數(shù)字邏輯交通燈設(shè)計(jì)基于SN74ls192

1、武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院綜合設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)名稱： 基礎(chǔ)硬件綜合設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 交通燈控制器的設(shè)計(jì) 學(xué)生學(xué)號(hào)： 1205030106 專業(yè)班級(jí)： 12智能科學(xué)與技術(shù)01班 學(xué)生姓名： 黃 威 學(xué)生成績(jī)： 指導(dǎo)教師（職稱）： 張敏（講師） 課題工作時(shí)間： 2014/5/19 至 2014/6/1 說(shuō)明：1、報(bào)告中的第一、二、三項(xiàng)由指導(dǎo)教師在綜合設(shè)計(jì)開(kāi)始前填寫(xiě)并發(fā)給每個(gè)學(xué)生；四、五兩項(xiàng)（中英文摘要）由學(xué)生在完成綜合設(shè)計(jì)后填寫(xiě)。2、學(xué)生成績(jī)由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)情況給出各項(xiàng)分值及總評(píng)成績(jī)。3、指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)一欄由指導(dǎo)教師就學(xué)生在整個(gè)設(shè)計(jì)期間的平時(shí)表現(xiàn)、設(shè)計(jì)完成情況、報(bào)告的質(zhì)量及答辯情況，給出

2、客觀、全面的評(píng)價(jià)。4、所有學(xué)生必須參加綜合設(shè)計(jì)的答辯環(huán)節(jié)，凡不參加答辯者，其成績(jī)一律按不及格處理。答辯小組成員應(yīng)由2人及以上教師組成。5、報(bào)告正文字?jǐn)?shù)一般應(yīng)不少于5000字，也可由指導(dǎo)教師根據(jù)本門(mén)綜合設(shè)計(jì)的情況另行規(guī)定。6、平時(shí)表現(xiàn)成績(jī)低于6分的學(xué)生，取消答辯資格，其本項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)成績(jī)按不及格處理。7、此表格式為武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院提供的基本格式（適用于學(xué)院各類綜合設(shè)計(jì)），各教研室可根據(jù)本門(mén)綜合設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及內(nèi)容做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并上報(bào)學(xué)院批準(zhǔn)。成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué)生姓名： 黃威 學(xué)號(hào)： 1205030106 班級(jí)： 12智能科學(xué)與技術(shù)01班 類別合計(jì)分值各項(xiàng)分值評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際得分合計(jì)得分備注平時(shí)表

3、現(xiàn)1010按時(shí)參加綜合設(shè)計(jì)，無(wú)曠課、遲到、早退、違反實(shí)驗(yàn)室紀(jì)律等情況。由設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人給出完成情況3020按設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求完成了全部任務(wù)，能完整演示其設(shè)計(jì)內(nèi)容，符合要求。10能對(duì)其設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)、完整的介紹，并能就指導(dǎo)教師提出的問(wèn)題進(jìn)行正確的回答。報(bào)告質(zhì)量3510報(bào)告文字通順，內(nèi)容翔實(shí)，論述充分、完整，立論正確，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)合理；報(bào)告字?jǐn)?shù)符合相關(guān)要求，工整規(guī)范，整齊劃一。5課題背景介紹清楚，綜述分析充分。5設(shè)計(jì)方案合理、可行，論證嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，具有說(shuō)服力。5符號(hào)統(tǒng)一；圖表完備、符合規(guī)范要求。5能對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行全面的總結(jié)，得出有價(jià)值的結(jié)論或結(jié)果。5參考文獻(xiàn)數(shù)量在3篇以上，格式符合要求，在正文中

4、正確引用。答辯情況2510在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能就所設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行闡述，言簡(jiǎn)意明，重點(diǎn)突出，論點(diǎn)正確，條理清晰。15在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能準(zhǔn)確、完整、流利地回答教師所提出的問(wèn)題?？傇u(píng)成績(jī)： 分 補(bǔ)充說(shuō)明： 指導(dǎo)教師： （簽字）日 期： 年 月 日答辯記錄表學(xué)生姓名： 黃威 學(xué)號(hào)： 1205030106 班級(jí)： 12智能科學(xué)與技術(shù)01班 答辯地點(diǎn)： 答辯內(nèi)容記錄：答辯成績(jī)合計(jì)分值各項(xiàng)分值評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際得分合計(jì)得分備注2510在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能就所設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行闡述，言簡(jiǎn)意明，重點(diǎn)突出，論點(diǎn)正確，條理清晰。15在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能準(zhǔn)確、完整、流利地回答教師所提出的問(wèn)題。答辯小組成員（簽字）： 年 月 日指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)指導(dǎo)教師：

5、 （簽字）日 期： 年 月 日一、綜合設(shè)計(jì)目的、條件、任務(wù)和內(nèi)容要求： 數(shù)字邏輯是計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課。 其中組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路是這門(mén)課程的重點(diǎn)內(nèi)容。本課題就是對(duì)邏輯電路的綜合應(yīng)用。在現(xiàn)代城市中，隨著人口和汽車(chē)的急劇增長(zhǎng)，市區(qū)交通日益擁擠，要是沒(méi)有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車(chē)就會(huì)由于混亂而造成嚴(yán)重阻塞。因此，交通燈是交管部門(mén)管理城市交通的重要工具之一。 隨著電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子電路的分析與設(shè)計(jì)方法發(fā)生了重大的變化。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)已成為設(shè)計(jì)現(xiàn)代電子系統(tǒng)必不可少的工具和手段。在電子技術(shù)領(lǐng)域里，為了便于儲(chǔ)存，分析和傳輸，常將模擬信號(hào)編碼，即把它轉(zhuǎn)

6、換為數(shù)字信號(hào)，利用數(shù)字邏輯這一強(qiáng)有力的工具來(lái)分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜的數(shù)字電路或數(shù)字系統(tǒng)，為信號(hào)的儲(chǔ)存，分析和傳輸創(chuàng)造了硬件環(huán)境。本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)就是設(shè)計(jì)一個(gè)交通燈的控制器系統(tǒng)。鼓勵(lì)學(xué)生在熟悉基本原理的前提下，與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，提出自己的方案，完善設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)任務(wù)如下： 1熟悉交通燈的工作原理； 2寫(xiě)出交通燈控制器的設(shè)計(jì)方案；3用硬件加以實(shí)現(xiàn)；4寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)主干道和支干道十字路口的交通燈控制電路。要求：1 一般情況下，保持主干道通暢，主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，并且主干道綠燈亮不得少于60S；2 主干道無(wú)車(chē)，支干道有車(chē)，則支干道綠燈亮，主干道紅燈亮，并且支干道綠燈亮不得超過(guò)30S

7、；3 每次主干道或支干道綠燈變紅燈時(shí)，黃燈先亮5S按如下要求設(shè)計(jì)十字路口交通燈。東西向綠燈亮60干秒，黃燈閃爍5次后紅燈亮， 紅燈亮后，南北向由紅燈變?yōu)榫G燈，60秒后南北向黃燈閃爍5此后變紅燈，東西向變綠燈，如此重復(fù)。如果一個(gè)單位時(shí)間為1秒，這里設(shè)定的十字路口交通燈按如下方式四個(gè)步驟循環(huán)工作： 60個(gè)單位時(shí)間，南北紅，東西綠；5個(gè)單位時(shí)間，南北紅，東西黃；60個(gè)單位時(shí)間，南北綠，東西紅；5個(gè)單位時(shí)間，南北黃，東西紅； 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日二、進(jìn)度安排：第2天：查找資料，熟悉交通燈控制器的設(shè)計(jì)原理，給出設(shè)計(jì)總體方案；第34天：控制器各模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)；第59天：硬件連線，調(diào)試；第910天：寫(xiě)

8、課程設(shè)計(jì)報(bào)告。三、應(yīng)收集資料及主要參考文獻(xiàn)：1謝自美. 電子線路設(shè)計(jì)-實(shí)驗(yàn)-測(cè)試M .武漢:華中科技大學(xué)出版社, 2000 2.湯繼華. 常用集成芯片使用M.北京:北京理工大學(xué)出版社,19953.康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ) M.北京:高等教育出版社,19994.范愛(ài)平.電子電路實(shí)驗(yàn)與虛擬技術(shù)M.山東:山東科技技術(shù)出版社，2001四、綜合設(shè)計(jì)（課程設(shè)計(jì)）摘要（中文）：在現(xiàn)代城市中，隨著人口和汽車(chē)的急劇增長(zhǎng)，市區(qū)交通日益擁擠，要是沒(méi)有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車(chē)就會(huì)由于混亂而造成嚴(yán)重阻塞。因此，交通燈是交管部門(mén)管理城市交通的重要工具之一。交通信號(hào)燈常用于交叉路口，用來(lái)控制車(chē)的流量，提高交叉口

9、車(chē)輛的通行能力，減少交通事故。交通信號(hào)燈控制器主要由計(jì)時(shí)器、秒脈沖發(fā)生器、狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器、譯碼顯示電路及信號(hào)燈組成。狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器由SN74LS163實(shí)現(xiàn)，通過(guò)該芯片的計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)四種狀態(tài)的循環(huán)轉(zhuǎn)換，計(jì)時(shí)器電路是SN74ls192在秒脈沖信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，顯示電路經(jīng)過(guò)SN74LS192的倒計(jì)數(shù)功能的控制在七段8421BCD數(shù)碼顯示器上顯示數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)時(shí)器對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器通過(guò)ENP進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字的顯示及綠、黃、紅燈的轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：交通信號(hào)燈；數(shù)字邏輯；電路設(shè)計(jì)；SN74ls192；SN74ls163五、綜合設(shè)計(jì)（課程設(shè)計(jì)）Abstract（英文）：In the modern c

10、ity, the reason why urban traffic is becoming more and more crowed is that population and cars increase sharply, If there were no traffic lights, I'm afraid the incessant vehicles will cause serious obstruction due to confusion. Therefore, the traffic lights is one of the important tools of traf

11、fic administration management to supervise urban traffic. Traffic lights used in intersection, which is used to control vehicles flow, improve the intersection traffic capacity, reduce the number of traffic accidents. Traffic light controller is mainly composed of timer, pulse generator, state trans

12、itions, decoding display circuit and signal controller. State transition controller by SN74LS163 implementation, through the implementation of the chip count function the state of the four cycle transformation, timer circuit is SN74ls192 in seconds under the action of the pulse signal timing functio

13、ns, display circuit after SN74ls192 count down function of control in 8421BCD digital screen display data. The timer to control state transition controller by ENP, so as to realize digital display and conversion of the green, yellow, red light.Keywords：Traffic lights; Digital logic; Circuit design;

14、SN74ls192; SN74ls163 武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 綜合設(shè)計(jì)報(bào)告目 錄目 錄I摘 要IIAbstractII第一章 課題設(shè)計(jì)緒論11.1 設(shè)計(jì)目的與意義11.2 設(shè)計(jì)條件11.2.1 硬件平臺(tái)21.2.2 軟件平臺(tái)21.3 工作內(nèi)容21.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)31.3.2 設(shè)計(jì)要求3第二章 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)方案論述42.1 設(shè)計(jì)原理42.2 設(shè)計(jì)方案42.2.1 計(jì)時(shí)部分設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介52.2.2 顯示器與信號(hào)燈設(shè)計(jì)62.2.3 信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)6第三章 詳細(xì)設(shè)計(jì)83.1計(jì)時(shí)器83.1.2 六十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)93.2 信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器103.3 信號(hào)燈設(shè)計(jì)整合11第四章

15、設(shè)計(jì)結(jié)果及分析134.1 結(jié)果分析13致 謝15摘 要在現(xiàn)代城市中，隨著人口和汽車(chē)的急劇增長(zhǎng)，市區(qū)交通日益擁擠，要是沒(méi)有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車(chē)就會(huì)由于混亂而造成嚴(yán)重阻塞。因此，交通燈是交管部門(mén)管理城市交通的重要工具之一。交通信號(hào)燈常用于交叉路口，用來(lái)控制車(chē)的流量，提高交叉口車(chē)輛的通行能力，減少交通事故。交通信號(hào)燈控制器主要由計(jì)時(shí)器、秒脈沖發(fā)生器、狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器、譯碼顯示電路及信號(hào)燈組成。狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器由SN74LS163實(shí)現(xiàn)，通過(guò)該芯片的計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)四種狀態(tài)的循環(huán)轉(zhuǎn)換，計(jì)時(shí)器電路是SN74ls192在秒脈沖信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，顯示電路經(jīng)過(guò)SN74LS192的倒計(jì)數(shù)功能的控

16、制在七段8421BCD數(shù)碼顯示器上顯示數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)時(shí)器對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器通過(guò)ENP進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字的顯示及綠、黃、紅燈的轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：交通信號(hào)燈；數(shù)字邏輯；電路設(shè)計(jì)；SN74ls192；SN74ls163Abstract In the modern city, the reason why urban traffic is becoming more and more crowed is that population and cars increase sharply, If there were no traffic lights, I'm afraid the incess

17、ant vehicles will cause serious obstruction due to confusion. Therefore, the traffic lights is one of the important tools of traffic administration management to supervise urban traffic. Traffic lights used in intersection, which is used to control vehicles flow, improve the intersection traffic cap

18、acity, reduce the number of traffic accidents. Traffic light controller is mainly composed of timer, pulse generator, state transitions, decoding display circuit and signal controller. State transition controller by SN74LS163 implementation, through the implementation of the chip count function the

19、state of the four cycle transformation, timer circuit is SN74ls192 in seconds under the action of the pulse signal timing functions, display circuit after SN74ls192 count down function of control in 8421BCD digital screen display data. The timer to control state transition controller by ENP, so as t

20、o realize digital display and conversion of the green, yellow, red light.Keywords：Traffic lights; Digital logic; Circuit design; SN74ls192; SN74ls163 - 17 -第一章 課題設(shè)計(jì)緒論在現(xiàn)代城市中，隨著人口和汽車(chē)的急劇增長(zhǎng)，市區(qū)交通日益擁擠，要是沒(méi)有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車(chē)就會(huì)由于混亂而造成嚴(yán)重阻塞。因此，交通燈是交管部門(mén)管理城市交通的重要工具之一。 交通燈控制器是可以自動(dòng)控制交通燈，并以倒計(jì)時(shí)的方式顯示出時(shí)間，方便行人和車(chē)輛在通行時(shí)

21、有條不紊的通行，達(dá)到交通井然有序，出行人員安全快捷的到達(dá)目的地的效果。本次實(shí)驗(yàn)的就是想通過(guò)這樣的一個(gè)實(shí)例，結(jié)合數(shù)字電路課程的學(xué)習(xí)共同實(shí)現(xiàn)這樣的一個(gè)應(yīng)用工具，達(dá)到理論和實(shí)踐相結(jié)合的目的 。1.1 設(shè)計(jì)目的與意義 隨著人口和汽車(chē)的急劇增長(zhǎng)，市區(qū)交通變得日益擁擠，為了解決這一問(wèn)題，所以發(fā)明了交通信號(hào)燈以管理交通秩序。我們學(xué)習(xí)制作交通信號(hào)燈，既可以熟悉各種芯片的使用，又能增強(qiáng)我們的數(shù)字邏輯硬件設(shè)計(jì)能力，因此，我們將展開(kāi)關(guān)于交通燈的課題設(shè)計(jì)工作。本設(shè)計(jì)通過(guò)采用數(shù)字電路對(duì)交通燈控制電路的設(shè)計(jì),提出使交通燈控制電路用數(shù)字信號(hào)自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃、綠的交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法,指揮各種車(chē)輛和行人安全通行,

22、實(shí)現(xiàn)十字路口交通管理的自動(dòng)化。因此，在本次課程設(shè)計(jì)里，將以傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)交通控制信號(hào)燈。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的是培養(yǎng)數(shù)字電路的能力，掌握交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)方法。1.2 設(shè)計(jì)條件隨著電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子電路的分析與設(shè)計(jì)方法發(fā)生了重大的變化。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)已成為設(shè)計(jì)現(xiàn)代電子系統(tǒng)必不可少的工具和手段。在電子技術(shù)領(lǐng)域里，為了便于儲(chǔ)存，分析和傳輸，常將模擬信號(hào)編碼，即把它轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用數(shù)字邏輯這一強(qiáng)有力的工具來(lái)分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜的數(shù)字電路或數(shù)字系統(tǒng)，為信號(hào)的儲(chǔ)存，分析和傳輸創(chuàng)造了硬件環(huán)境。1.2.1 硬件平臺(tái)圖 1-1 DICE-D8-I (由于資源有限，以DICE-D8

23、-I代替說(shuō)明)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室提供有“DICE-D8-III數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱”，該型數(shù)字電路學(xué)習(xí)機(jī),設(shè)計(jì)豪華氣派,主機(jī)提供了多種信號(hào)源;鎖緊插座;臺(tái)灣產(chǎn)面包板;正面印刷字符連線,反面按裝元器件,所有信號(hào)源頻率計(jì)等電路全部由CPLD芯片和雙面板構(gòu)成，所有器件均選用上等優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,使整機(jī)的品質(zhì)得到提高。由于正面沒(méi)有任何元件,從而能有效的降低和避免人為損壞的可能,本機(jī)特點(diǎn)：使用方便,耐用,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目靈活,可方便做數(shù)字模擬各類實(shí)驗(yàn)。本學(xué)習(xí)機(jī)適用于高等院校及各類職業(yè)技術(shù)學(xué)校的電子技術(shù)類教學(xué)。1.2.2 軟件平臺(tái)EWB是一種電子電路計(jì)算機(jī)仿真軟件，它被稱為電子設(shè)計(jì)工作平臺(tái)或虛擬電子實(shí)驗(yàn)室，英文全稱為Electroni

24、cs Workbench。該軟件提供了示波器、函數(shù)發(fā)生器、萬(wàn)用表、頻譜儀和邏輯分析儀等虛擬電子設(shè)備，14種分析工具，4種掃描分析，8 000多個(gè)元器件模型， 使使用者可以方便地進(jìn)行電路原理圖的輸入和仿真測(cè)試，觀察電路的工作狀態(tài)、穩(wěn)定性、靈敏度，還可以觀察條件、參數(shù)變化時(shí)電路的變化情況。EWB軟件是一個(gè)模擬、開(kāi)放的電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在它上面，設(shè)計(jì)人員可以做各種類型、難度各異的電子電路實(shí)驗(yàn)和實(shí)際電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以便方便地修改與優(yōu)化電路。1.3 工作內(nèi)容本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)就是設(shè)計(jì)一個(gè)交通燈的控制器系統(tǒng)。我們?cè)谑煜せ驹淼那疤嵯?，與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，提出自己的方案來(lái)完善設(shè)計(jì)。先制圖，后硬件實(shí)現(xiàn)。1.3.1 設(shè)

25、計(jì)任務(wù)交通燈課程設(shè)計(jì)基于數(shù)字邏輯電路，數(shù)字邏輯是計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課。其中組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路是這門(mén)課程的重點(diǎn)內(nèi)容。本課題就是對(duì)邏輯電路的綜合應(yīng)用。具體任務(wù)如下：1. 熟悉交通燈的工作原理；2. 寫(xiě)出交通燈控制器的設(shè)計(jì)方案；3. 用硬件加以實(shí)現(xiàn)；4. 寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。1.3.2 設(shè)計(jì)要求本課程設(shè)計(jì)按如下要求來(lái)完成，具體要求如下：1. 本設(shè)計(jì)是適用于東西-南北雙向交叉的十字路；2. 東西向紅燈亮60s，同時(shí)南北向的綠燈亮55s后，切換黃燈，閃爍5s；南北向由黃燈轉(zhuǎn)為紅燈時(shí)，開(kāi)始下一個(gè)60s，此時(shí)，南北向紅燈亮60s，同時(shí)，東西向的綠燈亮55s后，切換黃燈，閃爍5s。以上

26、即完成一個(gè)循環(huán)；3. 重復(fù)運(yùn)行以上循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈。第二章 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)方案論述本章簡(jiǎn)要介紹交通燈的設(shè)計(jì)原理，以及設(shè)計(jì)方案。交通燈的設(shè)計(jì)原理是：通過(guò)時(shí)序電路部分來(lái)控制信號(hào)燈和七段二進(jìn)制譯碼數(shù)碼管顯示器（以下簡(jiǎn)稱顯示器），以達(dá)到計(jì)時(shí)與狀態(tài)轉(zhuǎn)換的要求。設(shè)計(jì)方案為：設(shè)計(jì)可由兩部分組成，一為信號(hào)部分，包括用于控制交通信號(hào)燈點(diǎn)亮與熄滅的控制部分和信號(hào)燈；二為計(jì)時(shí)部分，通過(guò)倒計(jì)時(shí)，以60s為循環(huán)的周期來(lái)計(jì)時(shí)，由計(jì)數(shù)器和顯示器構(gòu)成。2.1 設(shè)計(jì)原理 交通信號(hào)燈包含兩部分時(shí)序電路以及一些輔助的組合邏輯電路。計(jì)時(shí)部分是需要時(shí)序電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而狀態(tài)轉(zhuǎn)換也可由時(shí)序電路控制；組合邏輯電路用于實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能

27、。二者的關(guān)系由下圖可以說(shuō)明： 圖 2-1 各部分關(guān)系圖計(jì)時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器顯示交通信號(hào)燈反饋輸出輸出2.2 設(shè)計(jì)方案交通燈的信號(hào)有時(shí)間信號(hào)和通行信號(hào)，時(shí)間信號(hào)用于提示等待和通行的時(shí)間，通信信號(hào)則由顏色為紅、黃、綠的三種燈來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)可由兩部分組成：一為信號(hào)部分，包括用于控制交通信號(hào)燈點(diǎn)亮與熄滅的控制部分和信號(hào)燈；二為計(jì)時(shí)部分，通過(guò)倒計(jì)時(shí)，以60s為循環(huán)的周期來(lái)計(jì)時(shí)，由計(jì)數(shù)器和顯示器構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)上述兩部分以后，計(jì)時(shí)部分輸出一個(gè)反饋信號(hào)給信號(hào)部分，在特定時(shí)刻來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的明滅狀態(tài)切換。2.2.1 計(jì)時(shí)部分設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介數(shù)字邏輯一書(shū)中，該教材第六章提到采用中、大規(guī)模集成電路的邏輯設(shè)計(jì)講解了使用用SN74

28、ls192芯片制作減法器的方法，所以通過(guò)學(xué)習(xí)對(duì)這個(gè)芯片的使用，制作一個(gè)六十進(jìn)制的減法計(jì)數(shù)器，以達(dá)到計(jì)時(shí)的目的1。實(shí)際工作中，考慮到六十進(jìn)制可由一個(gè)六進(jìn)制部分的十位電路與一個(gè)十進(jìn)制的各位電路來(lái)構(gòu)成，所以，選材時(shí)直接選用十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器SN74ls192芯片。以下為該芯片模擬圖與各管腳功能介紹：圖 2-2 芯片SN74ls192圖示管腳說(shuō)明：1. A、B、C、D各管腳為芯片的輸入端，置數(shù)功能時(shí)使用；2. QA、QB、QC、QD各管腳為芯片的輸出端，輸出為8421BCD碼，QA對(duì)應(yīng)最低位，QD為最高位；3. DOWN、UP管腳為功能選擇端。當(dāng)DOWN輸入時(shí)鐘脈沖信號(hào)時(shí)，UP輸入“1”，芯片以信號(hào)時(shí)鐘時(shí)

29、間為周期做常規(guī)減法計(jì)算，即減1法，UP輸入為“0”時(shí)，做減2法計(jì)算；當(dāng)UP輸入時(shí)鐘脈沖時(shí)，DOWN輸入“1”，芯片做加法運(yùn)算； 4. BO、CO兩端口分別對(duì)應(yīng)借位輸出和進(jìn)位輸出，LOAD端口為置數(shù)端；5. CLR端口為清零端。功能表如下：表2-1 SN74ls192的功能表輸入輸出CLRUPDOWNLOADDCBAQDQCQBQA1XXXXXXX00000XX0dcbadcba0cp1XXXX加法計(jì)數(shù)0cp1XXXX減法計(jì)數(shù)SN74ls192功能豐富，滿足此課題設(shè)計(jì)要求，因此，本次設(shè)計(jì)的計(jì)時(shí)部分選用該芯片作為核心器件。詳細(xì)設(shè)計(jì)在下一章說(shuō)明。2.2.2 顯示器與信號(hào)燈設(shè)計(jì)顯示器設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，考慮

30、到74ls192輸出端直接對(duì)應(yīng)為8421BCD碼，所以，直接使用8421BCD譯碼數(shù)碼管，即DCD_HEX。該數(shù)碼顯示器管腳從左至右對(duì)應(yīng)QD、QC、QB、QA。 圖 2-3 8421BCD譯碼數(shù)碼管 信號(hào)燈直接選用相應(yīng)顏色的發(fā)光二極管即可。2.2.3 信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)信號(hào)燈前，通過(guò)學(xué)習(xí)交通知識(shí)，了解到信號(hào)燈的狀態(tài)循環(huán)，當(dāng)東西向紅燈亮60s，同時(shí)南北向的綠燈亮55s后，切換黃燈，閃爍5s；南北向由黃燈轉(zhuǎn)為紅燈時(shí)，開(kāi)始下一個(gè)60s，此時(shí)，南北向紅燈亮60s，同時(shí)，東西向的綠燈亮55s后，切換黃燈，閃爍5s，如此往復(fù)循環(huán)。給出如下時(shí)序圖進(jìn)一步說(shuō)明：圖 2-4 信號(hào)燈時(shí)序圖黃燈5s綠燈60s

31、紅燈60s紅燈60s綠燈60s黃燈5s東西向南北向從圖 2-4 可以看出，交通信號(hào)燈的一個(gè)循環(huán)周期為120s，東西向與南北向總共有四個(gè)狀態(tài)，即為東西向紅燈時(shí)，南北向有綠色、黃色兩個(gè)狀態(tài)，同樣的，南北向紅燈時(shí)，東西向有綠色、黃色兩個(gè)狀態(tài)，總共為4個(gè)。因此，可以用二進(jìn)制數(shù)表示為00、01、10、11。由于四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器SN74ls163可以實(shí)現(xiàn)上述四個(gè)狀態(tài)的循環(huán)，我們采用此芯片作為信號(hào)燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器。以下給出SN74ls163的功能與管腳說(shuō)明： 圖 25 SN74ls163芯片圖示管腳說(shuō)明：1. A、B、C、D各管腳為芯片的輸入端，A為最低位，D為最高位，用于置數(shù)輸入；2. ENP、ENT兩

32、個(gè)輸入端是功能選擇端，當(dāng)兩者輸入至少有一個(gè)為低電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)保持功能，當(dāng)兩者輸入都為高電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能；3. CLR'端口為清零端；4. CLK為時(shí)鐘脈沖輸入端；5. LOAD'為置數(shù)端；6. RCO為進(jìn)位輸出端；7. QA、QB、QC、QD為輸出端，從左至右順序，QD為高位。功能表如下：表 2-2 SN74ls163功能表輸入輸出CLRcpLOADENPENTQDQCQBQADCBA0XXXXXXX000010XXdcbadcba110XXXXX保持11X0XXXX保持1111XXXX加法計(jì)數(shù)由圖 2-4 可以列出信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表，如下：表 2-3 信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表

33、QBQARaGaYaRbGbYb00100010011000011001010011001100注釋：1. Ra、Ga、Ya代表東西向紅、綠、黃三色信號(hào)燈，Rb、Gb、Yb代表南北向紅、綠、黃三色信號(hào)燈；2. 因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)從0-15的變換中，最低位與次低位遵循0001101100這樣一種循環(huán)，所以，只用取SN74ls16輸出端QB、QA即可表示。因此，可以求得六路輸出函數(shù)，化簡(jiǎn)后的輸出函數(shù)為：表 2-4 各向輸出函數(shù)表東西向輸出函數(shù)南北向輸出函數(shù) 將上述各輸出直接與相應(yīng)的信號(hào)燈連接，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)各燈狀態(tài)的轉(zhuǎn)換控制。第三章 詳細(xì)設(shè)計(jì)在第二章中，簡(jiǎn)要介紹了交通信號(hào)燈各部分的設(shè)計(jì)原理以及硬件選材，包括

34、計(jì)時(shí)部分時(shí)序電路的設(shè)計(jì)以及信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制的設(shè)計(jì)。計(jì)時(shí)器的核心器件為SN74ls192芯片，燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器則主要由SN74ls163來(lái)實(shí)現(xiàn)。在第二章的基礎(chǔ)上，總體的設(shè)計(jì)思路明確為：計(jì)時(shí)器控制信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器。本章將詳細(xì)介紹各部分的設(shè)計(jì)步驟，在第二章中已給出詳細(xì)說(shuō)明的，在本章將適當(dāng)省略。3.1 計(jì)時(shí)器既然要設(shè)計(jì)一個(gè)六十進(jìn)制的減法計(jì)數(shù)器，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，那么，就需要先設(shè)計(jì)一個(gè)十進(jìn)制的減法計(jì)數(shù)器和一個(gè)六進(jìn)制的減法計(jì)數(shù)器，再將兩個(gè)計(jì)數(shù)器組合成一個(gè)六十進(jìn)制的減法計(jì)數(shù)器。3.1.1 十進(jìn)制、六進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)無(wú)論是十進(jìn)制的減法計(jì)數(shù)器也好，還是六進(jìn)制的減法計(jì)數(shù)器也罷，都是以SN74ls192

35、作為核心器件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。由于該芯片是一個(gè)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，無(wú)需我們多費(fèi)周折，只要將必要的端口輸入正確，再搭配8421BCD數(shù)碼顯示管，就可以初步構(gòu)成一個(gè)十進(jìn)制的減法計(jì)數(shù)器。在EWB中，十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)的電路圖如下所示：圖 3-1 十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器六進(jìn)制的減法計(jì)數(shù)器與十進(jìn)制的設(shè)計(jì)方法大體相同，唯一不同的是六進(jìn)制最大顯示的數(shù)為5，并以“5432105”這樣一種循環(huán)往復(fù)。這里，可以使用SN74ls192的同步置數(shù)功能，設(shè)計(jì)思想是：當(dāng)計(jì)數(shù)器從狀態(tài)“0”將變至“9”時(shí)，輸出端從QD至QA會(huì)由“0000”減法計(jì)數(shù)變?yōu)椤?001”的二進(jìn)制數(shù)碼，因此，要在“1001”的同時(shí)將其置數(shù)為“0101”，所以L

36、OAD的輸入應(yīng)是這樣一個(gè)函數(shù)：，目的就是為了在出現(xiàn)“1001”時(shí)，將“9”對(duì)應(yīng)為的“1001”同步置數(shù)為“5”對(duì)應(yīng)的“0101”。EWB仿真設(shè)計(jì)中的電路圖如下所示：圖 3-2 六進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器3.1.2 六十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)上一節(jié)中，詳細(xì)的分析了兩種進(jìn)制的減法計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，也為我們下一步工作做好了鋪墊，值得提問(wèn)的是：六進(jìn)制與十進(jìn)制的兩個(gè)人減法計(jì)數(shù)器與六十進(jìn)制的有什么聯(lián)系，又如何實(shí)現(xiàn)呢？在明確了問(wèn)題之后，關(guān)鍵要素也將清晰可見(jiàn)。關(guān)于兩個(gè)進(jìn)制的計(jì)數(shù)器之間的聯(lián)系在于，在概率統(tǒng)計(jì)學(xué)中，問(wèn)題的解決如果是分層次完成的的，對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)的加法，如果是分步完成的，就對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)的乘法，這里的關(guān)系真好對(duì)應(yīng)后者，是分步的。

37、也就是說(shuō)，六進(jìn)制與十進(jìn)制分步工作，組合能完成六十進(jìn)制的功能，即為：十進(jìn)制作為六十進(jìn)制的個(gè)位，六進(jìn)制作為十位，個(gè)位每記十次數(shù)，十位就記一次，相當(dāng)于進(jìn)位。有了初步的設(shè)計(jì)方案，接下來(lái)就是如何實(shí)現(xiàn)硬件的連接了。SN74ls192芯片是帶有進(jìn)位輸出與借位輸出端的，既然是減法計(jì)數(shù)器，我們選擇使用借位輸出功能，但是借位輸出直接用于控制十位上計(jì)數(shù)功能的脈沖信號(hào)，會(huì)出現(xiàn)不同步的現(xiàn)象，以此作為控制十位上計(jì)數(shù)功能的信號(hào)不妥，所以，我們通過(guò)選取QD、QA兩線來(lái)表示“9”，以此作為十位上的計(jì)數(shù)器脈沖信號(hào)。雖然實(shí)現(xiàn)了借位計(jì)數(shù)的功能，但是，工作仍然不能說(shuō)算完成了，因?yàn)?，接下?lái)的問(wèn)題出現(xiàn)了，如何使得十位上的數(shù)在沒(méi)有接到借位信

38、號(hào)時(shí)不計(jì)數(shù)呢？所以，實(shí)現(xiàn)該器件的保持功能成為了進(jìn)一步的任務(wù)。查閱資料后，了解到SN74ls192雖無(wú)保持端，但是，可以實(shí)現(xiàn)保持功能，即當(dāng)DOWN端口沒(méi)有接收到上升沿的脈沖信號(hào)時(shí)，芯片不會(huì)改變輸出狀態(tài)，只有當(dāng)接受到上升沿的脈沖信號(hào)時(shí)，芯片做減法計(jì)數(shù)。我們通過(guò)使用單刀雙擲開(kāi)關(guān)，模擬脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)試芯片的保持功能，下圖為EWB仿真實(shí)驗(yàn)電路圖：圖 3-3 模擬脈沖信號(hào)測(cè)試芯片保持功能 有了借位與保持功能后，將借位輸出信號(hào)作為時(shí)鐘脈沖信號(hào)，控制十位上的計(jì)數(shù)功能，以實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制的同步計(jì)數(shù)器。到此，六十進(jìn)制的減法計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)思想已經(jīng)完善，通過(guò)組合，即可實(shí)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器的功能，只需將脈沖信號(hào)的頻率設(shè)置為1赫茲即

39、可，此時(shí)脈沖周期為一秒。下圖是計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)圖：圖 3-4 計(jì)時(shí)器EWB仿真電路圖3.2 信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器在第二章中，介紹了交通信號(hào)燈的時(shí)序狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并得到表2-3，所以可做出Moore型原始狀態(tài)圖：圖 3-5 Moore型原始狀態(tài)圖000110111111得出原始狀態(tài)圖后，結(jié)合表2-4可以定義SN74ls163的各輸出端了，因此，在EWB中的仿真電路圖如下：圖 3-6 交通燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制電路圖3.3 信號(hào)燈設(shè)計(jì)整合完成3.1與3.2節(jié)工作后，接下就是考慮如何將兩部分整合為一個(gè)完整的交通信號(hào)燈控制器了。主要工作是把計(jì)時(shí)器與信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器電氣連接，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器控制信號(hào)燈的狀態(tài)切換，從而達(dá)到

40、本設(shè)計(jì)的要求。那么如何實(shí)現(xiàn)呢？在第二章中，給出了SN74ls163是具有保持功能的，所以，這為我們的設(shè)計(jì)提供了便利。因?yàn)樵撈骷钱?dāng)ENP、ENT端口有一個(gè)輸入為低電平時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)保持功能的，所以，我們選取其中一個(gè)端口輸入高電平，另一個(gè)端口用于控制，即為：將ENT端口輸入為高電平，當(dāng)需要切換信號(hào)燈當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下一狀態(tài)時(shí)，給ENP端口輸入一次高電平脈沖信號(hào)，使SN74ls163開(kāi)始計(jì)數(shù)，并在脈沖信號(hào)回歸到低電平時(shí)暫停計(jì)數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)燈狀態(tài)切換的控制。那么這個(gè)脈沖信號(hào)如何實(shí)現(xiàn)呢？在分析了交通信號(hào)燈各個(gè)狀態(tài)切換時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻后得出，當(dāng)計(jì)時(shí)器第一次“00”“59” “05”的過(guò)程中，要保持信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)

41、換器的輸出狀態(tài)為“00”，總共為55秒；在計(jì)時(shí)器“05”時(shí)刻到來(lái)后，切換信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)由“00”變?yōu)椤?1”，并在計(jì)時(shí)器的“05”“00”之間保持信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)為“01”狀態(tài)5秒；在計(jì)時(shí)器的“00”時(shí)刻到來(lái)后，切換信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器輸出狀態(tài)由“01”變?yōu)椤?0”，并在第二次“00”“59” “05”的過(guò)程中，要保持信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器的輸出狀態(tài)為“10”，總共為55秒；在計(jì)時(shí)器“05”時(shí)刻到來(lái)后，切換信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)由“10”變?yōu)椤?1”，并在計(jì)時(shí)器的“05”“00”之間保持信號(hào)燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)為“11”狀態(tài)5秒；下一個(gè)周期變化同上，以上面的120秒為周期循環(huán)。所以，這個(gè)脈沖可以這樣定義：當(dāng)十位顯示“0”、各位顯示“0”或“5”時(shí)，發(fā)射一次信號(hào)脈沖。這個(gè)脈沖在這樣的特殊時(shí)刻發(fā)出，并在其它時(shí)間靜默，因此能有效的控制信號(hào)燈的狀態(tài)切換了。整合各部分設(shè)計(jì)的EWB仿真電路圖為：圖 3-7 交通信號(hào)燈控制電路圖第四章 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析 所謂金無(wú)