“交通灯控制与交通灯控制与显示示电路路 综合合设计实验 一、实验目的一、实验目的1掌握组合逻辑电路的设计方法；掌握组合逻辑电路的设计方法；2掌握时序逻辑电路的设计方法；掌握时序逻辑电路的设计方法；3初步具备数字系统的综合设计才干；初步具备数字系统的综合设计才干；4学会数字电路的软件仿真；学会数字电路的软件仿真；5掌握数字电路的安装和调试方法。掌握数字电路的安装和调试方法。二、二、实验阐明明该综合合实验按分步按分步实施方式施方式进展。全部展。全部实验分分为四四部分：部分：第一，方案第一，方案设计；第二，第二，组合合逻辑电路的路的设计与与实现；第三，第三，时序序逻辑电路的路的设计与与实现；第四，采用第四，采用CPLD/FPGA可可编程器件程器件实现整个整个实验。 该综合合设计实验采用采用实际设计、软件仿真和件仿真和电路安装与路安装与调试三步走，以提高学生的三步走，以提高学生的综合合设计与与实际动手才干。手才干。三、三、实验元器件元器件该综合合实验采取两种不同的技采取两种不同的技术手段手段实现：1常用中、小常用中、小规模数字模数字电路：集成路：集成逻辑门、集成集成编码器、集成器、集成译码器、集成数据器、集成数据选择器、集成器、集成计数器等。数器等。2CPLD/FPGA可可编程器件。程器件。“交通灯控制与交通灯控制与显示示电路路综合合设计实验1方案方案设计课外完成外完成一、问题描画一、问题描画 设计并实现一十字路口的红、绿、黄三色交通设计并实现一十字路口的红、绿、黄三色交通灯控制与显示电路，即每个路口设置一组红、黄、灯控制与显示电路，即每个路口设置一组红、黄、绿交通灯，按图绿交通灯，按图1所示情况变化，以保证车辆、行所示情况变化，以保证车辆、行人通行平安。人通行平安。图图1二、功能分析二、功能分析1根本功能根本功能见前面前面图2扩展功能展功能1特殊形状控制功能特殊形状控制功能 特殊形状如特殊形状如紧急急车辆随随时通行功能受一开关控制，通行功能受一开关控制，无急无急车时，信号灯按正常，信号灯按正常时序控制。有急序控制。有急车来来时，将特殊形状开关按下，不将特殊形状开关按下，不论原来信号灯的形状如何，原来信号灯的形状如何，一概一概强迫迫让两个方向的两个方向的红灯同灯同时点亮，制止其它点亮，制止其它车辆通行，同通行，同时计时停停顿；特殊形状；特殊形状终了后，恢复原了后，恢复原来形状来形状继续运运转。2信号灯点亮信号灯点亮时间预置功能置功能控制控制电路在任何路在任何时候可根据候可根据实践情况修正信号灯点践情况修正信号灯点亮亮时间。3各路口交通灯缺点各路口交通灯缺点报警功能警功能选做做交通灯控制交通灯控制电路路发出警出警报，阐明各路口交通灯同明各路口交通灯同时熄熄灭或点亮的情况不符合或点亮的情况不符合预定要求。定要求。三、设计义务与要求三、设计义务与要求 假设东西方向的绿灯点亮时间为假设东西方向的绿灯点亮时间为Te ，同时也是，同时也是南北方向的禁行时间；南北方向的绿灯点亮时间为南北方向的禁行时间；南北方向的绿灯点亮时间为Ts ，同时也是东西方向的禁行时间；此外，东西、，同时也是东西方向的禁行时间；此外，东西、南北方向的黄灯点亮时间均为南北方向的黄灯点亮时间均为Ty 。1参考图参考图1，定义交通灯的形状，确定形状表；，定义交通灯的形状，确定形状表；2根据实践交通灯转换过程，设计交通灯的形状转根据实践交通灯转换过程，设计交通灯的形状转换图；换图；3按交通灯的功能要求，设计系统的电路模块图。按交通灯的功能要求，设计系统的电路模块图。四、设计思绪：四、设计思绪：1参考图参考图1，定义交通灯的形状，确定形状表；，定义交通灯的形状，确定形状表；状状态东西方向东西方向南北方向南北方向时间（s s）S S0 0绿灯亮绿灯亮红灯亮红灯亮TeS S1 1黄灯亮黄灯亮红灯亮红灯亮TyS S2 2红灯亮红灯亮绿灯亮绿灯亮TsS S3 3红灯亮红灯亮黄灯亮黄灯亮Ty状状态东西方向东西方向南北方向南北方向时间（s s）S S0 0绿灯亮绿灯亮红灯亮红灯亮TeS S1 1黄灯亮黄灯亮红灯亮红灯亮TyS S2 2红灯亮红灯亮绿灯亮绿灯亮TsS S3 3红灯亮红灯亮黄灯亮黄灯亮Ty形状转换图形状转换图2、设计的系的系统模模块框框图分分为两部分两部分 ：第一部分：第一部分：组合合逻辑电路部分路部分处理三个理三个问题：1不同形状下交通灯的控制；不同形状下交通灯的控制；2交通灯灯亮交通灯灯亮时间的的预置；置；3交通灯灯亮交通灯灯亮时间的的显示。示。形状形状输入输入形状译码、形状译码、输出电路输出电路交通灯单元交通灯单元6对对灯亮时间灯亮时间预置电路预置电路计时显示电路计时显示电路两位两位第二部分：时序逻辑电路部分第二部分：时序逻辑电路部分处理两个问题：处理两个问题：1交通灯灯亮时间的倒计时；交通灯灯亮时间的倒计时；2交通灯不同形状的产生及其转换；交通灯不同形状的产生及其转换；形状产生及形状产生及其转换电路其转换电路时间倒计时时间倒计时电路电路时间时间显示显示形状形状输出输出时间预时间预置电路置电路“交通灯控制与交通灯控制与显示示电路路综合合设计实验2组合合逻辑电路路设计一、一、义务与要求与要求由数据由数据选择器、器、译码器和集成器和集成门等集成等集成电路器件路器件设计“交通灯控制与交通灯控制与显示示电路中的路中的组合合逻辑电路部分，路部分，详细要求如下：要求如下：1将形状信号将形状信号译码为东西、南北方向西、南北方向6对交通交通灯的控制信号，灯的控制信号，实现正常正常时序控制功能；序控制功能；2特殊形状期特殊形状期间，东西、南北两个方向的西、南北两个方向的红灯灯同同时发亮，亮，实现特殊形状控制功能；特殊形状控制功能； 3将将东西方向、南北方向的灯亮西方向、南北方向的灯亮时间分分别用数用数码管管显示；示； 4根据不同的形状信号分根据不同的形状信号分别预置相置相应的灯亮的灯亮时间数据数据Te、Ty、Ts和和Ty，其范，其范围为0099s，2位位BCD码方式；方式；5写出写出设计步步骤，画出，画出设计的的逻辑电路路图；6对设计的的电路路进展仿真、修正，使仿真展仿真、修正，使仿真结果果到达到达设计要求；要求；7安装并安装并测试电路的路的逻辑功能。功能。 二、二、设计思思绪：主要主要处理三个理三个问题：1不同形状下交通灯的控制；不同形状下交通灯的控制；2交通灯灯亮交通灯灯亮时间的的预置；置；3交通灯灯亮交通灯灯亮时间的的显示。示。形状形状输入输入形状译码、形状译码、输出电路输出电路交通灯单元交通灯单元6对对灯亮时间灯亮时间预置电路预置电路计时显示电路计时显示电路两位两位1形状形状译码电路、路、输出出电路及其交通灯路及其交通灯单元的元的设计思思绪 该电路的主要功能是根据不同的形状信号路的主要功能是根据不同的形状信号实现对交通灯的控交通灯的控制。其制。其设计框框图如下如下图。 “形状形状译码电路采用二路采用二进制制译码器器74LS实现； “输出出电路采用集成路采用集成逻辑门实现； “交通灯交通灯单元采用普通的元采用普通的红色、色、绿色和黄色色和黄色发光二极管；光二极管； “接口接口电路起信号路起信号驱动作用，作用，视实验情况的不同情况的不同选用。用。 设灯亮为“1，灯灭为“0，交通灯的4种形状S0S3分别编码为00、01、10、11， 特殊形状用S表示，进入特殊形状为“1， 这时两个方向的红灯同时点亮，正常形状为“0。那么可列出真值表学生做。特特殊殊状状态正常正常状状态（4 4种）种）状状态指示信指示信号号（4 4种）种）东西方向东西方向交通灯交通灯（3 3种）种）南北方向南北方向交通灯交通灯（3 3种）种）S SA A1 1A A0 0SQSQ0 0SQSQ1 1SQSQ2 2SQSQ3 3EGEG ERER EYEY SGSG SRSR SYSY1 1x xx x1 11 11 11 10 01 10 00 01 10 00 00 00 00 01 11 11 11 10 00 00 01 10 00 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 10 00 01 10 01 11 10 01 10 01 10 01 10 00 00 01 11 11 11 11 10 00 01 10 00 00 01 12时间预置电路的设计思绪时间预置电路的设计思绪 该电路的主要功能是根据不同的形状信号输入相该电路的主要功能是根据不同的形状信号输入相应的时间预置数据，从而确定交通灯的灯亮时间。应的时间预置数据，从而确定交通灯的灯亮时间。 状状态A A1 1A A0 0运行运行时间十位十位预置数据置数据BCDBCD码个位个位预置数据置数据BCDBCD码0000Te （20s） 00100010000000000101Ty（5s）00000000010101011010Ts（10s）00010001000000001111Ty（5s）0000000001010101时间预置电路的设计框图时间预置电路的设计框图3计时显示电路的设计思绪计时显示电路的设计思绪 将倒计时电路产生的输出经显示译码器将倒计时电路产生的输出经显示译码器CD4511和数和数码管进展显示。码管进展显示。三、原理图绘制与电路仿真三、原理图绘制与电路仿真 用用proteus软件绘制出该电路的原理图，对所软件绘制出该电路的原理图，对所设计的电路进展仿真实验。设计的电路进展仿真实验。 在仿真过程中，分别改动形状信号及特殊形状在仿真过程中，分别改动形状信号及特殊形状信号，验证电路的逻辑功能能否到达设计要求。信号，验证电路的逻辑功能能否到达设计要求。四、四、电路安装与路安装与调试 1. 电路路规划划 在多孔在多孔电路路实验板上装配板上装配电路路时，首先，首先应熟熟习其其构造。明确哪些孔眼是构造。明确哪些孔眼是连通的，并安排好通的，并安排好电源正、源正、负引出引出线在在实验板上的位置。板上的位置。 电路路规划划时应安排好各个集成安排好各个集成块的位置，以方便的位置，以方便连线为原那么。原那么。电路与外接路与外接仪器的器的衔接端、接端、测试端要布置合理，便于操作。形状信号、端要布置合理，便于操作。形状信号、预置数据置数据的的输入端点入端点应方便改方便改动其其电平。平。 2安装与安装与调试方法方法 电路安装前，要先路安装前，要先检测所用集成所用集成电路及其它元路及其它元器件的好坏。安装完成后，要用万用表器件的好坏。安装完成后，要用万用表检测电路路接触能否可靠、接触能否可靠、电源源电压大小、极性能否正确。大小、极性能否正确。一切正常后才干通一切正常后才干通电调试。 实验调试时，留意，留意发光二极管不能光二极管不能过亮。假亮。假设过亮，可串接一个亮，可串接一个100欧左右的限流欧左右的限流电阻。阻。 调试过程中，最好分程中，最好分块进展，如首先展，如首先调试“形状形状译码电路、路、 然后然后调试“输出出电路及其交通灯路及其交通灯单元，最后元，最后调试“时间预置置电路。路。五、设计、仿真及实验问题研讨五、设计、仿真及实验问题研讨六、设计与测试报告要求六、设计与测试报告要求 见实验电子文档。见实验电子文档。“交通灯控制与交通灯控制与显示示电路路综合合设计实验3时序序逻辑电路路设计一、一、义务与要求与要求 由集成触由集成触发器、集成器、集成计数器等集成器件数器等集成器件设计“交通灯控制交通灯控制电路中的路中的时序序逻辑电路部分，并在路部分，并在实验2的根底上的根底上完成整个控制完成整个控制电路的路的调试。详细要求如下：要求如下：1交通灯的不同形状交通灯的不同形状转换时分分别产生相生相应的形状信号；的形状信号；2对交通灯不同形状的灯亮交通灯不同形状的灯亮时间Te、Ty、Ts分分别进展减法展减法计数，数，实现倒倒计时功能；功能；3 特殊形状期特殊形状期间，计时停停顿；特殊形状；特殊形状终了后，恢复正常了后，恢复正常计时；4写出写出设计步步骤，画出，画出设计的的逻辑电路路图；5对设计的的电路路进展仿真、修正，使仿真展仿真、修正，使仿真结果到达果到达设计要要求；求；6安装并安装并测试电路的路的逻辑功能；功能；7将将实验2、实验(3)电路路衔接起来，完成整个控制接起来，完成整个控制电路的路的调试。二、设计思绪二、设计思绪1时间倒倒计时电路的路的设计思思绪 该电路在秒信号作用下，分路在秒信号作用下，分别以不同形状的灯亮以不同形状的灯亮时间Te、Ty、Ts和和Ty作作为开开场计时的初始的初始值进展减法展减法计数循数循环。 每当每当计时到到00时，向，向“形状形状产生生电路路发出出计时终了信号。了信号。改改动这些初始些初始值即可即可实现信号灯点亮信号灯点亮时间修正的功能。修正的功能。 采用采用2片具有置数功能的集成十片具有置数功能的集成十进制加制加/减可逆减可逆计数器数器74LS192组成成时间倒倒计时电路。路。时间倒计时电路的设计框图时间倒计时电路的设计框图2形状形状产生生电路的路的设计思思绪 该电路的主要功能是根据路的主要功能是根据实践交通灯的践交通灯的转换过程，程，产生相生相应的形状信号供其它的形状信号供其它电路运用。路运用。 根据根据设计思思绪，交通灯共有，交通灯共有4个不同形状：个不同形状：00、01、10和和11。只需当倒只需当倒计时时间终了了时交通灯的形状才交通灯的形状才发生生变化，故可将化，故可将“时间倒倒计时电路路产生的生的计时终了信号作了信号作为形状形状变化的控制信号。化的控制信号。 为此，将此，将该信号作信号作为一个同步一个同步2位二位二进制加制加计数器的数器的时钟脉脉冲即可，冲即可，计数器采用数器采用JK触触发器或器或D触触发器器实现。三、原理三、原理图绘制与制与电路仿真路仿真 用用proteus软件件绘制出制出该电路的原理路的原理图，对所所设计的的电路路进展仿真展仿真实验。 在仿真在仿真过程中，分程中，分别手工改手工改动每个形状的每个形状的时间预置数据，察看置数据，察看电路的仿真运路的仿真运转结果；果； 将将实验2、实验(3)电路路衔接起来，接起来，验证电路路的的逻辑功能能否到达功能能否到达设计要求。要求。四、四、电路安装与路安装与调试 该电路与路与实验1电路之路之间的接口的接口应方便方便连线，最好在各自的最好在各自的衔接接线上做好上做好标志。志。 电路安装前，首先路安装前，首先检测所用集成所用集成电路及其它元器路及其它元器件的好坏。安装完成后，要用万用表件的好坏。安装完成后，要用万用表检测电路接路接触能否可靠、触能否可靠、电源源电压大小、极性能否正确。一大小、极性能否正确。一切正常后才干通切正常后才干通电调试。 实验调试时，利用，利用实验室信号源室信号源产生秒脉冲信号。生秒脉冲信号。 分步伐分步伐试：1手工手工设置某一置某一时间预置数据，置数据，调试“时间倒倒计时电路；路； 2调试“形状形状产生生电路；路；3将将实验2、实验3电路路衔接起来，完成接起来，完成整个控制整个控制电路的路的调试。五、设计、仿真及实验问题研讨五、设计、仿真及实验问题研讨六、设计与测试报告要求六、设计与测试报告要求 见实验电子文档。见实验电子文档。