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一、設計任務與要求
1．設計一個十字路口的交通燈控制電路，要求甲車道和乙車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設為25秒；
2．要求黃燈先亮5秒，才能變換運行車道；
3．黃燈亮時，要求每秒鐘閃亮一次 。
二、實驗預習要求
1．復習數字系統設計基礎。
2．復習多路數據選擇器、二進制同步計數器的工作原理。
3．根據交通燈控制系統框圖，畫出完整的電路圖。
三、設計原理與參考電路
1．分析系統的邏輯功能，畫出其框圖
交通燈控制系統的原理框圖如圖12、1所示。它主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發生器等部分組成。秒脈沖發生器是該系統中定時器和控制器的標準時鐘信號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經驅動電路后驅動信號燈工作，控制器是系統的主要部分，由它控制定時器和譯碼器的工作。圖中：
tl: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間間隔。定時時間到，tl=1，否則，tl=0。
ty：表示黃燈亮的時間間隔為5秒。定時時間到，ty=1，否則，ty=0。
st：表示定時器到了規定的時間后，由控制器發出狀態轉換信號。由它控制定時器開始下個工作狀態的定時。
  （1）圖甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規定的時間隔tl時，控制器發出狀態信號st，轉到下一工作狀態。
（2）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規定時間間隔ty時，控制器發出狀態轉換信號st，轉到下一工作狀態。
（3）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行綠燈亮足規定的時間間隔tl時，控制器發出狀態轉換信號st，轉到下一工作狀態。
（4）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上位過縣停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續通行。黃燈亮足規定的時間間隔ty時，控制器發出狀態轉換信號st，系統又轉換到第（1）種工作狀態。
交通燈以上4種工作狀態的轉換是由控制器器進行控制的。設控制器的四種狀態編碼為00、01、11、10，并分別用s0、s1、s3、s2表示，則控制器的工作狀態及功能如表12、1所示，控制器應送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見，把燈的代號和燈的驅動信號合二為一，并作如下規定：
表12、1 控制器工作狀態及功能
控制狀態 信號燈狀態 車道運行狀態
s0（00） 甲綠，乙紅 甲車道通行，乙車道禁止通行
s1（01） 甲黃，乙紅 甲車道緩行，乙車道禁止通行
s3（11） 甲紅，乙綠 甲車道禁止通行，甲車道通行
s2（10） 甲紅，乙黃 甲車道禁止通行，甲車道緩行
ag=1：甲車道綠燈亮；
bg=1：乙車道綠燈亮；
ay=1：甲車道黃燈亮；
by=1：乙車道黃燈亮；
ar=1：甲車道紅燈亮；
by=1：乙車道紅燈亮；
由此得到交通燈的asm圖，如 圖12、2所示。設控制器的初始狀態為s0（用狀態框表示s0），當s0的持續時間小于25秒時，tl=0（用判斷框表示tl），控制器保持s0不變。只有當s0的持續時間等于25秒時，tl=1，控制器發出狀態轉換信號st（用條件輸出框表示st），并轉換到下一個工作狀態。依此類推可以弄懂asm圖所表達的含義。
3．單元電路的設計
（1）定時器
定時器由與系統秒脈沖（由時鐘脈沖產生器提供）同步的計數器構成，要求計數器在狀態信號st作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數器從零開始進行增1計數，向控制器提供模5的定時信號ty和模25的定時信號tl。
計數器選用集成電路74ls163進行設計較簡便。74ls163是4位二進制同步計數器，它具有同步清零、同步置數的功能。74ls163的外引線排列圖和時序波形圖如圖12、3所示，其功能表如表12、2所示。圖中， 是低電平有效的同步清零輸入端， 是低電平有效才同步并行置數控制端，ctp、ctt是計 圖12、2 交通燈的asm圖數控制端，co是進位輸出端，d0～d3是并行數據輸入端，q0～q 3是數據輸出端。由兩片74ls163級聯組成的定時器電路如圖12、4所示。電路的工作原理請自行分析。  （a）  圖12、3 74ls163的外引線排列圖和時序波形圖
（2）控制器
控制器是交通管理的核心，它應該能夠按照交通管理規則控制信號燈工作狀態的轉換。從asm圖可以列出控制器的狀態轉換表，如表12、3所示。選用兩個d觸發器ff1、ffo做為時序寄存器產生 4種狀態，控制器狀態轉換的條件為tl和ty，當控制器處于q1n+1q0n+1＝ 00狀態時，如果tl＝ 0，則控制器保持在00狀態；如果，則控制器轉換到q1n+1q0n+1＝ 01狀態。這兩種情況與條件ty無關，所以用無關項"x"表示。其余情況依次類推，同時表中還列出了狀態轉換信號st。
圖12、4 定時器電路圖
表12、2 74ls163功能表
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表12、3 控制器狀態轉換表
根據表12、3、可以推出狀態方程和轉換信號方程，其方法是：將q1n+1、q0n+1和 st為1的項所對應的輸人或狀態轉換條件變量相與，其中"1"用原變量表示，"0"用反變量表示，然后將各與項相或，即可得到下面的方程：
根據以上方程，選用數據選擇器 74ls153來實現每個d觸發器的輸入函數，將觸發器的現態值（ ）加到74ls153的數據選擇輸入端作為控制信號．即可實現控制器的功能。控制器的邏輯圖如圖12、5所示。圖中r、c構成上電復位電路 。
圖 12、5控制器邏輯圖
（3）譯碼器
譯碼器的主要任務是將控制器的輸出 q1、 q0的4種工作狀態，翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態。控制器的狀態編碼與信號燈控制信號之間的關系如表 12、4所示。實現上述關系的譯碼電路請讀者自行設計。
四、實驗儀器設備
1． 數字電路實驗箱
2． 集成電路74ls74 1片，74ls10 1片，74ls00 2片，74ls153 2片，74ls163 2片，ne555 1片
3． 電阻 51kω 1只，200ω 6只
4． 電容 10uf 1只
5． 其它 發光二極管 6只 五、實驗內容及方法 表12、4控制器狀態編碼與信號燈關系表 狀態 ag ay ar bg by br 00 1 0 0 0 0 1 01 0 1 0 0 0 1 10 0 0 1 1 0 0 11 0 0 1 0 1 0 1．設計、組裝譯碼器電路，其輸出接甲、乙車道上的6只信號燈（實驗時用發光二極管代替），驗證電路的邏輯功能。
2．設計、組裝秒脈沖產生電路。
3．組裝、調試定時電路。當 cp信號為 1hz正方波時，畫出cp、 q0、 q1、 q2、q3、q4、tl．、ty的波形，并注意它們之間一的時序關系。
4．組裝、調試控制器電路。
5．完成交通燈控制電路的聯調，并測試其功能。 六、實驗報告
1．畫出實驗電路原理圖，并標明各元件的參數值。
2．繪出實驗中的時序波形，整理實驗數據，并加以說明。
3．寫出實驗過程中出現的故障現象及其解決辦法。
4．回答思考題。
5．心得體會與建議。 七、思考題
能否用具有異步清零功能的計數器74ls161來代替圖12、4所示電路中的74ls163？說明理由。 |
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