數(shù)電實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板-2

交通燈邏輯控制電路設(shè)計(jì)PAGEPAGE9交通燈邏輯控制電路設(shè)計(jì)一、緒論1.意義交通的發(fā)達(dá)，標(biāo)志著城市的發(fā)達(dá)，相對(duì)交通的管理則顯得越來(lái)越重要。對(duì)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(hào)控制必需按照一定的規(guī)律變化，以便于車(chē)輛行人能順利地通過(guò)十字路口。交通燈在安全行車(chē)過(guò)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(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來(lái)控制行車(chē),對(duì)于一般情況下的安全行車(chē)、車(chē)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(xiàn)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(mǎn)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(jìn)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(mǎn)足兩個(gè)方向的工作時(shí)序：即東西方向亮紅燈時(shí)間應(yīng)等于南北方向亮黃、綠燈時(shí)間之和，南北方向亮紅燈時(shí)間應(yīng)等于東西方向亮黃、綠燈時(shí)間之和。時(shí)序工作流程圖2所示。圖2中，假設(shè)每個(gè)單位時(shí)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(shí)間為綠燈、黃燈亮的時(shí)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(shí)序工作流程圖（3）十字路口要有數(shù)字顯示，作為時(shí)間提示，以便人們更直觀(guān)地把握時(shí)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(jì)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(jìn)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(shí)，置南北方向數(shù)字顯示為18，并使數(shù)顯計(jì)數(shù)器開(kāi)始減“1”計(jì)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(shí)，此時(shí)黃燈滅，而南北方向的紅燈亮；同時(shí)，使得東西方向的綠燈亮，并置東西方向的數(shù)顯為18。（4）擴(kuò)展功能：=1\*GB3①燈的轉(zhuǎn)換可以手動(dòng)調(diào)整，夜間為黃燈閃耀。=2\*GB3②用LED發(fā)光二極管模擬汽車(chē)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(gè)一個(gè)向前移動(dòng)，表示汽車(chē)在行駛；當(dāng)遇到黃燈時(shí)，移位發(fā)光二極管就停止，而過(guò)了十字路口的移位發(fā)光二極管繼續(xù)向前移動(dòng)；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(kāi)始移位（表示這一方向的車(chē)輛行駛）。4.要解決的主要問(wèn)題能解決交通燈順序的跳轉(zhuǎn)、對(duì)減計(jì)數(shù)24秒的置數(shù)，時(shí)標(biāo)電路的輸出信號(hào)頻率為1Hz的問(wèn)題。二、單元電路的設(shè)計(jì)1、秒脈沖和四分頻(1)秒沖發(fā)生器電路是由555定時(shí)電路控制的。[2]利用的是555構(gòu)成的多諧振蕩器。由555定時(shí)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(méi)有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號(hào)，利用電源通過(guò)R1、R2向C充電，以及C通過(guò)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(hào)的時(shí)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(shí)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(qiáng)的功率輸出能力這個(gè)555多諧振蕩器是整個(gè)電路的時(shí)鐘信號(hào)。要使電路的時(shí)間脈沖時(shí)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(gè)相同的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個(gè)觸發(fā)器有獨(dú)立的數(shù)據(jù)、置位、復(fù)位、時(shí)鐘輸入和Q及Q輸出，此器件可用作移位寄存器，且通過(guò)將Q輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計(jì)算器和觸發(fā)器。在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)時(shí)，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(shí)鐘無(wú)關(guān)，而分別由置位或復(fù)位線(xiàn)上的高電平完成。[2]所以用CD4013做四分頻。圖5引出段符號(hào)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(shí)鐘信號(hào)。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(jì)數(shù)器每次工作循環(huán)周期為12，所以可以選用12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器可以用單觸發(fā)器組成，也可以用中規(guī)模集成計(jì)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(jìn)制計(jì)數(shù)器。74LS164是為8位移位寄存器，當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，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(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0為低電平。當(dāng)A、B有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)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(shí)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(dá)式：扭環(huán)形計(jì)數(shù)器狀態(tài)表[1]t計(jì)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(dá)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(shí)標(biāo)1s和EWY或NSY黃燈信號(hào)相“與”即可。3、定時(shí)器電路定時(shí)器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，要求計(jì)數(shù)器在狀態(tài)信號(hào)ST作用下，首先置數(shù)24，然后在時(shí)鐘脈沖上升沿作用下，計(jì)數(shù)器從24開(kāi)始進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，向控制器提供模4的定時(shí)信號(hào)TY和模24的定時(shí)信號(hào)TL。[4]計(jì)數(shù)器選用集成電路74LS192進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖9交通燈的ASM圖74LS192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。CPU為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)時(shí)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(jìn)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(duì)74LS192的輸出信號(hào)進(jìn)行譯碼，然后通過(guò)七段數(shù)碼管顯示出74LS192的計(jì)數(shù)。即交通燈需要顯示的時(shí)間。（1）數(shù)碼顯示譯碼器一個(gè)LED數(shù)碼管可用來(lái)顯示一位0～9十進(jìn)制數(shù)和一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。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(gè)發(fā)光二極管的點(diǎn)亮電流在5～10mA。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進(jìn)制數(shù)字就需要有一個(gè)專(zhuān)門(mén)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(dòng)能力。（2）譯碼部分CD4511是一組用來(lái)作為BCD對(duì)共陰極LED七段顯示器譯碼的包裝。LT：做燈泡測(cè)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(guān)測(cè)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(shí))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(duì)有效數(shù)據(jù)譯碼，避免在無(wú)意義的數(shù)據(jù)輸入時(shí)顯示出來(lái)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(shí)(LT=1且BI=1)，DCBA數(shù)據(jù)會(huì)被送入IC的緩存器中保存；當(dāng)LE=1時(shí)，則IC中的暫存器會(huì)關(guān)閉，僅保存原來(lái)在LE=0時(shí)的數(shù)據(jù)供譯碼器譯碼。[5]換句話(huà)說(shuō)當(dāng)LE=1時(shí)，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(lái)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(shuō)明交通燈控制系統(tǒng)功能圖它主要由減法計(jì)數(shù)器、步驟控制器、置數(shù)邏輯電路和秒脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時(shí)器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時(shí)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(jìn)制計(jì)數(shù)器，然后經(jīng)譯碼后，輸出十字路口南北﹑東西二個(gè)方向的控制型號(hào)。其中黃燈信號(hào)須滿(mǎn)足閃耀，并在夜間時(shí)，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(jì)數(shù)器方式工作，從數(shù)字“24”開(kāi)始往下減，當(dāng)減到“0”時(shí)，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(hào)（EWR=0），使與門(mén)關(guān)斷，減法計(jì)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(jì)數(shù)器開(kāi)始工作。顯示控制部分實(shí)際上是一個(gè)定時(shí)控制電路。當(dāng)綠燈亮?xí)r，使減法計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作（用對(duì)方的紅燈信號(hào)控制），每來(lái)一個(gè)秒脈沖，使計(jì)數(shù)器減1，直到計(jì)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(jì)數(shù)器材用可預(yù)置加、減法計(jì)數(shù)器，如74LS168、74LS193等。振蕩電路調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)所用秒脈沖直接使用了實(shí)驗(yàn)箱上1Hz信號(hào)[3]（產(chǎn)生方法如上面講的產(chǎn)生方法），通過(guò)分頻器實(shí)現(xiàn)信號(hào)周期的變化，用以提供電路信號(hào)。四、元器件清單1、二輸入四與門(mén) 74LS082、六倒相器 74LS043、發(fā)光二級(jí)管LED4、八輸入與非門(mén) 74LS305、正沿雙D觸發(fā)器 CD40136、同步十進(jìn)制可逆加、減計(jì)數(shù)器(8421BCD碼)74LS1927、移位寄存器 74LS1648、BCD七段顯示譯碼器 CD45119、555定時(shí)器 NE55510、LED共陰七段數(shù)碼管BS20711、電阻、電容、導(dǎo)線(xiàn)……等12、工具(鑷子、剪刀、萬(wàn)用表……)五、電路的安裝與調(diào)試實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備：1、設(shè)計(jì)、組裝譯碼器電路，其輸出接?xùn)|南、西北方向的6只信號(hào)燈（發(fā)光二極管），驗(yàn)證電路的邏輯功能。2、設(shè)計(jì)、組裝秒脈沖產(chǎn)生電路。3、組裝、調(diào)試定時(shí)電路。當(dāng)CP信號(hào)為1Hz正方波時(shí)，畫(huà)出CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL．、TY的波形，并注意它們之間一的時(shí)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(cè)試其功能?，F(xiàn)象記錄：實(shí)驗(yàn)完成后，有如下現(xiàn)象：1、南北綠燈亮，東西紅燈亮。同時(shí)東西數(shù)碼管從24開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，南北不設(shè)數(shù)顯電路，東西24秒倒計(jì)時(shí)完成后，改為從4開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，東西紅燈熄滅，黃燈亮，南北的紅燈繼續(xù)亮。這時(shí)東西4秒倒計(jì)時(shí)完成后，數(shù)顯變成24等待下一個(gè)循環(huán)的開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟理論分析一樣。2、由于時(shí)間關(guān)系，模擬路口汽車(chē)駕駛情況，這項(xiàng)我們沒(méi)有完成。六、結(jié)論1.計(jì)數(shù)電路調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析24循環(huán)過(guò)后回復(fù)計(jì)數(shù)不正常。經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)問(wèn)題原因：1.顯示最大數(shù)不對(duì)，是由于74LS192置數(shù)端不對(duì)，初始值錯(cuò)誤2.顯示亂碼原因可能是由于與CD4511譯碼器接口不對(duì)。3.計(jì)數(shù)器不工作（不倒計(jì)時(shí)）電路連接不穩(wěn)定，注意查線(xiàn)，保證線(xiàn)路的正確性。2.秒脈沖、分頻電路調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析秒沖發(fā)生器電路是由555定時(shí)電路控制的。利用的是555構(gòu)成的多諧振蕩器。由555定時(shí)器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，輸出信號(hào)的時(shí)間參數(shù)是T＝tw1＋tw2，tw1＝0.7(R1＋R2)C[3]，要使電路的時(shí)間脈沖時(shí)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