數(shù)電實驗報告模板-2

交通燈邏輯控制電路設(shè)計PAGEPAGE9交通燈邏輯控制電路設(shè)計一、緒論1.意義交通的發(fā)達，標(biāo)志著城市的發(fā)達，相對交通的管理則顯得越來越重要。對于復(fù)雜的城市交通系統(tǒng)，為了確保安全，保證正常的交通秩序，十字路口的信號控制必需按照一定的規(guī)律變化，以便于車輛行人能順利地通過十字路口。交通燈在安全行車過程中起著十分重要的作用,現(xiàn)在交通燈一般設(shè)在十字路口,在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色的指示燈,加上一個倒計時的顯示計時器來控制行車,對于一般情況下的安全行車、車輛分流發(fā)揮著作用。2.目的（1）熟悉集成電路的引腳安排。（2）掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。（3）了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法。（4）了解數(shù)字交通燈控制電路的組成及工作原理。3.指標(biāo)要求（1）滿足圖1順序工作流程。圖中設(shè)南北方向的紅、黃、綠燈分別為NSR、NSY、NSG，東西方向的紅、黃、綠燈分別為EWR、EWY、EWG。它們的工作方式有些必須是并行進行的，即南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向黃紅燈亮。（2）應(yīng)滿足兩個方向的工作時序：即東西方向亮紅燈時間應(yīng)等于南北方向亮黃、綠燈時間之和，南北方向亮紅燈時間應(yīng)等于東西方向亮黃、綠燈時間之和。時序工作流程圖2所示。圖2中，假設(shè)每個單位時間為4秒，則南北、東西方向綠、黃、紅燈亮?xí)r間分別20秒、4秒、24秒，一次循環(huán)為48秒。其中紅燈亮的時間為綠燈、黃燈亮的時間之和。123456789123456789NSGNSYNSREWREWGEWYt5t6tt南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮(5t)南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮(1t)南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮(5t)南北方向紅燈，東西方向黃燈亮(1t)圖1交通燈順序工作流程圖圖2交通燈時序工作流程圖（3）十字路口要有數(shù)字顯示，作為時間提示，以便人們更直觀地把握時間。具體為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置顯示器為某值，然后以每秒減1計數(shù)方式方式工作，直至減到數(shù)為“0”，十字路口紅、綠燈交換，一次工作循環(huán)結(jié)束，進入下一步某方向地工作循環(huán)。例如：當(dāng)南北方向從紅燈轉(zhuǎn)換成綠燈時，置南北方向數(shù)字顯示為18，并使數(shù)顯計數(shù)器開始減“1”計數(shù)，當(dāng)減到綠燈滅而黃燈亮?xí)r，數(shù)顯的值應(yīng)為3，當(dāng)減到“0”，時，此時黃燈滅，而南北方向的紅燈亮；同時，使得東西方向的綠燈亮，并置東西方向的數(shù)顯為18。（4）擴展功能：=1\*GB3①燈的轉(zhuǎn)換可以手動調(diào)整，夜間為黃燈閃耀。=2\*GB3②用LED發(fā)光二極管模擬汽車行駛電路。當(dāng)某一方向綠燈亮?xí)r，這一方向的發(fā)光二極管接通，并一個一個向前移動，表示汽車在行駛；當(dāng)遇到黃燈時，移位發(fā)光二極管就停止，而過了十字路口的移位發(fā)光二極管繼續(xù)向前移動；紅燈亮?xí)r，則另一方向轉(zhuǎn)為綠燈亮，那么，這一方向的LED發(fā)光二極管就開始移位（表示這一方向的車輛行駛）。4.要解決的主要問題能解決交通燈順序的跳轉(zhuǎn)、對減計數(shù)24秒的置數(shù)，時標(biāo)電路的輸出信號頻率為1Hz的問題。二、單元電路的設(shè)計1、秒脈沖和四分頻(1)秒沖發(fā)生器電路是由555定時電路控制的。[2]利用的是555構(gòu)成的多諧振蕩器。由555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端Ct放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在和之間充電和放電。輸出信號的時間參數(shù)是T＝tw1＋tw2，tw1＝0.7(R1＋R2)C，tw2＝0.7R2C，555電路要求R1與R2均應(yīng)大于或等于1KΩ，但R1＋R2應(yīng)小于或等于3.3MΩ。[1]外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力這個555多諧振蕩器是整個電路的時鐘信號。要使電路的時間脈沖時間為一秒，則應(yīng)使圖中的R1為5.1K歐，R2為5.1K歐，電容C為100UF。圖4脈沖發(fā)生器電路圖(2)CD4013由兩個相同的、相互獨立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個觸發(fā)器有獨立的數(shù)據(jù)、置位、復(fù)位、時鐘輸入和Q及Q輸出，此器件可用作移位寄存器，且通過將Q輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計算器和觸發(fā)器。在時鐘上升沿觸發(fā)時，加在D輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復(fù)位與時鐘無關(guān)，而分別由置位或復(fù)位線上的高電平完成。[2]所以用CD4013做四分頻。圖5引出段符號圖圖6引腳圖CD4013功能表表1CD4013功能表四分頻由雙D觸發(fā)器CD4013得到，獲得所需4倍頻時鐘信號。控制器的邏輯圖如圖7所示。圖7四分頻電路2、控制電路由波形圖可知，計數(shù)器每次工作循環(huán)周期為12，所以可以選用12進制計數(shù)器。計數(shù)器可以用單觸發(fā)器組成，也可以用中規(guī)模集成計數(shù)器。這里我們選用中規(guī)模74LS164八位移位寄存器組成扭環(huán)形12進制計數(shù)器。74LS164是為8位移位寄存器，當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QA－QH）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng)A、B任意一個為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0為低電平。當(dāng)A、B有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK上升沿作用下決定Q0的狀態(tài)。[1]引腳功能：CLOCK：時鐘輸入端；CLEAR：同步清除輸入端（低電平有效）；A，B：串行數(shù)據(jù)輸入端；QA－QH：輸出端。圖874LSLS164引腳圖74LS164真值表表274LS164功能表根據(jù)狀態(tài)表，列出東西方向和南北方向綠﹑黃﹑紅燈的邏輯表達式：扭環(huán)形計數(shù)器狀態(tài)表[1]t計數(shù)器輸出南北方向東西方向Q0Q1Q2Q3Q4Q5NSGNSYNSREWGEWYEWR01234567891011000000100000110000111000111100111110111111011111001111000111000011000001111110000000000001000000000000111111000000111110000000000001111111000000根據(jù)狀態(tài)表，我們不難列出東西方向和南北方向綠﹑黃﹑紅燈的邏輯表達式：東西方向綠：EWG=Q4·Q5黃：EWY=(Q4)'·Q5紅：EWR=(Q5)'南北方向綠：NSG=(Q4)'·Q5黃：NSY=Q4·(Q5)'紅：NSR=Q5由于黃燈要求閃耀幾次，所以用頂時標(biāo)1s和EWY或NSY黃燈信號相“與”即可。3、定時器電路定時器由與系統(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，首先置數(shù)24，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從24開始進行減1計數(shù)，向控制器提供模4的定時信號TY和模24的定時信號TL。[4]計數(shù)器選用集成電路74LS192進行設(shè)計。圖9交通燈的ASM圖74LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數(shù)器。CPU為加計數(shù)時鐘輸入端，CPD為減計數(shù)時鐘輸入端。LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出，BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。[4]圖10是74LS192引腳圖圖1074LS192引腳圖表4為74LS192功能表表474LS192功能表4、顯示部分顯示部分由CD4511和共陰極七段數(shù)碼管組成，CD4511作為譯碼器，對74LS192的輸出信號進行譯碼，然后通過七段數(shù)碼管顯示出74LS192的計數(shù)。即交通燈需要顯示的時間。（1）數(shù)碼顯示譯碼器一個LED數(shù)碼管可用來顯示一位0～9十進制數(shù)和一個小數(shù)點。小型數(shù)碼管（0.5寸和0.36寸）每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色不同略有差別，通常約為2～2.5V，每個發(fā)光二極管的點亮電流在5～10mA。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進制數(shù)字就需要有一個專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當(dāng)?shù)尿?qū)動能力。（2）譯碼部分CD4511是一組用來作為BCD對共陰極LED七段顯示器譯碼的包裝。LT：做燈泡測試用，當(dāng)LT=0，則不論其它輸入狀態(tài)為何，其輸出abcdefg=1111111，使七段顯示器全亮，即顯示8，以便觀測七段顯示器是否正常。當(dāng)LT=1，常解碼。BI：空白輸入控制，當(dāng)BI=0(LT為1時)則不論DCBA之輸入為何，其輸出皆為0，即七段顯示器完全不亮，此腳可供使用者控制僅對有效數(shù)據(jù)譯碼，避免在無意義的數(shù)據(jù)輸入時顯示出來造成字型的系亂。LE：數(shù)據(jù)栓鎖致能控制；在CD4511中，不但具譯碼功能，更具有數(shù)據(jù)栓鎖的記憶功能。當(dāng)LE=0時(LT=1且BI=1)，DCBA數(shù)據(jù)會被送入IC的緩存器中保存；當(dāng)LE=1時，則IC中的暫存器會關(guān)閉，僅保存原來在LE=0時的數(shù)據(jù)供譯碼器譯碼。[5]換句話說當(dāng)LE=1時，不論DCBA的輸入數(shù)據(jù)為何，皆不影響其輸出，其輸出abcdefg仍保留原來在LE由0轉(zhuǎn)為1以前的資料。圖12為CD4511的引腳圖。圖12CD4511引腳圖圖13顯示部分三、總原理圖電路說明交通燈控制系統(tǒng)功能圖它主要由減法計數(shù)器、步驟控制器、置數(shù)邏輯電路和秒脈沖信號發(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。[5]其中控制部分由74LS164組成扭環(huán)形12進制計數(shù)器，然后經(jīng)譯碼后，輸出十字路口南北﹑東西二個方向的控制型號。其中黃燈信號須滿足閃耀，并在夜間時，使黃燈閃亮，而綠﹑紅燈滅。當(dāng)南北方向綠燈亮，而東西方向紅燈亮?xí)r，使南北方向的74LS168以減法計數(shù)器方式工作，從數(shù)字“24”開始往下減，當(dāng)減到“0”時，南北方向綠燈滅，紅燈亮，而東西方向紅燈滅，綠燈亮。由于東西方向紅燈信號（EWR=0），使與門關(guān)斷，減法計數(shù)器工作結(jié)束，而南北方向紅燈亮，使另一方向——東西方向減法計數(shù)器開始工作。顯示控制部分實際上是一個定時控制電路。當(dāng)綠燈亮?xí)r，使減法計數(shù)器開始工作（用對方的紅燈信號控制），每來一個秒脈沖，使計數(shù)器減1，直到計數(shù)器為“0”而停止。譯碼顯示可用BCD碼七段譯碼器，顯示器用共陰極LED顯示器，計數(shù)器材用可預(yù)置加、減法計數(shù)器，如74LS168、74LS193等。振蕩電路調(diào)試及實驗結(jié)果分析實驗所用秒脈沖直接使用了實驗箱上1Hz信號[3]（產(chǎn)生方法如上面講的產(chǎn)生方法），通過分頻器實現(xiàn)信號周期的變化，用以提供電路信號。四、元器件清單1、二輸入四與門 74LS082、六倒相器 74LS043、發(fā)光二級管LED4、八輸入與非門 74LS305、正沿雙D觸發(fā)器 CD40136、同步十進制可逆加、減計數(shù)器(8421BCD碼)74LS1927、移位寄存器 74LS1648、BCD七段顯示譯碼器 CD45119、555定時器 NE55510、LED共陰七段數(shù)碼管BS20711、電阻、電容、導(dǎo)線……等12、工具(鑷子、剪刀、萬用表……)五、電路的安裝與調(diào)試實驗儀器設(shè)備：1、設(shè)計、組裝譯碼器電路，其輸出接?xùn)|南、西北方向的6只信號燈（發(fā)光二極管），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。現(xiàn)象記錄：實驗完成后，有如下現(xiàn)象：1、南北綠燈亮，東西紅燈亮。同時東西數(shù)碼管從24開始倒計時，南北不設(shè)數(shù)顯電路，東西24秒倒計時完成后，改為從4開始倒計時，東西紅燈熄滅，黃燈亮，南北的紅燈繼續(xù)亮。這時東西4秒倒計時完成后，數(shù)顯變成24等待下一個循環(huán)的開始倒計時，實驗結(jié)果跟理論分析一樣。2、由于時間關(guān)系，模擬路口汽車駕駛情況，這項我們沒有完成。六、結(jié)論1.計數(shù)電路調(diào)試及實驗結(jié)果分析24循環(huán)過后回復(fù)計數(shù)不正常。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)問題原因：1.顯示最大數(shù)不對，是由于74LS192置數(shù)端不對，初始值錯誤2.顯示亂碼原因可能是由于與CD4511譯碼器接口不對。3.計數(shù)器不工作（不倒計時）電路連接不穩(wěn)定，注意查線，保證線路的正確性。2.秒脈沖、分頻電路調(diào)試及實驗結(jié)果分析秒沖發(fā)生器電路是由555定時電路控制的。利用的是555構(gòu)成的多諧振蕩器。由555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，輸出信號的時間參數(shù)是T＝tw1＋tw2，tw1＝0.7(R1＋R2)C[3]，要使電路的時間脈沖時間為一秒，R1為5.1K歐，R2為5.1K歐，電容C為100UF。初次用74LS74接四分頻電路由于未考慮到74LS74是異步