廣東工業(yè)大學(xué)電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程設(shè)計(jì)-交通燈控制器

課程設(shè)計(jì)課程名稱電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐(1)題目名稱交通燈控制器學(xué)生學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)班級(jí)13級(jí)自動(dòng)化卓越1班學(xué)號(hào)3113000981學(xué)生姓名黃景運(yùn)指導(dǎo)教師張建新，夏益民2023年11月9日廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書

題目名稱交通燈控制器的設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)班級(jí)13級(jí)自動(dòng)化卓越〔1〕班姓名黃景運(yùn)學(xué)號(hào)3113000981一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的紅、綠、黃三色信號(hào)交通燈控制電路。二、課程設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)1.用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號(hào)燈。主干道為東西向，有紅、綠、黃三個(gè)燈；支干道為南北向，也有紅、綠、黃三個(gè)燈。紅燈亮禁止通行；綠燈亮允許通行；黃燈亮那么要求壓線車輛快速穿過道口。2.由于主干道車輛較多而支干道車輛較少，所以主干道綠燈時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)主干道允許通行亮綠燈時(shí)，支干道亮紅燈。而支干道允許通行亮綠燈時(shí)，主干道亮紅燈，兩者交替重復(fù)。主干道每次放行50秒，支干道每次放行30秒。在每次由亮綠燈變成亮紅燈的轉(zhuǎn)換過程中間，需要亮5秒的黃燈作為過渡，以使行駛中的車輛有時(shí)間停靠到禁行線以外。3.采用倒計(jì)時(shí)方法，各用兩個(gè)七段數(shù)碼管分別顯示東西、南北方向的紅燈、綠燈、黃燈時(shí)間。4.能實(shí)現(xiàn)總體清零功能。按下清零鍵后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總清零，計(jì)數(shù)器由初始狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，對(duì)應(yīng)狀態(tài)的指示燈亮。5.能實(shí)現(xiàn)特殊狀態(tài)的功能顯示。設(shè)S為特殊狀態(tài)的傳感器信號(hào)，當(dāng)S=1時(shí)，進(jìn)入特殊狀態(tài)；當(dāng)S=0時(shí)，退出特殊狀態(tài)。按下S后，能實(shí)現(xiàn)如下特殊狀態(tài)功能：(1).顯示器閃爍。(2).計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)并保持原來的數(shù)據(jù)。(3).東西、南北路口均顯示紅燈狀態(tài)。(4).特殊狀態(tài)結(jié)束后，能繼續(xù)對(duì)時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。6〕.利用QUARTUSⅡ軟件，設(shè)計(jì)符合以上功能要求的交通燈控制器。用圖形輸入方法?？刂破?、計(jì)數(shù)器的功能用功能仿真的方法驗(yàn)證，可通過觀察有關(guān)波形確認(rèn)電路設(shè)計(jì)是否正確。通過編譯，仿真和綜合，并下載到相應(yīng)芯片中實(shí)現(xiàn)，最后在學(xué)習(xí)機(jī)上驗(yàn)證設(shè)計(jì)課題的正確性。在學(xué)習(xí)機(jī)上驗(yàn)證結(jié)果。三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作1、設(shè)計(jì)電路2、模擬仿真3、下載4、工程結(jié)果驗(yàn)證5、工程報(bào)告四、課程設(shè)計(jì)進(jìn)程安排序號(hào)設(shè)計(jì)各階段內(nèi)容地點(diǎn)起止日期1QuartusII入門學(xué)習(xí)，熟悉設(shè)計(jì)流程；講解各設(shè)計(jì)任務(wù)及其要求，分配設(shè)計(jì)任務(wù)實(shí)2-212，214第8周周12通過查閱資料，獨(dú)立完成電路設(shè)計(jì)，提交紙質(zhì)電路原理圖草稿實(shí)2-212，214第8周周2-周33在QuartusII和DE2板上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)2-212，214第8周周4-周54演示和驗(yàn)收實(shí)2-212，214第8周周55完成設(shè)計(jì)報(bào)告五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1、尹明，電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐，.西安電子科技大學(xué)出版社，西安，20232、謝云等，現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)踐課程指導(dǎo)，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，20063、張志剛，F(xiàn)PGA與SOPC設(shè)計(jì)教程—DE2實(shí)踐，西安電子科技大學(xué)出版社，西安，20074、閻石等，數(shù)字電子技術(shù)根底，高等教育出版社，北京，2006發(fā)出任務(wù)書日期：年月日指導(dǎo)教師簽名：方案完成日期：年月日基層教學(xué)單位責(zé)任人簽章：6主管院長(zhǎng)簽章：摘要本次的任務(wù)是利用QURATUS軟件設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的紅、綠、黃三色信號(hào)交通燈控電路，通過時(shí)序功能仿真后，下載到DE-II實(shí)驗(yàn)板上驗(yàn)證結(jié)果。交通信號(hào)燈控制器主要由秒脈沖發(fā)生器、定時(shí)器、控制器、譯碼顯示電路及信號(hào)燈組成。秒脈沖發(fā)生器由74LS292分頻器實(shí)現(xiàn)1Hz分頻。定時(shí)器采用同步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器74LS190實(shí)現(xiàn)50S、30S、5S倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)?？刂破饔蒍K觸發(fā)器組成，實(shí)現(xiàn)四種狀態(tài)循環(huán)。譯碼顯示電路通過七段顯示譯碼器7447及七段顯示數(shù)碼管連接而實(shí)現(xiàn)?？刂破魍ㄟ^定時(shí)器產(chǎn)生的信號(hào)來轉(zhuǎn)變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字顯示與紅綠黃燈的轉(zhuǎn)換的控制。關(guān)鍵詞：分頻器、定時(shí)器、控制器、譯碼顯示目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)目的與要求11.1設(shè)計(jì)任務(wù)11.2設(shè)計(jì)要求12模塊及其原理介紹22.1分頻器模塊22.2主控制器模塊 22.3計(jì)數(shù)器模塊32.4數(shù)碼管顯示模塊42.5交通燈顯示模塊52.6復(fù)位功能模塊62.7特殊功能模塊73設(shè)計(jì)方案83.1設(shè)計(jì)框圖83.2總體方案設(shè)計(jì) 83.3系統(tǒng)總體電路 94實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析94.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果95結(jié)論與問題討論105.1問題105.2解決方法105.3完成設(shè)計(jì)要求程度105.4總結(jié)10參考文獻(xiàn)101設(shè)計(jì)任務(wù)目的與要求1．1設(shè)計(jì)任務(wù)：

設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的紅、綠、黃三色信號(hào)交通燈控制電路。

1．2設(shè)計(jì)要求：

1).

用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號(hào)燈。主干道為東西向，有紅、綠、黃三個(gè)燈；支干道為南北向，也有紅、綠、黃三個(gè)燈。紅燈亮禁止通行；綠燈亮允許通行；黃燈亮那么給行駛中的車輛有時(shí)間?？康浇芯€之外。

2).由于主干道車輛較多而支干道車輛較少，所以主干道綠燈時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)主干道允許通行亮綠燈時(shí)，支干道亮紅燈。而支干道允許通行亮綠燈時(shí)，主干道亮紅燈，兩者交替重復(fù)。主干道每次放行50秒，支干道每次放行30秒。

在每次由亮綠燈變成亮紅燈的轉(zhuǎn)換過程中間，需要亮5秒的黃燈作為過渡，以使行駛中的車輛有時(shí)間停靠到禁行線以外。

3).

能實(shí)現(xiàn)正常的、即時(shí)顯示功能。用DE2上的四個(gè)七段數(shù)碼管作為倒計(jì)時(shí)顯示器。分別顯示東西、南北方向的紅燈、綠燈、黃燈時(shí)間。

4).能實(shí)現(xiàn)特殊狀態(tài)的功能顯示。設(shè)S為特殊狀態(tài)的傳感器信號(hào)，當(dāng)Ｓ=1時(shí)，進(jìn)入特殊狀態(tài)。當(dāng)Ｓ=0時(shí)，退出特殊狀態(tài)。按S后，能實(shí)現(xiàn)特殊狀態(tài)功能：

〔1〕顯示器閃爍；

〔2〕計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)并保持在原來的數(shù)據(jù)；

〔3〕東西、南北路口均顯示紅燈狀態(tài)；

〔4〕特殊狀態(tài)結(jié)束后，能繼續(xù)對(duì)時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)。

5).能實(shí)現(xiàn)總體清零功能。按下R后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總清零，計(jì)數(shù)器由初始狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，對(duì)應(yīng)狀態(tài)的指示燈亮。

6〕.利用QUARTUSⅡ軟件，設(shè)計(jì)符合以上功能要求的交通燈控制器。用圖形輸入方法?？刂破鳌⒂?jì)數(shù)器的功能用功能仿真的方法驗(yàn)證，可通過觀察有關(guān)波形確認(rèn)電路設(shè)計(jì)是否正確。通過編譯，仿真和綜合，并下載到相應(yīng)芯片中實(shí)現(xiàn)，最后在學(xué)習(xí)機(jī)上驗(yàn)證設(shè)計(jì)課題的正確性。在學(xué)習(xí)機(jī)上驗(yàn)證結(jié)果。2模塊及其原理介紹2.1分頻器模塊本次課設(shè)所使用的DE-II板提供頻率為50MHz的信號(hào)輸入，而我們?cè)O(shè)計(jì)所需要的頻率為1Hz，因此我們要對(duì)其進(jìn)行分頻處理。我們采用74LS292分頻器，通過對(duì)E.D.C.B.A五個(gè)引腳分別輸入高.高.低.低.高電平，實(shí)現(xiàn)約為1Hz分頻，作為定時(shí)器的輸入信號(hào)。2.2主控制器模塊根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)，共有4種狀態(tài)，可以用二位二進(jìn)制碼〔Q1

Q0〕表示，實(shí)現(xiàn)主黃支紅(S0)、主紅支綠(S1)、主綠支黃(S2)、主綠支紅(S3)四個(gè)狀態(tài)循環(huán),那么有如下列圖所示交通燈控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。根據(jù)這個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可得出狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表，從而得到主控制器的電路。設(shè)A為倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)輸出信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)完成時(shí)輸出1，計(jì)數(shù)未完成時(shí)輸出0。主控制器是由兩個(gè)JK觸發(fā)器連接而成，當(dāng)計(jì)數(shù)完成時(shí)，觸發(fā)器便會(huì)從一個(gè)狀態(tài)跳到下一個(gè)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。主控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖00011011000011011101101100主控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表根據(jù)真值表可以得到Q1*、Q0*的真值表000110110011110110000110110010111010那么Q1、Q0的狀態(tài)方程分別為:那么Q1、Q0的狀態(tài)方程分別為：Q0*=AQ1’Q0’+A’Q1’Q0+AQ1Q0’+A’Q1Q0’=A’Q0+AQ0Q1*=A’Q1+AQ1’Q0+AQ1Q0’=(A’+Q0’)Q1+AQ0Q1’又因?yàn)椴捎肑K觸發(fā)器，那么其驅(qū)動(dòng)方程為Q*=J’Q+KQ’,那么J0=A’=K0J1=A’+Q0’=K1因此我們可以將J、K端接在一起，接成T觸發(fā)器，那么T0=A’T1=A’+Q0’主控制器模塊電路如下所示：2.3計(jì)數(shù)器模塊設(shè)計(jì)要求對(duì)不同的狀態(tài)維持的時(shí)間不同，而且要以十進(jìn)制倒計(jì)時(shí)顯示出來。主支干道分別采用兩個(gè)74LS168完成計(jì)時(shí)器狀態(tài)產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路:要以十進(jìn)制輸出，而又有一些狀態(tài)維持時(shí)間超過10秒，那么必須用兩個(gè)74LS168分別產(chǎn)生個(gè)位和十位的數(shù)字信號(hào)。我們可以通過將74LS168的時(shí)鐘CLK端接秒脈沖從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。同時(shí)74LS168計(jì)數(shù)器是十進(jìn)制減法同步計(jì)數(shù)器，而且其具有同步置數(shù)〔上升沿〕的功能，因此我們可以采用置數(shù)法，根據(jù)主控制器狀態(tài)給計(jì)數(shù)器置入對(duì)應(yīng)的倒計(jì)時(shí)間。S0狀態(tài)時(shí)，主干道黃燈亮置入05S，支干道紅燈亮置入05S；S1狀態(tài)時(shí)，主干道紅燈亮置入35S,支干道綠燈亮置入30S；S2狀態(tài)時(shí)，主干道紅燈亮置入05S，支干道黃燈亮置入05S;S3狀態(tài)時(shí)，主干道綠燈亮置入50S，支干道紅燈亮置入55S。設(shè)D31、D21、D11、D01為主干道十位置數(shù)端，D30、D20、D10、D00為主干道個(gè)位置數(shù)端；設(shè)d31、d21、d11、d01為支干道十位置數(shù)端，d30、d20、d10、d00為支干道個(gè)位置數(shù)端，因此可得主支干道置數(shù)真值表：Q1Q0D31D21D11D01D30D20D10D000000000101010011010110000001011101010000主干道置數(shù)真值表Q1Q0d31d21d11d01d30d20d10d000000000101010011000010000001011101010101支干道置數(shù)真值表那么得到主干道真值表達(dá)式為：D31=0 D21=Q1Q0 D11=Q1’Q0 D01=Q1’Q0+Q1Q0=Q0D30=D10=0 D20=D00=Q1’+Q1Q0’=Q1’+Q0’支干道真值表達(dá)式為：d31=0 d21=Q1Q0 d11=Q1’Q0 d01=Q0d30=d10=0 d20=d00=Q1+Q1’Q0’=Q1+Q0’那么置數(shù)模塊電路如下所示：主干道置數(shù)電路支干道置數(shù)電路當(dāng)74LS168的U/DN端為低電平時(shí)，進(jìn)行減法運(yùn)算。又因?yàn)槿粘Ｉ钪薪煌舻褂?jì)時(shí)顯示不會(huì)出現(xiàn)“00〞，因此我們?cè)谥鞲傻烙?jì)數(shù)器或支干道計(jì)數(shù)器減到01的時(shí)候均輸出低電平的置數(shù)脈沖，從而進(jìn)行下一狀態(tài)的倒計(jì)時(shí)顯示。倒計(jì)時(shí)模塊電路如下：主干道計(jì)數(shù)模塊支干道計(jì)數(shù)模塊2.4數(shù)碼管顯示模塊我們采用7447譯碼器加共陰七段數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)時(shí)間顯示功能，其電路如下所示：2.5交通燈顯示模塊交通燈顯示是表示電路所處的狀態(tài)，受主控制器控制，即主控制器的狀態(tài)決定主干道支干道的交通燈顯示。設(shè)G、Y、R分別表示主干道的綠、黃、紅燈；g、y、r分別表示支干道的綠、黃、紅燈，值為1時(shí)表示該燈亮，值為0時(shí)表示燈滅。設(shè)S為緊急開關(guān)，當(dāng)S為1時(shí)，表示按下緊急按鈕，僅主干道和支干道的紅燈亮，其余燈不亮；當(dāng)S=0時(shí)，電路維持正常,S0時(shí)主黃支紅；S1時(shí)主紅支綠；S2時(shí)主紅支黃；S3時(shí)主綠支紅。因此可得到交通燈的真值表：SQ1Q0GYRgyr1XX001001000010001001001100010001010011100001那么真值表達(dá)式為：G=Q1Q0S’ Y=Q1’Q0’S’ R=Q1’Q0+Q1Q0’+Sg=Q1’Q0S’ y=Q1Q0’S’ r=Q1Q0+Q1’Q0’+S那么交通燈顯示模塊電路如下所示：2.6復(fù)位功能模塊當(dāng)按下復(fù)位按鈕，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)總清零，計(jì)數(shù)器由初始狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，而我們所使用的JK觸發(fā)器具有同步清零功能，那么我們可以在按下按鈕時(shí)輸入清零信號(hào)〔低電平有效〕，讓主控制器進(jìn)入初始狀態(tài)，同時(shí)輸入到計(jì)數(shù)器的置數(shù)端置入初始狀態(tài)的倒計(jì)時(shí)間。復(fù)位功能電路總體置數(shù)信號(hào)輸入電路2.7特殊功能模塊設(shè)按下特殊功能鍵輸入高電平，那么取反后與秒脈沖相或，當(dāng)秒脈沖為低時(shí)，輸出低電平，并接到7447的BIN端〔7447的BIN端為滅燈控制端，低電平有效〕，此時(shí)數(shù)碼管滅，當(dāng)秒脈沖回到高電平時(shí)，輸出高電平，數(shù)碼管亮，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示閃爍。我們把按下特殊按鈕的高電平輸入分別輸入到主干道、支干道的個(gè)位計(jì)數(shù)器的EP、ET端〔EP、ET為計(jì)數(shù)使能端，低電平有效〕，那么主支的個(gè)位計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，十位計(jì)數(shù)器也會(huì)停止計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的數(shù)值保持不變3設(shè)計(jì)方案3.1設(shè)計(jì)框圖GR倒計(jì)時(shí)顯示倒計(jì)時(shí)顯示yrGR倒計(jì)時(shí)顯示倒計(jì)時(shí)顯示yrgY控制控制主控制器控制控制主控制器主干道計(jì)數(shù)器支干道計(jì)數(shù)器主干道計(jì)數(shù)器支干道計(jì)數(shù)器反應(yīng)反應(yīng)反應(yīng)反應(yīng)時(shí)鐘沖輸入時(shí)鐘沖輸入復(fù)位按鈕特殊按鈕3.2總體方案設(shè)計(jì)狀態(tài)控制器主要記錄交通燈的工作狀態(tài)：主黃支紅、主紅支綠、主綠支黃、主綠支紅；主狀態(tài)譯碼器通過與非門點(diǎn)亮相應(yīng)狀態(tài)的信號(hào)燈；秒信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生整個(gè)定時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間脈沖，頻率為1Hz；通過減法計(jì)數(shù)器對(duì)秒脈沖減計(jì)數(shù)，到達(dá)每一種工作狀態(tài)持續(xù)時(shí)間。減法計(jì)數(shù)器減至1輸出脈沖使?fàn)顟B(tài)控制器完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時(shí)主狀態(tài)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)下一個(gè)工作狀態(tài)決定下一次減計(jì)數(shù)的初始值。減法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)由BCD譯碼器譯碼，數(shù)碼管顯示。2.3系統(tǒng)總體電路4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析我們運(yùn)用quartus軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行時(shí)序仿真和功能仿真，仿真通過后下載到DE-II板，運(yùn)行程序，觀察并記錄結(jié)果：開始時(shí)，主干道黃燈亮，支干道紅燈亮，主支干道數(shù)碼管分別顯示“05〞“05〞字樣。然后主干道05秒倒計(jì)到01秒后跳變到紅燈，進(jìn)行35秒倒計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示“35〞，支干道05秒倒計(jì)到01秒后跳變到綠燈，進(jìn)行30秒倒計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示“30〞；支干道30秒倒計(jì)時(shí)結(jié)束后跳變到黃燈，進(jìn)行5秒倒計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示“05〞，經(jīng)行30秒倒計(jì)時(shí)，主干道仍為紅燈，進(jìn)行5秒倒計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示“05〞；主干道5秒倒計(jì)時(shí)結(jié)束后跳變?yōu)榫G燈，進(jìn)行50秒倒計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示“50〞，支干道5秒倒計(jì)時(shí)結(jié)束后跳變?yōu)榧t燈，進(jìn)行55秒倒計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示“55〞；經(jīng)過50秒倒計(jì)時(shí)，主干道跳變?yōu)辄S燈，進(jìn)行5秒倒計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示“05〞，而支干道仍為紅燈，進(jìn)行5秒倒計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示“05〞。此時(shí)交通燈回到主干道黃燈亮，支干道紅燈亮的狀態(tài)，重新開始下一個(gè)循環(huán)的計(jì)時(shí)。當(dāng)閉合特殊按鈕“S"鍵時(shí)，可以看到僅主干道和支干道紅燈同時(shí)亮，計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示閃爍；當(dāng)斷開“S"鍵時(shí)，交通燈恢復(fù)正常工作。當(dāng)按下復(fù)位按鈕“R〞鍵時(shí)，可以看到交通燈回到最開始的狀態(tài):主干道黃燈亮，支干道紅燈亮，主支干道數(shù)碼管