交通燈控制電路

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。

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圖12、1 交通燈控制系統的原理框圖	2．畫出交通燈控制器的ASM（Algorithmic State Machine，算法狀態機）

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???（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。

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???（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。

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?？刂破鞯倪壿媹D如圖12、5所示。圖中R、C構成上電復位電路 。

（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?？刂破鞯臓顟B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

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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。