數(shù)字電路交通燈設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)11交通燈控制器的設(shè)計(jì)〔綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)〕二、設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口交通燈定時(shí)控制系統(tǒng)：①主、支干道交替通行，主道每次放行30秒，支道每次放行20秒。②綠燈亮表示可以通行，紅燈亮表示禁止通行。③當(dāng)綠燈變紅燈時(shí)，黃燈先亮5秒，此時(shí)另一干道上的紅燈不變。④主、支路口要有數(shù)字顯示，作為時(shí)間提示，以便人們更直觀地把握時(shí)間。具體要求主、支干道通行時(shí)間及黃燈亮的時(shí)間均以秒為單位作減計(jì)數(shù)。⑤黃燈亮?xí)r，紅燈按1HZ的頻率閃爍。⑥要求主、支干通道通行時(shí)間及黃燈亮的時(shí)間均可在0～99S內(nèi)任意設(shè)定。三、設(shè)計(jì)方案該交通燈定時(shí)控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。由狀態(tài)控制器、狀態(tài)譯碼器、減法計(jì)數(shù)器、秒脈沖發(fā)生等組成。狀態(tài)控制器主要用于記錄十字路口交通燈的工作狀態(tài)，通過狀態(tài)譯碼器分別點(diǎn)亮相應(yīng)狀態(tài)的信號燈。秒信號發(fā)生器產(chǎn)生整個(gè)定時(shí)系統(tǒng)的時(shí)基脈沖，通過減法計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)，控制每一種工作狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。減法計(jì)數(shù)器的回零脈沖使?fàn)顟B(tài)控制器完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時(shí)狀態(tài)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)下一個(gè)工作狀態(tài)決定計(jì)數(shù)器下一次減計(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。在黃燈亮期間，狀態(tài)譯碼器將秒脈沖引入紅燈控制電路，使紅燈閃爍。譯碼、顯示譯碼、顯示減法計(jì)數(shù)器秒脈沖發(fā)生器狀態(tài)控制器置數(shù)控制狀態(tài)譯碼器紅燈閃爍控制支干道信號燈主干道信號燈圖1交通燈控制系統(tǒng)原理框圖四、單元電路設(shè)計(jì)1．狀態(tài)控制器設(shè)計(jì)〔1〕交通燈順序工作流程圖如圖2所示。主干道綠燈亮支干道紅燈亮主干道綠燈亮支干道紅燈亮〔30進(jìn)制計(jì)數(shù)器減一〕主干道紅燈閃爍支干道黃燈亮〔5進(jìn)制計(jì)數(shù)器減一〕主干道紅燈亮支干道綠燈亮〔20進(jìn)制計(jì)數(shù)器減一〕主干道黃燈亮支干道紅燈閃爍〔5進(jìn)制計(jì)數(shù)器減一〕30秒末到 5秒末到 20秒末到5秒末到圖2交通燈順序工作流程圖(2)狀態(tài)控制器信號燈四種不同的狀態(tài)分別用〔主綠燈亮，支紅燈亮〕、S1〔主黃燈亮，支紅燈閃爍〕、S2〔主紅燈亮，支綠燈亮〕、S3〔主紅燈閃爍，支黃燈亮〕表示，其狀態(tài)編碼及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖3所示。SS0=00S1=01S2=10S3=11圖3交通燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖S0狀態(tài)用Q1Q0=00表示，S1狀態(tài)用Q1Q0=01表示，S2狀態(tài)用Q1Q0=10表示，S3狀態(tài)用Q1Q0=11表示，顯然，這是一個(gè)二位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器?？刹捎弥幸?guī)模二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4029或74LS161等實(shí)現(xiàn)，這里我們可以應(yīng)用74LS162來實(shí)現(xiàn)，74LS162是同步四位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，功能表如表1所示，具有同步清零功能。當(dāng)CLR=0，在CLK脈沖的上升沿到來時(shí)，將輸出端QAQBQCQD清為低電平。表174162的功能表輸入輸出CLKCLR’LOADENPENTABCDQAQBQCQD↑0×××××××0000↑10××abcdabcd×1101××××保持×11×0××××保持(C=0)↑1111××××計(jì)數(shù)根據(jù)需要對照功能表連接電路，用反應(yīng)歸零法設(shè)計(jì)二位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，74162的輸出端QA、QB經(jīng)與非門接同步清零端CLR’，交通燈狀態(tài)控制電路如圖4所示。A代表Q1，B代表Q2，A’代表，B’代表。圖4交通燈狀態(tài)控制器設(shè)計(jì)主、支干道紅上黃、綠、黃信號〔我們用藍(lán)燈表示〕燈的狀態(tài)主要取決狀態(tài)控制器的輸出狀態(tài)。他們之間的關(guān)系見真值表如表2所示。對于信號燈的狀態(tài)，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅。表2信號燈信號真值表狀態(tài)控制器輸出主干道信號燈支干道信號燈Q2Q1R〔紅〕Y(黃)G(綠)r〔紅〕y(黃)g(綠)00110101001101001000110000010010根據(jù)真值表，可求出各信號燈的邏輯函數(shù)表達(dá)式為：交通燈狀態(tài)顯示電路如圖5所示，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，當(dāng)黃燈亮?xí)r，紅燈應(yīng)按1HZ的頻率閃爍。從狀態(tài)譯碼器真值表中看出，黃燈亮?xí)r，Q1必為高電平；而紅燈點(diǎn)亮信號與Q1無關(guān)。現(xiàn)利用Q1信號去控制一三態(tài)門電路〔或模擬開關(guān)〕，當(dāng)Q1為高電平時(shí)，將秒信號脈沖引到驅(qū)動紅燈的與非門的輸入端，是紅燈在黃燈亮期間閃爍；反之將其隔離，紅燈信號不受黃燈信號的影響。根據(jù)信號燈真值表及邏輯函數(shù)表達(dá)式，設(shè)計(jì)交通燈狀態(tài)譯碼器電路。兩個(gè)狀態(tài)控制信號A、B分別應(yīng)該接圖4中的A、B，仿真時(shí)臨時(shí)選用兩個(gè)手動開關(guān)健入。秒信號發(fā)生器暫時(shí)選擇1HZ的時(shí)鐘源。輸出端我們用彩色指示燈表示，彩色指示燈是單端高電平輸入有效，這樣選擇簡化了電路結(jié)構(gòu)。雙擊彩色燈彈出對話框，選擇“ChooseProbe”中的“GreenProbe”點(diǎn)確定，當(dāng)電路中它的輸入是高電平時(shí)，他就會變成綠色。因?yàn)闆]有黃色指示燈，我們用藍(lán)燈代表黃色指示燈。圖5交通燈狀態(tài)顯示電路3.定時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，交通燈控制系統(tǒng)要有一個(gè)能自動裝入不同定時(shí)時(shí)間的定時(shí)器，來完成30秒、20秒、5秒的定時(shí)任務(wù)。采用同步十進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器74LS190，它可進(jìn)行加法、減法計(jì)數(shù)，它有計(jì)數(shù)使能控制輸入，有級聯(lián)脈動時(shí)鐘輸出，有預(yù)置數(shù)，禁止計(jì)數(shù)等功能，但無清零功能?！?〕74LS190的功能表374LS190功能輸入輸出LOADCTENU/DCLKABCDQAQBQCQD100↑××××加法計(jì)數(shù)0××↑abcdabcd101↑××××減法計(jì)數(shù)11××××××保持74LS190的主要功能如表3所示，下面作簡要說明。1〕預(yù)置數(shù)：當(dāng)置數(shù)端〔LOAD〕為低電平時(shí)，當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，數(shù)據(jù)輸入端信號A、B、C、D將對內(nèi)部觸發(fā)器直接置位或復(fù)位，結(jié)果使QA=A、QB=B、QC=C、QD=D，而與其他控制端的電平無關(guān)。2〕計(jì)數(shù)：在允許端CTEN為低電平，置數(shù)端無效〔LOAD=1〕的條件下，假設(shè)加／減輸入端U/D為低電平，那么可進(jìn)行加計(jì)數(shù)，假設(shè)加／減輸入端U/D為高電平，可進(jìn)行減計(jì)數(shù)。3〕禁止計(jì)數(shù)：當(dāng)允許端CTEN為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)被禁止。值得注意的是，允許端的電平應(yīng)在CP為高電平時(shí)發(fā)生變化。4〕級聯(lián)：為了便于進(jìn)行級聯(lián)，采用了兩個(gè)輸出：脈動時(shí)鐘輸出〔RCO〕和最大/最小〔MAX/MIN〕計(jì)數(shù)輸出。當(dāng)計(jì)數(shù)器發(fā)生溢出或下溢時(shí)，脈動時(shí)鐘輸出將產(chǎn)生一個(gè)低電平輸出脈沖，其寬度為時(shí)鐘輸入的低電平局部，而最大/最小計(jì)數(shù)輸出將產(chǎn)生一個(gè)高電平輸出脈沖，其寬度為時(shí)鐘脈沖的整個(gè)周期。[附：級聯(lián)方法①假設(shè)使用并行時(shí)鐘脈沖，那么把脈動時(shí)鐘輸出送到下一級計(jì)數(shù)器的使能輸入。②假設(shè)使用并行使能，那么把脈動時(shí)鐘輸出送到下一級計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入。③高速應(yīng)用時(shí)，可用最大/最小計(jì)數(shù)輸出進(jìn)行超前進(jìn)位。]〔2〕五進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)五進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)電路如圖6所示，4個(gè)開關(guān)分別接74190芯片的D、C、B、A端，假設(shè)把時(shí)間設(shè)為5秒，開關(guān)DCBA分別接0101，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入端信號DCBA=0101時(shí)，置數(shù)端〔LOAD〕為低電平時(shí)，當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，結(jié)果使QDQCQBQA=DCBA=0101，把開關(guān)space接到高電平，74190從5開始進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。圖6五進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器〔3〕二十或三十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器二十或三十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)如圖7所示，先選用兩個(gè)74190芯片級聯(lián)成一個(gè)從可任意設(shè)定時(shí)間00～99倒計(jì)至00的計(jì)數(shù)器，其中作為個(gè)位數(shù)的74190芯片的CLK接秒脈沖發(fā)生器〔頻率為1〕，再把個(gè)位數(shù)74190芯片輸出端的MAX/MIN用一個(gè)非門連起來，再接在十位數(shù)74190芯片的CLK端。8個(gè)開關(guān)H、G、F、E、D、C、B、A分別接十位數(shù)和個(gè)位數(shù)74190芯片的D、C、B、A端，如把時(shí)間設(shè)為20秒，十位數(shù)74190芯片的開關(guān)HGFE=0010，個(gè)位數(shù)74190芯片的開關(guān)DCBA=0000，置數(shù)端〔LOAD〕為低電平時(shí)，當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，結(jié)果使十位數(shù)74190芯片QDQCQBQA=0010，個(gè)位數(shù)74190芯片QDQCQBQA=0000，把開關(guān)space接到高電平，計(jì)數(shù)器從20開始進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。如把時(shí)間設(shè)為30秒，十位數(shù)74190芯片的開關(guān)HGFE=0011，個(gè)位數(shù)74190芯片的開關(guān)DCBA=0000，置數(shù)端〔LOAD〕為低電平時(shí)，當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，結(jié)果使十位數(shù)74190芯片QDQCQBQA=0011，個(gè)位數(shù)74190芯片QDQCQBQA=0000，把開關(guān)space接到高電平，計(jì)數(shù)器從30開始進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。圖7二十或三十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器4．預(yù)置控制電路設(shè)計(jì)預(yù)置到減法計(jì)數(shù)器的時(shí)間通過三片74244或74LS244三態(tài)八緩沖器/線驅(qū)動器/線接收器來實(shí)現(xiàn)，74244功能表如表4所示，G’是使能控制輸入端，接低電平時(shí)工作，接高電平輸出高阻?！瞐〕(b)(c)圖8三片74LS244的輸入數(shù)據(jù)表474LS244功能表輸入輸出G’AY0000111×高阻三片74LS244的輸入數(shù)據(jù)分別接入30、20、5三個(gè)不同的數(shù)字，任一輸入數(shù)據(jù)到減法計(jì)數(shù)器的置入由狀態(tài)譯碼器的輸出信號控制不同74LS244的選通信號來實(shí)現(xiàn)如圖8。例如當(dāng)狀態(tài)控制器在S1(Q2Q1=01)或在S3(Q2Q1=11)時(shí)，要求減法計(jì)數(shù)器按初值5開始計(jì)數(shù)，故采用Q2Q1為邏輯變量而形成的控制信號Q1去控制輸入數(shù)據(jù)接數(shù)字為5的74LS244的選通信號。由于74LS244選通信號要求低電平有效，故Q1經(jīng)一級反相器后輸出接相應(yīng)74LS244的選通信號，同理，輸入數(shù)據(jù)接30的三態(tài)門74LS244的選通信號接干道綠燈信號。輸入數(shù)據(jù)接20的三態(tài)門74LS244的選通信號接干道綠燈信號。電路如圖9所示。將秒信號引入定時(shí)系統(tǒng)電路脈沖輸入端，在秒脈沖作用下，將三個(gè)74LS244的置數(shù)選通端依次接地，計(jì)數(shù)器以三個(gè)不同的置數(shù)輸入為進(jìn)制體制，完成減法計(jì)數(shù)，兩位數(shù)碼管應(yīng)有相應(yīng)的顯示。否那么應(yīng)查找原因。圖9預(yù)置控制電路5.秒信號產(chǎn)生器電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生秒信號的電路由多種形式，現(xiàn)利用555定時(shí)器組成秒信號發(fā)生器，如圖10所示。R1、R2和C是外接定時(shí)元件，將555定時(shí)器的高電平觸發(fā)端THR與低電平觸發(fā)端TRI連接在一起，接到R2和C的連接處，將放電端DIS接到R1、R2的連接處，CON端接有的濾波電容，以提高電路的穩(wěn)定性，也可不接。因?yàn)樵撾娐份敵雒}沖的周期為：〔R1+2R2〕C假設(shè)T=1s，令C=12μF，R1=47KΩ，那么R2=39KΩ，使輸出脈沖周期為1S。圖10秒信號發(fā)生器用示波器作為上圖的輸出，翻開右上腳的按鈕，然后雙擊示波器，我們可觀察到圖11所示的秒信號。如果產(chǎn)生的波形有誤差，可以稍微調(diào)節(jié)左邊電容的大小以便信號更逼真。因?yàn)樾枰a(chǎn)生秒信號，所以“Timebase”選項(xiàng)卡應(yīng)該改為1s，點(diǎn)擊“expand”，可以放大觀察。圖11秒信號顯示波形首先調(diào)試秒信號發(fā)生器。用示波器監(jiān)視秒信號發(fā)生器的輸出，使輸出信號的周期為1s。6．譯碼和顯示電路由7448和七段數(shù)碼管組成。各計(jì)數(shù)器的輸出端輸出的BCD編碼，分別送給對應(yīng)7448，經(jīng)過7448譯碼輸出的七段LED數(shù)碼管的十進(jìn)制數(shù)顯示代碼，使共陰陽七段LED數(shù)碼管，顯示出對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，一個(gè)7448和七段數(shù)碼管組成的電路如圖12所示。圖12譯碼和顯示電路五、整機(jī)電路把