數(shù)字邏輯交通燈設(shè)計基于

武漢工程大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院綜合設(shè)計報告設(shè)計名稱：基礎(chǔ)硬件綜合設(shè)計設(shè)計題目：交通燈控制器的設(shè)計學(xué)生學(xué)號：1205030106專業(yè)班級：12智能科學(xué)與技術(shù)01班學(xué)生姓名：黃威學(xué)生成績：指導(dǎo)教師（職稱）：張敏（講師）課題工作時間：2014/5/19至2014/6/1說明：1、報告中的第一、二、三項由指導(dǎo)教師在綜合設(shè)計開始前填寫并發(fā)給每個學(xué)生；四、五兩項（中英文摘要）由學(xué)生在完成綜合設(shè)計后填寫。2、學(xué)生成績由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的設(shè)計情況給出各項分值及總評成績。3、指導(dǎo)教師評語一欄由指導(dǎo)教師就學(xué)生在整個設(shè)計期間的平時表現(xiàn)、設(shè)計完成情況、報告的質(zhì)量及答辯情況，給出客觀、全面的評價。4、所有學(xué)生必須參加綜合設(shè)計的答辯環(huán)節(jié)，凡不參加答辯者，其成績一律按不及格處理。答辯小組成員應(yīng)由2人及以上教師組成。5、報告正文字?jǐn)?shù)一般應(yīng)不少于5000字，也可由指導(dǎo)教師根據(jù)本門綜合設(shè)計的情況另行規(guī)定。6、平時表現(xiàn)成績低于6分的學(xué)生，取消答辯資格，其本項綜合設(shè)計成績按不及格處理。7、此表格式為武漢工程大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院提供的基本格式（適用于學(xué)院各類綜合設(shè)計），各教研室可根據(jù)本門綜合設(shè)計的特點及內(nèi)容做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并上報學(xué)院批準(zhǔn)。成績評定表學(xué)生姓名：黃威學(xué)號：1205030106班級：12智能科學(xué)與技術(shù)01班類別合計分值各項分值評分標(biāo)準(zhǔn)實際得分合計得分備注平時表現(xiàn)1010按時參加綜合設(shè)計，無曠課、遲到、早退、違反實驗室紀(jì)律等情況。由設(shè)計負(fù)責(zé)人給出完成情況3020按設(shè)計任務(wù)書的要求完成了全部任務(wù)，能完整演示其設(shè)計內(nèi)容，符合要求。10能對其設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)、完整的介紹，并能就指導(dǎo)教師提出的問題進(jìn)行正確的回答。報告質(zhì)量3510報告文字通順，內(nèi)容翔實，論述充分、完整，立論正確，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)合理；報告字?jǐn)?shù)符合相關(guān)要求，工整規(guī)范，整齊劃一。5課題背景介紹清楚，綜述分析充分。5設(shè)計方案合理、可行，論證嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強，具有說服力。5符號統(tǒng)一；圖表完備、符合規(guī)范要求。5能對整個設(shè)計過程進(jìn)行全面的總結(jié)，得出有價值的結(jié)論或結(jié)果。5參考文獻(xiàn)數(shù)量在3篇以上，格式符合要求，在正文中正確引用。答辯情況2510在規(guī)定時間內(nèi)能就所設(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行闡述，言簡意明，重點突出，論點正確，條理清晰。15在規(guī)定時間內(nèi)能準(zhǔn)確、完整、流利地回答教師所提出的問題?？傇u成績：分補充說明：指導(dǎo)教師：（簽字）日期：年月日答辯記錄表學(xué)生姓名：黃威學(xué)號：1205030106班級：12智能科學(xué)與技術(shù)01班答辯地點：答辯內(nèi)容記錄：答辯成績合計分值各項分值評分標(biāo)準(zhǔn)實際得分合計得分備注2510在規(guī)定時間內(nèi)能就所設(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行闡述，言簡意明，重點突出，論點正確，條理清晰。15在規(guī)定時間內(nèi)能準(zhǔn)確、完整、流利地回答教師所提出的問題。答辯小組成員（簽字）：年月日指導(dǎo)教師評語指導(dǎo)教師：（簽字）日期：年月日一、綜合設(shè)計目的、條件、任務(wù)和內(nèi)容要求：《數(shù)字邏輯》是計算機的硬件基礎(chǔ)，計算機專業(yè)的重要基礎(chǔ)課。其中組合邏輯電路與時序邏輯電路是這門課程的重點內(nèi)容。本課題就是對邏輯電路的綜合應(yīng)用。在現(xiàn)代城市中，隨著人口和汽車的急劇增長，市區(qū)交通日益擁擠，要是沒有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車就會由于混亂而造成嚴(yán)重阻塞。因此，交通燈是交管部門管理城市交通的重要工具之一。

隨著電子與計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，電子電路的分析與設(shè)計方法發(fā)生了重大的變化。電子設(shè)計自動化技術(shù)已成為設(shè)計現(xiàn)代電子系統(tǒng)必不可少的工具和手段。在電子技術(shù)領(lǐng)域里，為了便于儲存，分析和傳輸，常將模擬信號編碼，即把它轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用數(shù)字邏輯這一強有力的工具來分析和設(shè)計復(fù)雜的數(shù)字電路或數(shù)字系統(tǒng)，為信號的儲存，分析和傳輸創(chuàng)造了硬件環(huán)境。本課程設(shè)計的任務(wù)就是設(shè)計一個交通燈的控制器系統(tǒng)。鼓勵學(xué)生在熟悉基本原理的前提下，與實際應(yīng)用相聯(lián)系，提出自己的方案，完善設(shè)計。具體設(shè)計任務(wù)如下：1．熟悉交通燈的工作原理；2．寫出交通燈控制器的設(shè)計方案；3．用硬件加以實現(xiàn)；4．寫課程設(shè)計報告。設(shè)計要求：設(shè)計一個主干道和支干道十字路口的交通燈控制電路。要求：1．一般情況下，保持主干道通暢，主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，并且主干道綠燈亮不得少于60S；2．主干道無車，支干道有車，則支干道綠燈亮，主干道紅燈亮，并且支干道綠燈亮不得超過30S；3．每次主干道或支干道綠燈變紅燈時，黃燈先亮5S按如下要求設(shè)計十字路口交通燈。 東西向綠燈亮60干秒，黃燈閃爍5次后紅燈亮，紅燈亮后，南北向由紅燈變?yōu)榫G燈，60秒后南北向黃燈閃爍5此后變紅燈，東西向變綠燈，如此重復(fù)。如果一個單位時間為1秒，這里設(shè)定的十字路口交通燈按如下方式四個步驟循環(huán)工作：60個單位時間，南北紅，東西綠；5個單位時間，南北紅，東西黃；60個單位時間，南北綠，東西紅；5個單位時間，南北黃，東西紅；指導(dǎo)教師簽字：年月日

二、進(jìn)度安排：第１~2天：查找資料，熟悉交通燈控制器的設(shè)計原理，給出設(shè)計總體方案；第3~4天：控制器各模塊的詳細(xì)設(shè)計；第5~9天：硬件連線，調(diào)試；第9~10天：寫課程設(shè)計報告。三、應(yīng)收集資料及主要參考文獻(xiàn)：1．謝自美.電子線路設(shè)計-實驗-測試[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2000

2.湯繼華.常用集成芯片使用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1995

3.康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,19994.范愛平.電子電路實驗與虛擬技術(shù)[M].山東:山東科技技術(shù)出版社，2001

四、綜合設(shè)計（課程設(shè)計）摘要（中文）：在現(xiàn)代城市中，隨著人口和汽車的急劇增長，市區(qū)交通日益擁擠，要是沒有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車就會由于混亂而造成嚴(yán)重阻塞。因此，交通燈是交管部門管理城市交通的重要工具之一。交通信號燈常用于交叉路口，用來控制車的流量，提高交叉口車輛的通行能力，減少交通事故。交通信號燈控制器主要由計時器、秒脈沖發(fā)生器、狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器、譯碼顯示電路及信號燈組成。狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器由SN74LS163實現(xiàn)，通過該芯片的計數(shù)功能實現(xiàn)四種狀態(tài)的循環(huán)轉(zhuǎn)換，計時器電路是SN74ls192在秒脈沖信號的作用下實現(xiàn)計時功能，顯示電路經(jīng)過SN74LS192的倒計數(shù)功能的控制在七段8421BCD數(shù)碼顯示器上顯示數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。計時器對狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器通過ENP進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)數(shù)字的顯示及綠、黃、紅燈的轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：交通信號燈；數(shù)字邏輯；電路設(shè)計；SN74ls192；SN74ls163五、綜合設(shè)計（課程設(shè)計）Abstract（英文）：Inthemoderncity,thereasonwhyurbantrafficisbecomingmoreandmorecrowedisthatpopulationandcarsincreasesharply,Iftherewerenotrafficlights,I'mafraidtheincessantvehicleswillcauseseriousobstructionduetoconfusion.Therefore,thetrafficlightsisoneoftheimportanttoolsoftrafficadministrationmanagementtosuperviseurbantraffic.Trafficlightsusedinintersection,whichisusedtocontrolvehiclesflow,improvetheintersectiontrafficcapacity,reducethenumberoftrafficaccidents.Trafficlightcontrollerismainlycomposedoftimer,pulsegenerator,statetransitions,decodingdisplaycircuitandsignalcontroller.StatetransitioncontrollerbySN74LS163implementation,throughtheimplementationofthechipcountfunctionthestateofthefourcycletransformation,timercircuitisSN74ls192insecondsundertheactionofthepulsesignaltimingfunctions,displaycircuitafterSN74ls192countdownfunctionofcontrolin8421BCDdigitalscreendisplaydata.ThetimertocontrolstatetransitioncontrollerbyENP,soastorealizedigitaldisplayandconversionofthegreen,yellow,redlight.Keywords：Trafficlights;Digitallogic;Circuitdesign;SN74ls192;SN74ls163目錄目錄 I摘要 IIAbstract II第一章課題設(shè)計緒論 11.1設(shè)計目的與意義 11.2設(shè)計條件 11.2.1硬件平臺 21.2.2軟件平臺 21.3工作內(nèi)容 21.3.1設(shè)計任務(wù) 31.3.2設(shè)計要求 3第二章設(shè)計簡介及設(shè)計方案論述 42.1設(shè)計原理 42.2設(shè)計方案 42.2.1計時部分設(shè)計簡介 52.2.2顯示器與信號燈設(shè)計 62.2.3信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)計 6第三章詳細(xì)設(shè)計 83.1 計時器 83.1.2六十進(jìn)制減法計數(shù)器設(shè)計 93.2信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器 103.3信號燈設(shè)計整合 11第四章設(shè)計結(jié)果及分析 134.1結(jié)果分析 13致謝 15

摘要在現(xiàn)代城市中，隨著人口和汽車的急劇增長，市區(qū)交通日益擁擠，要是沒有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車就會由于混亂而造成嚴(yán)重阻塞。因此，交通燈是交管部門管理城市交通的重要工具之一。交通信號燈常用于交叉路口，用來控制車的流量，提高交叉口車輛的通行能力，減少交通事故。交通信號燈控制器主要由計時器、秒脈沖發(fā)生器、狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器、譯碼顯示電路及信號燈組成。狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器由SN74LS163實現(xiàn)，通過該芯片的計數(shù)功能實現(xiàn)四種狀態(tài)的循環(huán)轉(zhuǎn)換，計時器電路是SN74ls192在秒脈沖信號的作用下實現(xiàn)計時功能，顯示電路經(jīng)過SN74LS192的倒計數(shù)功能的控制在七段8421BCD數(shù)碼顯示器上顯示數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。計時器對狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器通過ENP進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)數(shù)字的顯示及綠、黃、紅燈的轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：交通信號燈；數(shù)字邏輯；電路設(shè)計；SN74ls192；SN74ls163AbstractInthemoderncity,thereasonwhyurbantrafficisbecomingmoreandmorecrowedisthatpopulationandcarsincreasesharply,Iftherewerenotrafficlights,I'mafraidtheincessantvehicleswillcauseseriousobstructionduetoconfusion.Therefore,thetrafficlightsisoneoftheimportanttoolsoftrafficadministrationmanagementtosuperviseurbantraffic.Trafficlightsusedinintersection,whichisusedtocontrolvehiclesflow,improvetheintersectiontrafficcapacity,reducethenumberoftrafficaccidents.Trafficlightcontrollerismainlycomposedoftimer,pulsegenerator,statetransitions,decodingdisplaycircuitandsignalcontroller.StatetransitioncontrollerbySN74LS163implementation,throughtheimplementationofthechipcountfunctionthestateofthefourcycletransformation,timercircuitisSN74ls192insecondsundertheactionofthepulsesignaltimingfunctions,displaycircuitafterSN74ls192countdownfunctionofcontrolin8421BCDdigitalscreendisplaydata.ThetimertocontrolstatetransitioncontrollerbyENP,soastorealizedigitaldisplayandconversionofthegreen,yellow,redlight.Keywords：Trafficlights;Digitallogic;Circuitdesign;SN74ls192;SN74ls163第一章課題設(shè)計緒論在現(xiàn)代城市中，隨著人口和汽車的急劇增長，市區(qū)交通日益擁擠，要是沒有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車就會由于混亂而造成嚴(yán)重阻塞。因此，交通燈是交管部門管理城市交通的重要工具之一。交通燈控制器是可以自動控制交通燈，并以倒計時的方式顯示出時間，方便行人和車輛在通行時有條不紊的通行，達(dá)到交通井然有序，出行人員安全快捷的到達(dá)目的地的效果。本次實驗的就是想通過這樣的一個實例，結(jié)合數(shù)字電路課程的學(xué)習(xí)共同實現(xiàn)這樣的一個應(yīng)用工具，達(dá)到理論和實踐相結(jié)合的目的。1.1設(shè)計目的與意義隨著人口和汽車的急劇增長，市區(qū)交通變得日益擁擠，為了解決這一問題，所以發(fā)明了交通信號燈以管理交通秩序。我們學(xué)習(xí)制作交通信號燈，既可以熟悉各種芯片的使用，又能增強我們的數(shù)字邏輯硬件設(shè)計能力，因此，我們將展開關(guān)于交通燈的課題設(shè)計工作。本設(shè)計通過采用數(shù)字電路對交通燈控制電路的設(shè)計,提出使交通燈控制電路用數(shù)字信號自動控制十字路口兩組紅、黃、綠的交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法,指揮各種車輛和行人安全通行,實現(xiàn)十字路口交通管理的自動化。因此，在本次課程設(shè)計里，將以傳統(tǒng)的設(shè)計方法為基礎(chǔ)來實現(xiàn)設(shè)計交通控制信號燈。本實驗設(shè)計目的是培養(yǎng)數(shù)字電路的能力，掌握交通信號燈控制電路的設(shè)計方法。1.2設(shè)計條件隨著電子與計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，電子電路的分析與設(shè)計方法發(fā)生了重大的變化。電子設(shè)計自動化技術(shù)已成為設(shè)計現(xiàn)代電子系統(tǒng)必不可少的工具和手段。在電子技術(shù)領(lǐng)域里，為了便于儲存，分析和傳輸，常將模擬信號編碼，即把它轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用數(shù)字邏輯這一強有力的工具來分析和設(shè)計復(fù)雜的數(shù)字電路或數(shù)字系統(tǒng)，為信號的儲存，分析和傳輸創(chuàng)造了硬件環(huán)境。1.2.1硬件平臺圖SEQ圖\*ARABIC1-1DICE-D8-I(由于資源有限，以DICE-D8-I代替說明)學(xué)校實驗室提供有“DICE-D8-III數(shù)字電路實驗箱”，該型數(shù)字電路學(xué)習(xí)機,設(shè)計豪華氣派,主機提供了多種信號源;鎖緊插座;臺灣產(chǎn)面包板;正面印刷字符連線,反面按裝元器件,所有信號源頻率計等電路全部由CPLD芯片和雙面板構(gòu)成，所有器件均選用上等優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,使整機的品質(zhì)得到提高。由于正面沒有任何元件,從而能有效的降低和避免人為損壞的可能,本機特點：使用方便,耐用,實驗項目靈活,可方便做數(shù)字模擬各類實驗。本學(xué)習(xí)機適用于高等院校及各類職業(yè)技術(shù)學(xué)校的電子技術(shù)類教學(xué)。1.2.2軟件平臺EWB是一種電子電路計算機仿真軟件，它被稱為電子設(shè)計工作平臺或虛擬電子實驗室，英文全稱為ElectronicsWorkbench。該軟件提供了示波器、函數(shù)發(fā)生器、萬用表、頻譜儀和邏輯分析儀等虛擬電子設(shè)備，14種分析工具，4種掃描分析，8000多個元器件模型，使使用者可以方便地進(jìn)行電路原理圖的輸入和仿真測試，觀察電路的工作狀態(tài)、穩(wěn)定性、靈敏度，還可以觀察條件、參數(shù)變化時電路的變化情況。EWB軟件是一個模擬、開放的電子實驗平臺。在它上面，設(shè)計人員可以做各種類型、難度各異的電子電路實驗和實際電子產(chǎn)品設(shè)計，以便方便地修改與優(yōu)化電路。1.3工作內(nèi)容本課程設(shè)計的任務(wù)就是設(shè)計一個交通燈的控制器系統(tǒng)。我們在熟悉基本原理的前提下，與實際應(yīng)用相聯(lián)系，提出自己的方案來完善設(shè)計。先制圖，后硬件實現(xiàn)。1.3.1設(shè)計任務(wù)交通燈課程設(shè)計基于數(shù)字邏輯電路，《數(shù)字邏輯》是計算機的硬件基礎(chǔ)，計算機專業(yè)的重要基礎(chǔ)課。其中組合邏輯電路與時序邏輯電路是這門課程的重點內(nèi)容。本課題就是對邏輯電路的綜合應(yīng)用。具體任務(wù)如下：熟悉交通燈的工作原理；寫出交通燈控制器的設(shè)計方案；用硬件加以實現(xiàn)；寫課程設(shè)計報告。1.3.2設(shè)計要求本課程設(shè)計按如下要求來完成，具體要求如下：本設(shè)計是適用于東西-南北雙向交叉的十字路；東西向紅燈亮60s，同時南北向的綠燈亮55s后，切換黃燈，閃爍5s；南北向由黃燈轉(zhuǎn)為紅燈時，開始下一個60s，此時，南北向紅燈亮60s，同時，東西向的綠燈亮55s后，切換黃燈，閃爍5s。以上即完成一個循環(huán)；重復(fù)運行以上循環(huán)，從而實現(xiàn)交通信號燈。第二章設(shè)計簡介及設(shè)計方案論述本章簡要介紹交通燈的設(shè)計原理，以及設(shè)計方案。交通燈的設(shè)計原理是：通過時序電路部分來控制信號燈和七段二進(jìn)制譯碼數(shù)碼管顯示器（以下簡稱顯示器），以達(dá)到計時與狀態(tài)轉(zhuǎn)換的要求。設(shè)計方案為：設(shè)計可由兩部分組成，一為信號部分，包括用于控制交通信號燈點亮與熄滅的控制部分和信號燈；二為計時部分，通過倒計時，以60s為循環(huán)的周期來計時，由計數(shù)器和顯示器構(gòu)成。2.1設(shè)計原理交通信號燈包含兩部分時序電路以及一些輔助的組合邏輯電路。計時部分是需要時序電路來實現(xiàn)的，而狀態(tài)轉(zhuǎn)換也可由時序電路控制；組合邏輯電路用于實現(xiàn)邏輯控制功能。二者的關(guān)系由下圖可以說明：圖2-1各部分關(guān)系圖圖2-1各部分關(guān)系圖計時狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器顯示交通信號燈反饋輸出輸出2.2設(shè)計方案交通燈的信號有時間信號和通行信號，時間信號用于提示等待和通行的時間，通信信號則由顏色為紅、黃、綠的三種燈來實現(xiàn)。因此，設(shè)計可由兩部分組成：一為信號部分，包括用于控制交通信號燈點亮與熄滅的控制部分和信號燈；二為計時部分，通過倒計時，以60s為循環(huán)的周期來計時，由計數(shù)器和顯示器構(gòu)成。實現(xiàn)上述兩部分以后，計時部分輸出一個反饋信號給信號部分，在特定時刻來實現(xiàn)信號燈的明滅狀態(tài)切換。2.2.1計時部分設(shè)計簡介《數(shù)字邏輯》一書中，該教材第六章提到采用中、大規(guī)模集成電路的邏輯設(shè)計講解了使用用SN74ls192芯片制作減法器的方法，所以通過學(xué)習(xí)對這個芯片的使用，制作一個六十進(jìn)制的減法計數(shù)器，以達(dá)到計時的目的[1]。實際工作中，考慮到六十進(jìn)制可由一個六進(jìn)制部分的十位電路與一個十進(jìn)制的各位電路來構(gòu)成，所以，選材時直接選用十進(jìn)制的計數(shù)器SN74ls192芯片。以下為該芯片模擬圖與各管腳功能介紹：圖2-2芯片SN74ls192圖示管腳說明：A、B、C、D各管腳為芯片的輸入端，置數(shù)功能時使用；QA、QB、QC、QD各管腳為芯片的輸出端，輸出為8421BCD碼，QA對應(yīng)最低位，QD為最高位；DOWN、UP管腳為功能選擇端。當(dāng)DOWN輸入時鐘脈沖信號時，UP輸入“1”，芯片以信號時鐘時間為周期做常規(guī)減法計算，即減1法，UP輸入為“0”時，做減2法計算；當(dāng)UP輸入時鐘脈沖時，DOWN輸入“1”，芯片做加法運算；BO’、CO’兩端口分別對應(yīng)借位輸出和進(jìn)位輸出，LOAD’端口為置數(shù)端；CLR端口為清零端。功能表如下：表2-1SN74ls192的功能表輸入輸出CLRUPDOWNLOAD’DCBAQDQCQBQA1XXXXXXX00000XX0dcbadcba0cp1XXXX加法計數(shù)0cp1XXXX減法計數(shù)SN74ls192功能豐富，滿足此課題設(shè)計要求，因此，本次設(shè)計的計時部分選用該芯片作為核心器件。詳細(xì)設(shè)計在下一章說明。2.2.2顯示器與信號燈設(shè)計顯示器設(shè)計相對簡單，考慮到74ls192輸出端直接對應(yīng)為8421BCD碼，所以，直接使用8421BCD譯碼數(shù)碼管，即DCD_HEX。該數(shù)碼顯示器管腳從左至右對應(yīng)QD、QC、QB、QA。圖2-38421BCD譯碼數(shù)碼管信號燈直接選用相應(yīng)顏色的發(fā)光二極管即可。2.2.3信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)計在設(shè)計信號燈前，通過學(xué)習(xí)交通知識，了解到信號燈的狀態(tài)循環(huán)，當(dāng)東西向紅燈亮60s，同時南北向的綠燈亮55s后，切換黃燈，閃爍5s；南北向由黃燈轉(zhuǎn)為紅燈時，開始下一個60s，此時，南北向紅燈亮60s，同時，東西向的綠燈亮55s后，切換黃燈，閃爍5s，如此往復(fù)循環(huán)。給出如下時序圖進(jìn)一步說明：圖2-4圖2-4信號燈時序圖黃燈5s綠燈60s紅燈60s紅燈60s綠燈60s黃燈5s東西向南北向從圖2-4可以看出，交通信號燈的一個循環(huán)周期為120s，東西向與南北向總共有四個狀態(tài)，即為東西向紅燈時，南北向有綠色、黃色兩個狀態(tài)，同樣的，南北向紅燈時，東西向有綠色、黃色兩個狀態(tài)，總共為4個。因此，可以用二進(jìn)制數(shù)表示為00、01、10、11。由于四位二進(jìn)制計數(shù)器SN74ls163可以實現(xiàn)上述四個狀態(tài)的循環(huán)，我們采用此芯片作為信號燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器。以下給出SN74ls163的功能與管腳說明：圖25SN74ls163芯片圖示管腳說明：A、B、C、D各管腳為芯片的輸入端，A為最低位，D為最高位，用于置數(shù)輸入；ENP、ENT兩個輸入端是功能選擇端，當(dāng)兩者輸入至少有一個為低電平時，實現(xiàn)保持功能，當(dāng)兩者輸入都為高電平時，實現(xiàn)計數(shù)功能；CLR'端口為清零端；CLK為時鐘脈沖輸入端；LOAD'為置數(shù)端；RCO為進(jìn)位輸出端；QA、QB、QC、QD為輸出端，從左至右順序，QD為高位。功能表如下：表2-2SN74ls163功能表輸入輸出CLRcpLOAD’ENPENTQDQCQBQADCBA0↑XXXXXXX00001↑0XXdcbadcba1↑10XXXXX保持1↑1X0XXXX保持1↑111XXXX加法計數(shù)由圖2-4可以列出信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表，如下：表2-3信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表QBQARaGaYaRbGbYb00100010011000011001010011001100注釋：Ra、Ga、Ya代表東西向紅、綠、黃三色信號燈，Rb、Gb、Yb代表南北向紅、綠、黃三色信號燈；因為二進(jìn)制數(shù)從0-15的變換中，最低位與次低位遵循00→01→10→11→00這樣一種循環(huán)，所以，只用取SN74ls16輸出端QB、QA即可表示。因此，可以求得六路輸出函數(shù)，化簡后的輸出函數(shù)為：表2-4各向輸出函數(shù)表東西向輸出函數(shù)南北向輸出函數(shù)將上述各輸出直接與相應(yīng)的信號燈連接，即可實現(xiàn)對各燈狀態(tài)的轉(zhuǎn)換控制。第三章詳細(xì)設(shè)計在第二章中，簡要介紹了交通信號燈各部分的設(shè)計原理以及硬件選材，包括計時部分時序電路的設(shè)計以及信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制的設(shè)計。計時器的核心器件為SN74ls192芯片，燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器則主要由SN74ls163來實現(xiàn)。在第二章的基礎(chǔ)上，總體的設(shè)計思路明確為：計時器控制信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器。本章將詳細(xì)介紹各部分的設(shè)計步驟，在第二章中已給出詳細(xì)說明的，在本章將適當(dāng)省略。計時器既然要設(shè)計一個六十進(jìn)制的減法計數(shù)器，并以此來實現(xiàn)計時功能，那么，就需要先設(shè)計一個十進(jìn)制的減法計數(shù)器和一個六進(jìn)制的減法計數(shù)器，再將兩個計數(shù)器組合成一個六十進(jìn)制的減法計數(shù)器。3.1.1無論是十進(jìn)制的減法計數(shù)器也好，還是六進(jìn)制的減法計數(shù)器也罷，都是以SN74ls192作為核心器件來進(jìn)行設(shè)計的。由于該芯片是一個十進(jìn)制的計數(shù)器，無需我們多費周折，只要將必要的端口輸入正確，再搭配8421BCD數(shù)碼顯示管，就可以初步構(gòu)成一個十進(jìn)制的減法計數(shù)器。在EWB中，十進(jìn)制減法計數(shù)器的設(shè)計的電路圖如下所示：圖3-1十進(jìn)制減法計數(shù)器六進(jìn)制的減法計數(shù)器與十進(jìn)制的設(shè)計方法大體相同，唯一不同的是六進(jìn)制最大顯示的數(shù)為5，并以“5→4→3→2→1→0→5”這樣一種循環(huán)往復(fù)。這里，可以使用SN74ls192的同步置數(shù)功能，設(shè)計思想是：當(dāng)計數(shù)器從狀態(tài)“0”將變至“9”時，輸出端從QD至QA會由“0000”減法計數(shù)變?yōu)椤?001”的二進(jìn)制數(shù)碼，因此，要在“1001”的同時將其置數(shù)為“0101”，所以LOAD’的輸入應(yīng)是這樣一個函數(shù)：，目的就是為了在出現(xiàn)“1001”時，將“9”對應(yīng)為的“1001”同步置數(shù)為“5”對應(yīng)的“0101”。EWB仿真設(shè)計中的電路圖如下所示：圖3-2六進(jìn)制減法計數(shù)器3.1.2六十進(jìn)制減法計數(shù)器設(shè)計上一節(jié)中，詳細(xì)的分析了兩種進(jìn)制的減法計數(shù)器的設(shè)計，也為我們下一步工作做好了鋪墊，值得提問的是：六進(jìn)制與十進(jìn)制的兩個人減法計數(shù)器與六十進(jìn)制的有什么聯(lián)系，又如何實現(xiàn)呢？在明確了問題之后，關(guān)鍵要素也將清晰可見。關(guān)于兩個進(jìn)制的計數(shù)器之間的聯(lián)系在于，在概率統(tǒng)計學(xué)中，問題的解決如果是分層次完成的的，對應(yīng)數(shù)學(xué)的加法，如果是分步完成的，就對應(yīng)數(shù)學(xué)的乘法，這里的關(guān)系真好對應(yīng)后者，是分步的。也就是說，六進(jìn)制與十進(jìn)制分步工作，組合能完成六十進(jìn)制的功能，即為：十進(jìn)制作為六十進(jìn)制的個位，六進(jìn)制作為十位，個位每記十次數(shù)，十位就記一次，相當(dāng)于進(jìn)位。有了初步的設(shè)計方案，接下來就是如何實現(xiàn)硬件的連接了。SN74ls192芯片是帶有進(jìn)位輸出與借位輸出端的，既然是減法計數(shù)器，我們選擇使用借位輸出功能，但是借位輸出直接用于控制十位上計數(shù)功能的脈沖信號，會出現(xiàn)不同步的現(xiàn)象，以此作為控制十位上計數(shù)功能的信號不妥，所以，我們通過選取QD、QA兩線來表示“9”，以此作為十位上的計數(shù)器脈沖信號。雖然實現(xiàn)了借位計數(shù)的功能，但是，工作仍然不能說算完成了，因為，接下來的問題出現(xiàn)了，如何使得十位上的數(shù)在沒有接到借位信號時不計數(shù)呢？所以，實現(xiàn)該器件的保持功能成為了進(jìn)一步的任務(wù)。查閱資料后，了解到SN74ls192雖無保持端，但是，可以實現(xiàn)保持功能，即當(dāng)DOWN端口沒有接收到上升沿的脈沖信號時，芯片不會改變輸出狀態(tài)，只有當(dāng)接受到上升沿的脈沖信號時，芯片做減法計數(shù)。我們通過使用單刀雙擲開關(guān)，模擬脈沖信號來測試芯片的保持功能，下圖為EWB仿真實驗電路圖：圖3-3模擬脈沖信號測試芯片保持功能有了借位與保持功能后，將借位輸出信號作為時鐘脈沖信號，控制十位上的計數(shù)功能，以實現(xiàn)六十進(jìn)制的同步計數(shù)器。到此，六十進(jìn)制的減法計數(shù)器設(shè)計思想已經(jīng)完善，通過組合，即可實現(xiàn)，要實現(xiàn)計時器的功能，只需將脈沖信號的頻率設(shè)置為1赫茲即可，此時脈沖周期為一秒。下圖是計時器的設(shè)計圖：圖3-4計時器EWB仿真電路圖3.2信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器在第二章中，介紹了交通信號燈的時序狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并得到表2-3，所以可做出Moore型原始狀態(tài)圖：圖3-5M圖3-5Moore型原始狀態(tài)圖000110111111得出原始狀態(tài)圖后，結(jié)合表2-4可以定義SN74ls163的各輸出端了，因此，在EWB中的仿真電路圖如下：圖3-6交通燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制電路圖3.3信號燈設(shè)計整合完成3.1與3.2節(jié)工作后，接下就是考慮如何將兩部分整合為一個完整的交通信號燈控制器了。主要工作是把計時器與信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器電氣連接，實現(xiàn)計時器控制信號燈的狀態(tài)切換，從而達(dá)到本設(shè)計的要求。那么如何實現(xiàn)呢？在第二章中，給出了SN74ls163是具有保持功能的，所以，這為我們的設(shè)計提供了便利。因為該器件是當(dāng)ENP、ENT端口有一個輸入為低電平時來實現(xiàn)保持功能的，所以，我們選取其中一個端口輸入高電平，另一個端口用于控制，即為：將ENT端口輸入為高電平，當(dāng)需要切換信號燈當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下一狀態(tài)時，給ENP端口輸入一次高電平脈沖信號，使SN74ls163開始計數(shù)，并在脈沖信號回歸到低電平時暫停計數(shù)，以此實現(xiàn)對信號燈狀態(tài)切換的控制。那么這個脈沖信號如何實現(xiàn)呢？在分析了交通信號燈各個狀態(tài)切換時所對應(yīng)的時刻后得出，當(dāng)計時器第一次“00”→“59”→“05”的過程中，要保持信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器的輸出狀態(tài)為“00”，總共為55秒；在計時器“05”時刻到來后，切換信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)由“00”變?yōu)椤?1”，并在計時器的“05”→“00”之間保持信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)為“01”狀態(tài)5秒；在計時器的“00”時刻到來后，切換信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器輸出狀態(tài)由“01”變?yōu)椤?0”，并在第二次“00”→“59”→“05”的過程中，要保持信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器的輸出狀態(tài)為“10”，總共為55秒；在計時器“05”時刻到來后，切換信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)由“10”變?yōu)椤?1”，并在計時器的“05