实验八 交通灯控制电路的设计

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• 六、实验内容 • 1．设计、连接译码电路，其输出接主干道、支干道上的6只信号灯 （实验用电平指示灯代替），验证该电路的逻辑功能。 • 2．设计、连接秒脉冲产生电路，验证该电路的逻辑功能。 • 3．设计、连接定时电路，调试其应当完成的任务；当CP信号为 1KHZ的方波时，按照时序对应关系画出CP、Q0、Q1、Q2、Q3、 Q4、TL、TY的波形。 • 4．设计、连接控制器电路，调试其应当完成的任务； • 5．完成交通灯控制系统电路的整体调试，并检测其功能。 • 七、主要元器件 • 集成电路芯片： 74LS74 2片， 74LS10 1片， 74LS00 2片， • 74LS153 2片， 74LS163 2片， 74LS86 1片， • NE555 2片， • 电阻： 51K 1只， 电容： 10UF 1只
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• ⑷．主干道红灯亮时，支干道黄灯亮。此时主干道上的车辆禁止通行，此时支干道上 已过停车线的车辆允许通行，未过停车线的车辆禁止通行。黄灯亮足规定时间TY后， 控制器发出状态转换信号ST，转到第⑴种工作状态。 以上4种交通灯工作状态的转换是由控制器进行控制的。设控制器对这四种状态的编码 为00、01、11、10，并分别用Z0、Z1、Z2、Z3表示这四种状态，则控制器的工作四种 状态及电路的设计
• 四、设计原理与分析 • 1．分析系统的逻辑功能及其框图 • 交通灯控制系统的原理框图如图8-1所示。它主要由控制器、定时器、 译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲信号发生器是系统中 定时器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱 动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时 器和译码器的工作。图中的：TL：表示主干道或支干道绿灯亮时的时 间为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。在设定的时间内，TL = 1， 设定的时间到，TL = 0。TY：表示黄灯亮的时间为5秒，在设定的时间 内，TY = 1，设定的时间到，TY = 0。ST：表示定时器到了规定的时 间后，由控制器发出的状态转换信号。由它控制定时器开始下一个工 作状态的定时。
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图8-1
交通灯控制系统的原理框图
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• 2．交通灯控制器的工作流程 • 十字路口的交通灯控制器分为定时控制和计数控制。定时控制就是定 时器按要求设置，并发出的时间起始和终了信号来进行控制；计数控 制既是在十字路口安装有摄像头及分析计数或红外探测计数设备；当 这类计数设备，累计到在十字路口某条路上有一定的车辆数后，便立 即发出状态转换信号控制控制器，使该条路上的交通灯改变成通行信 号灯亮。下面我们对定时控制十字路口的交通灯控制器进行分析。 • ⑴．主干道绿灯亮时，支干道红灯亮。此时主干道上的车辆允许通行， 支干道禁止通行。绿灯亮足规定时间TL后，控制器发出状态转换信号 ST，转到下一工作状态。 • ⑵．主干道黄灯亮时，支干道红灯亮。此时支干道上的车辆禁止通行， 主干道上已过停车线的车辆允许通行，未过停车线的车辆禁止通行。 黄灯亮足规定时间TY后，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作 状态。 • ⑶．主干道红灯亮时，支干道绿灯亮。支干道上的车辆允许通行；绿 灯亮足规定时间TL后，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状 态。
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n n n n Q0 Q1n Q0 TL Q1nQ0 Q1nQ0 TL
n n n Q1n1 Q1nQ0 TY Q1nQ0 Q1n Q0 TY
• 三个方程，我们选用4选一数据选择器（74LS153）来实现74LS74中 两个D触发器的输入函数，将触发器的初始状态值 Q1n 、 Q0n • 加到74LS153的数据选择端作为控制信号，这样即可实现控制器的功 能。设计中考虑到上电（打开电源开关时）自动复位的问题，这里可 以用R、C构成。 • 3．声响提示电路 • 声响电路由控制器的工作四种状态中的Z1、Z3两种状态时的灯驱动信 号提供信号；因此，用一片74LS68来构成选取“01”或“10”信号到来 时，它的输出能够提供一个脉冲信号给声响驱动电路。驱动电路可用 555时基电路构成单稳态触发器，即可在黄灯亮时，每秒钟闪亮一次， 同时人行通道（斑马线）旁的报警喇叭也每秒钟响鸣一声。
2．控制器 • 控制器是交通管理的核心，它应该按照交通管理规则控制信号灯，能 够满足控制系统的工作状态进行交通信号灯的状态转换。根据交通灯 的工作状态流程图，可以列出控制器的状态转换表，见下表：选用 74LS74（双D触发器）构成时序寄存器，它们的输出作为控制器的状 态转换的4种状态；控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器的输 出状态处于 Q1nQ0n 00 状态时，如果TL = 0，则控制器保持在00状态； n Q1n1Q0 1 01 如果TL = 1，则控制器转换到 状态。但这两种情况与条件TY 无关，所以用无关项“”表示。同理可以推出其他几种情况的关系状 态。 • 同时根据交通灯的控制器状态转换表，可以推出方程和转换信号方程； n Q1n1 Q0 1 T为1的项所对应的输入或状态 即将控制器的输出状态 、 和S 条件变量相与，其中“1”用原变量表示，“0”用反变量表示，然后将 各与的项再相或，既有：
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• • • • • • • 一、实验目的 训练、掌握数字系统的综合设计方法；以及对各基本电路的功能运用和测试 方法。 学习调试各个基本电路之间存在的问题，掌握各个基本电路之间级连和应当 注意的事项；熟悉各基本电路的输入与输出应满足的条件。正确理解电路中 各参数的意义。 学会在数字系统中正确使用数字集成电路。学会查阅、读懂数字集成电路手 册。 进一步熟悉数字逻辑实验箱及其他仪器的使用方法。弄懂所用仪器在电路中 的作用。 二、意义 为保证交通次序和行人安全，在一些重要交通地段的十字交叉路口安装有交 通灯。交通灯的颜色有红、黄、绿三种，当红灯亮时，表示该方向道路上的 车辆或行人禁止通行；黄灯亮时，表示该方向道路上的行人禁止通行以及未 过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮时，表示该 方向道路上的车辆或行人允许通行；交通灯控制电路自动控制十字交叉路口 两组红、黄、绿交通灯的状态转换，有序的指挥各种车辆和行人安全通行。
ST Q1n Q0nTL Q1nQ0nTY Q1nQ0nTL Q1n Q0nTY
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• • 三、设计任务与要求 ⑴．设计一个十字交叉路口交通灯 自动控制电路，要求主干道和支干 道两条交叉道路上的车辆交替行驶 通过，每次通行时间可任意设定， 现规定设为25秒。 ⑵．在黄灯亮过5秒钟后，才能变 换车辆通行道路方向及行人允许通 过道路的方向。 ⑶．在黄灯亮时，每秒钟闪亮一次， 同时人行通道（斑马线）旁的报警 喇叭也每秒钟响鸣一声。
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• 八、实验报告要求 • 1．画出完整的实验电路的工作原理图，表明各元件的参数值。熟悉 所用集成电路的引脚的功能、位置及其使用规则。 • 2．写出相应的逻辑表达式、逻辑电路图。 • 3．绘出实验中的时序波形，整理实验数据，并说明其意义。 • 4． 写出在实验过程中出现的故障现象及解决的方法。 • 5．请在计算机上用EWB（Electrical WorkBench）或PSPICE软件进 行仿真， • 九、电路设计参考与提示 • • 1．定时器 • 定时器应与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成， 要求计数器在状态转换信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上 升沿作用下，计数器从零开始进行加1计数，向控制器提供5秒的黄灯 定时信号TY和25秒的红灯或绿灯定时信号TL。
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• 现在，我们选用计数器74LS163进行设计。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有 同步清零，同步置数的功能。74LS163的引脚及其功能如图8-1、功能表见表8-1；建 议定时器用两片计数器74LS163来设计，下图为定时器参考电路图。
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表8-1 控制器的工作状态及其功能表
•
控制器状态
信号灯状态
车道运行状态
Z0 （00） Z1 （01）
Z2（11） Z3 （10）
主道绿，支道红 主道黄，支道红
主道红，支道绿 主道红，支道黄
主道车通行，行人禁止横穿；支道禁止车通行，行人可横穿。 主干道车缓慢行驶，支干道车禁止通行，行人准备通行
主道禁止车通行，行人可横穿；支道车通行，行人禁止通行。 主干道车禁止通行，支干道车缓慢行驶，行人准备通行
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• 现作如下规定：若将主干道和支干道上的红、黄、绿三色 灯的控制信号分为灯的代号和灯的驱动信号，会给系统带 来复杂。为了简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二 为一，即： • AG = 1：主干道绿灯亮； BG =1：支干道绿灯亮； • AY = 1：主干道黄灯亮； BY =1：支干道黄灯亮； • AR = 1：主干道红灯亮； BR =1：支干道红灯亮； • 这样可以得到交通灯的工作状态流程图， • 设控制器的初始状态为Z0，当Z0的持续时间小于25秒时， TL = 0，控制器保持Z0状态不变。只有当Z0的持续时间等 于25秒时，TL = 1，控制器发出状态转换信号ST，并转换 到下一个状态Z1。按照这种判断、分析，将这四种状态的 转换无限循环（不断电的情况下）。
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• • • • 五、预习要求与思考题 1．复习数字电子技术的数字系统设计原理。 2．复习多路数据选择器、二进制同步计数器的工作原理。 3．根据交通灯控制系统框图，设计出能够实现的原理电路，并画出 完整的原理电路图。 • 4．在计算机上利用EWB（Electronics WorkBench）虚拟电子工作 台——电路设计与仿真软件进行仿真分析，检验你所设计的电路，分 析该电路中CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL、TY的波形及其时序关系。 作出仿真分析报告。 • 5. 系统框图中的定时电路能否用计数器芯片74LS161或者是74LS163 来构成，为什么（重点说明理由）？ • 6．熟悉示波器、数字逻辑实验箱的使用方法。