道兩條交叉道路上的車輛交替行駛通過(guò)，每次通行時(shí)間可任意設(shè)定，現(xiàn)規(guī)定設(shè)為25秒。⑵．在黃燈亮過(guò)5秒鐘后，才能變換車輛通行道路方向及行人允許通過(guò)道路的方向。⑶．在黃燈亮?xí)r，每秒鐘閃亮一次，同時(shí)人行通道（斑馬線）旁的報(bào)警喇叭也每秒鐘響鳴一聲。

第二頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)四、設(shè)計(jì)原理與分析1．分析系統(tǒng)的邏輯功能及其框圖

交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖8-1所示。它主要由控制器、定時(shí)器、譯碼器和秒脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分組成。秒脈沖信號(hào)發(fā)生器是系統(tǒng)中定時(shí)器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時(shí)器和譯碼器的工作。圖中的：TL：表示主干道或支干道綠燈亮?xí)r的時(shí)間為25秒，即車輛正常通行的時(shí)間間隔。在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，TL=1，設(shè)定的時(shí)間到，TL=0。TY：表示黃燈亮的時(shí)間為5秒，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，TY=1，設(shè)定的時(shí)間到，TY=0。ST：表示定時(shí)器到了規(guī)定的時(shí)間后，由控制器發(fā)出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)。由它控制定時(shí)器開(kāi)始下一個(gè)工作狀態(tài)的定時(shí)。第三頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)圖8-1交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖第四頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)2．交通燈控制器的工作流程十字路口的交通燈控制器分為定時(shí)控制和計(jì)數(shù)控制。定時(shí)控制就是定時(shí)器按要求設(shè)置，并發(fā)出的時(shí)間起始和終了信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制；計(jì)數(shù)控制既是在十字路口安裝有攝像頭及分析計(jì)數(shù)或紅外探測(cè)計(jì)數(shù)設(shè)備；當(dāng)這類計(jì)數(shù)設(shè)備，累計(jì)到在十字路口某條路上有一定的車輛數(shù)后，便立即發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)控制控制器，使該條路上的交通燈改變成通行信號(hào)燈亮。下面我們對(duì)定時(shí)控制十字路口的交通燈控制器進(jìn)行分析。⑴．主干道綠燈亮?xí)r，支干道紅燈亮。此時(shí)主干道上的車輛允許通行，支干道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定時(shí)間TL后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。⑵．主干道黃燈亮?xí)r，支干道紅燈亮。此時(shí)支干道上的車輛禁止通行，主干道上已過(guò)停車線的車輛允許通行，未過(guò)停車線的車輛禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時(shí)間TY后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。⑶．主干道紅燈亮?xí)r，支干道綠燈亮。支干道上的車輛允許通行；綠燈亮足規(guī)定時(shí)間TL后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。第五頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)⑷．主干道紅燈亮?xí)r，支干道黃燈亮。此時(shí)主干道上的車輛禁止通行，此時(shí)支干道上已過(guò)停車線的車輛允許通行，未過(guò)停車線的車輛禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時(shí)間TY后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到第⑴種工作狀態(tài)。以上4種交通燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器進(jìn)行控制的。設(shè)控制器對(duì)這四種狀態(tài)的編碼為00、01、11、10，并分別用Z0、Z1、Z2、Z3表示這四種狀態(tài)，則控制器的工作四種狀態(tài)及其功能見(jiàn)表8-1所示?？刂破鳡顟B(tài)信號(hào)燈狀態(tài)車道運(yùn)行狀態(tài)

Z0

（00）主道綠，支道紅主道車通行，行人禁止橫穿；支道禁止車通行，行人可橫穿。Z1

（01）主道黃，支道紅主干道車緩慢行駛，支干道車禁止通行，行人準(zhǔn)備通行

Z2（11）主道紅，支道綠主道禁止車通行，行人可橫穿；支道車通行，行人禁止通行。Z3

（10）主道紅，支道黃主干道車禁止通行，支干道車緩慢行駛，行人準(zhǔn)備通行

表8-1控制器的工作狀態(tài)及其功能表第六頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)現(xiàn)作如下規(guī)定：若將主干道和支干道上的紅、黃、綠三色燈的控制信號(hào)分為燈的代號(hào)和燈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)復(fù)雜。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，把燈的代號(hào)和燈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)合二為一，即：AG=1：主干道綠燈亮；BG=1：支干道綠燈亮；AY=1：主干道黃燈亮；BY=1：支干道黃燈亮；AR=1：主干道紅燈亮；BR=1：支干道紅燈亮；這樣可以得到交通燈的工作狀態(tài)流程圖，設(shè)控制器的初始狀態(tài)為Z0，當(dāng)Z0的持續(xù)時(shí)間小于25秒時(shí)，TL=0，控制器保持Z0狀態(tài)不變。只有當(dāng)Z0的持續(xù)時(shí)間等于25秒時(shí)，TL=1，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，并轉(zhuǎn)換到下一個(gè)狀態(tài)Z1。按照這種判斷、分析，將這四種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換無(wú)限循環(huán)（不斷電的情況下）。第七頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)第八頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)五、預(yù)習(xí)要求與思考題1．復(fù)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。2．復(fù)習(xí)多路數(shù)據(jù)選擇器、二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器的工作原理。3．根據(jù)交通燈控制系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)的原理電路，并畫(huà)出完整的原理電路圖。4．在計(jì)算機(jī)上利用EWB（ElectronicsWorkBench）虛擬電子工作臺(tái)——電路設(shè)計(jì)與仿真軟件進(jìn)行仿真分析，檢驗(yàn)?zāi)闼O(shè)計(jì)的電路，分析該電路中CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL、TY的波形及其時(shí)序關(guān)系。作出仿真分析報(bào)告。5.系統(tǒng)框圖中的定時(shí)電路能否用計(jì)數(shù)器芯片74LS161或者是74LS163來(lái)構(gòu)成，為什么（重點(diǎn)說(shuō)明理由）？6．熟悉示波器、數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)箱的使用方法。第九頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．設(shè)計(jì)、連接譯碼電路，其輸出接主干道、支干道上的6只信號(hào)燈（實(shí)驗(yàn)用電平指示燈代替），驗(yàn)證該電路的邏輯功能。2．設(shè)計(jì)、連接秒脈沖產(chǎn)生電路，驗(yàn)證該電路的邏輯功能。3．設(shè)計(jì)、連接定時(shí)電路，調(diào)試其應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)；當(dāng)CP信號(hào)為1KHZ的方波時(shí)，按照時(shí)序?qū)?yīng)關(guān)系畫(huà)出CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL、TY的波形。4．設(shè)計(jì)、連接控制器電路，調(diào)試其應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)；5．完成交通燈控制系統(tǒng)電路的整體調(diào)試，并檢測(cè)其功能。七、主要元器件集成電路芯片：74LS742片，74LS101片，74LS002片，

74LS1532片，74LS1632片，74LS861片，

NE5552片，電阻：51K1只，電容：10UF1只第十頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫(huà)出完整的實(shí)驗(yàn)電路的工作原理圖，表明各元件的參數(shù)值。熟悉所用集成電路的引腳的功能、位置及其使用規(guī)則。2．寫出相應(yīng)的邏輯表達(dá)式、邏輯電路圖。3．繪出實(shí)驗(yàn)中的時(shí)序波形，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并說(shuō)明其意義。4．寫出在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象及解決的方法。5．請(qǐng)?jiān)谟?jì)算機(jī)上用EWB（ElectricalWorkBench）或PSPICE軟件進(jìn)行仿真，九、電路設(shè)計(jì)參考與提示

1．定時(shí)器定時(shí)器應(yīng)與系統(tǒng)秒脈沖（由時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，要求計(jì)數(shù)器在狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST作用下，首先清零，然后在時(shí)鐘脈沖上升沿作用下，計(jì)數(shù)器從零開(kāi)始進(jìn)行加1計(jì)數(shù)，向控制器提供5秒的黃燈定時(shí)信號(hào)TY和25秒的紅燈或綠燈定時(shí)信號(hào)TL。第十一頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)現(xiàn)在，我們選用計(jì)數(shù)器74LS163進(jìn)行設(shè)計(jì)。74LS163是4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，它具有同步清零，同步置數(shù)的功能。74LS163的引腳及其功能如圖8-1、功能表見(jiàn)表8-1；建議定時(shí)器用兩片計(jì)數(shù)器74LS163來(lái)設(shè)計(jì)，下圖為定時(shí)器參考電路圖。第十二頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)

2．控制器控制器是交通管理的核心，它應(yīng)該按照交通管理規(guī)則控制信號(hào)燈，能夠滿足控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行交通信號(hào)燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。根據(jù)交通燈的工作狀態(tài)流程圖，可以列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，見(jiàn)下表：選用74LS74（雙D觸發(fā)器）構(gòu)成時(shí)序寄存器，它們的輸出作為控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的4種狀態(tài)；控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為TL和TY，當(dāng)控制器的輸出狀態(tài)處于狀態(tài)時(shí)，如果TL=0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果TL=1，則控制器轉(zhuǎn)換到狀態(tài)。但這兩種情況與條件TY無(wú)關(guān)，所以用無(wú)關(guān)項(xiàng)“”表示。同理可以推出其他幾種情況的關(guān)系狀態(tài)。同時(shí)根據(jù)交通燈的控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，可以推出方程和轉(zhuǎn)換信號(hào)方程；即將控制器的輸出狀態(tài)、和ST為1的項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的輸入或狀態(tài)條件變量相與，其中“1”用原變量表示，“0”用反變量表示，然后將各與的項(xiàng)再相或，既有：

第十三頁(yè)，共十四頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)八交通燈控制電路的設(shè)計(jì)三個(gè)方程，我們選用4選一數(shù)據(jù)選擇器（74LS153）來(lái)實(shí)現(xiàn)74LS74中兩個(gè)D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的初始狀態(tài)值、加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇端作為控制信號(hào)，這樣即可實(shí)現(xiàn)控制器的功能。設(shè)計(jì)中考慮到上電（打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)時(shí)）自動(dòng)復(fù)位