数电课程设计——简易交通灯控制逻辑电路

来源:初三 发布时间:2020-09-26 点击:

 简易交通灯控制逻辑电路设计 、设计任务与要求 要求实现逻辑功能,在 1-3 状态循环。

 1、 东西方向绿灯亮,南北方向红灯亮,时间 15s; 2、 东西方向与南北方向黄灯亮,时间 5s; 3、 南北方向绿灯亮,东西方向红灯亮,时间 10s ; 4、 如果发生紧急事件,可以手动控制四个方向红灯全亮。

 、方案设计与论证 1、分解任务要求 任务要求实际上就是 4 个状态,不妨设:

 51、 东西方向绿灯亮,南北方向红灯亮,时间 15s; 52、 东西方向与南北方向黄灯亮,时间 5s ; S3 南北方向绿灯亮,东西方向红灯亮,时间 10s ; S4 如果发生紧急事件,可以手动控制四个方向红灯全亮。

 【表 1】

 主电路状态与指示灯状态转换 主电路 状态 S1R S1G S2Y S3R S3G S1 1 1

 S2

  1

  S3

 1 1 S4 1

  1

 灯数 南北 R= 2 东西 G= 2 东南西北 丫 =4 东西 R= 2 南北 G= 2 注:R,G B=红,绿,黄灯 根据【表 1】可知,设计电路只需要 5 组输出端控制指示灯,指示灯都是以 2 个

 或 4 个一组。总计需要 4 3 12 个灯。

 2、输出指示灯状态设计(显示电路)

 【图 1】

 S1 S2 S3 S3R -

 5G 1OY北

 S3 S1 sT S2V S2 ‘ -O R

 西 -<G

 R O-l 东 Y O H

 G 牛 S1 SLG 1 ■

 南 R Y G • oo

 SIR

 -------------- i u fj -

  S1 S2 S3

 显示电路设计▲ 3、主电路设计 ① 、主电路实现 S1-SPS3 状态的转换, T _____ ; ② 、另外可以在任何一个状态进入 S4,并能恢复正常工作状态 实现①、②可以用触发器,也可以用锁存器或使能电路。

 ③ 、实现 S1= 15S, S2= 5S, S3= 10S ① 、S1-S3 使用 2 个 SR 锁存器,设置 00, 01,10 三个状态。

 ② 、S4 使用触发器,当出现紧急情况,触发器由“ 0”进入 S4 状态“T 后, 在解除紧急时,恢复“ 0”,进入 S1 状态。

 ③ 、使用 4 个 JK 触发器,实现 16 位计数

 ① 、S1-S3 使用 2 个 7473 替代的 T 触发器。

 【图 2】

  1 个 7473 替代的 T 触发器▲ JK 触发器包含 SR 触发器和 T 触发器的功能,J=K=T,则得到 T 触发器。

 ② 、S4 使用或门、非门实现,从【表 1】可知:

 SIR S1 S4 S1G S1?S4(不能出现红绿同时亮的情况 )

 S2Y S2?S4(不能出现红黄同时亮的情况 )

 S3R S3 S4 S3G S3?S4(不能出现红绿同时亮的情况 )

 ③ 、使用 74192 同步可逆 10 进制计数器(8421 码)2 个 方案对比 【表 2】

 万案 项目 实现方法 优点 缺点

 ① S1-S3 2 个锁存器 简单 电平触发,与 时钟信号不匹 配

 ②S4 触发器 解除紧急(S4)

 后指定

 ③T 4 个 JK 触发器

 复杂 -——二 ① S1-S3 2 个 T 触发器 下降脉冲触

 发,与时钟信 号匹配

  ②S4 或门、非门

 解除紧急(S4)

 后回到 S1/S2/S3 任一

 ③T 2 个 74192 计 数器 容易处理,可 显示数值

 综合考虑,为使电路简化、运行稳定,选用方案二。

 三、单元电路设计与参数计算 【图 3】

  总体模块设计▲

 位 TCU= 十位 UP 实现(Term in al Cou nt Up (Carry) Line 条件进入选择器 74153。判断条件成立后执行清零。

 2、时序 Sx 控制:使用 7473 改装的 TFF2 个,实现 S1-SPS3 状态的转换。

 3、判断时钟、Sx:判断 74192 和 7473 的状态,满足条件输出1 时钟控制系统:使用上升时序,个位、十位两片 74192。进位关联使用个 EC 使能

 1 血时钟僧号 1 阪函数.叢主时序血控制 E [H^TffQTi电平开判断时钟・ Sx 状态转换

 厭出團熬电碍 G6- S1D 选择器 14163

 )。数据状态通过判断 时姑揑制系飪 LED 且示电雜 塔百畚 741

 74192 的清零 使能和 7473 的 CLK 信号 4、 翻译 Sx— LED 翻译 S1、S2、S3 对应 LED 的 5 个状态: S1R,S1G,S2Y,S3R,S3G 5、 输出调整电路,令紧急电平开关控制 LED 的状态。

 四、总电路工作原理及元器件清单 1 .总原理图 图 4】

 ③ C/74192(2) ⑤ ECLF/74153 +位 8 74192 (2) I ;1G S2Y 7473 S3G fl)AiEmergency) QO/74J3 哦 CM 77473 G1 ° 3R GS

 S1R lb 15 D 9 n 也9 EneroeQcy(Active HIGHT) [Space] ⑦

 Q177473(6) QO/7473 ② B/7£192 ③ C/7^192 ⑸ ECLR O o cG?A30J;lp Y Y

 W22C-2CD oj 274153 le IS >1CLK 1J 1CLR" 1Q ?

 IK IQ VCC GNI >2CLK 2K 2CLR" 2Q EJ 2Q Z

  U3- 12 |

  11

  10 . I

 9

 Q1 8

  VCC

 Y Y1G2 YG2 YG1 丫 Y7 VGN Y

 74136 B VCC QB A QA CLR DOWN BO" UP CO Z

 QC Lovir QU C GND D

 G6 F- 卜 G8 仆 危) 1 Hz/fn%

  D

 G1

 ② B/74192 个位 汽CLRBO*品 13 12 11 74192 ©TCOCTerminal Count Up (Ca r ry) Line) S1 S2 S3 R) R Y G 北 92

 S1 南 R Y G pi SI S2 S3 S3 R 东 Y 0—4^2 G Q~| S1

 【图 5】

  2 •电路完整工作过程描述(总体工作原理)

 直零 帆 LR 时姑整制系统 「 IT* "SrCUtT-mlnfi] Count D ; i 时序塚控制 ②

 BZ7^ llsa

 ®QO/717 3 ®C^-US3(2)

 1^1/7473 JKFFT4 吒 ©QC/7 473 ©Q1/7473 E [HfirfinTiry 电平开关 P3rSx-LED 俸码器 741葩 〔 En 5 .判耕对钟, Sx ©ECLR/741E3 透择器刑止 3 数据线分配▲ G6-G1O LED 且示电雜 LEDREG 各生个

 【表 3】

 数据线连接 序 号 名称 触发 方式 条件 输出源 输入 ① A(Emerge ncy) 1 紧急状态信号 急、 电平开关 74138[3]C G9[1]G10[1] ② B/74192 1 判断个位达到 5 74192[G0] 74153[B] ③ C/74192(2) 1 判断十位达到 1 74192(2)[3]QA 74153[4]1C2 [11]2C1[13]2C3 ④ TCU(Termi nal Cou nt Up (Carry) Line) T 个位从 9—0 同时 输出一个脉冲 74192[12]CO" 或称 TCU 74192(2)[5]UP 或称 CPU ⑤ ECLR/74153 清零使能 1 B、C/74192 Q0 Q1/7473 的逻辑函数 74153[G4] 74192[G1] 74192(2) [G2] ⑥ Q0/7473 0,1 状态触发条件 7473[12]1Q 74138[1]A 74153[14]A ⑦ Q1/7473 0,1 状态触发条件 7473[9]2Q 74138[2]B 74153[1]1G"

 【表 4】

 74192 工作状态(个位)

 B Q 2 Q 0

 74192[7] 74192[6] 74192[2] 74192[3] 74192 74192[B] Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 数码管 B 0 0 0 0 0

 0 0 0 1 1

 0 0 1 0 2

 0 0 1 1 3

 0 1 0 0 4

 0 1 0 1 5 1 0 1 1 0 6

 0 1 1 1 7

 1 0 0 0 8

 1 0 0 1 9

 注:不填二 0 【表 5】

 74192(2)工作状态(十位)

 C Q o 74192[7] 74192[6] 74192[2] 74192[3] 74192 74192[B] Q 3 Q 2 Q 1 Q 。

 数码管 C 0 0 0 0 0

 0 0 0 1 1 1 注:不填二 0

 【表 7】

 7473 工作状态(双 T 触发器)

 用 JKFF 构成 TFF

 使 2 个 T 触发器的 4 状态循环变为 3 状态循环,使用 Q i

 Q o 作系统状态。

 CLK o CLK i 由选择器 74i53 判断

 7473 [9]2Q[i2]iQ 7473 [8]2Q " [i3]iQ "

 状态 Q i Q o Q i Q o 持续时间 Si oo ii i5S S2 oi io 5S S3 ii oo ios

 【图6】

 状态转换图▲ K o J o K i J 1 T 1 Q o Q i 则有: Q o * Q o Q i Q i Q i * Q o Q i T o

 【表 7】

 74153 工作状态(数据选择器)

 PIN A ⑥ Q o 7473

 B ⑦B 74192

 I ° a I 1 a I 0 b I 2 b 0 I 2 a I 3 a I 1 b I 3 b C 74192 Ea Q 1

 7473

 Eb ①

 7473

 ⑤ ECLR/74153 1Y 2Y

 输入 输出

 7473 [9]2Q[12]1Q 74153[14] 74153[2] 74153[1] 74192(2) 74153[G4] 状态 Q 1 Q 0 A B Ea ③C ⑤ ECLR S1 00 0 1 0 C 12a 1 S2 01 1 1 0 C 13a 1

 输入 输出

 7473 [9]2Q[12]1Q 74153[14] 74153[2] 74153[15] 74192(2) 74153[G4] 状态 Q 1 Q 0 A B Eb ③C ⑤ ECLR S3 11 1 X 0 C I1b C 13b 1

  状态 CLK ⑦Q1 7473 ⑥Q0 7473 ②B 74192 ③C 74192(2) S1 1 0 0 1 1 S2 1 0 1 1 X S3 1 1 1 X 1

 PIN ⑤ ECLR/74153 CLK 1Y 2Y

 LOGIC SYMBOL 1 1 £ 5 」 I I 3 I 10 11 12 13 15 inn

  1 酝 h ha % ■o; hb hb 也 Eh

 So

  V cc = PIN K GND = PINE 74153 Logic Symbol ▲SI I311a 10a/ 32 1 Q ⑴ 1 GE lc lclc忙1 E b 80 」一13 b -^— 12b -U— 11b J— IOh -^—Zb SO 选择输入 Common Select In put E 选通输入 Enable (Active Low) In put 10,11 数据输入 Multiplexer In puts Z 输出 Multiplexer Output

 【图 7】

 TRUTH TABLE SELECT INPUTS INPUTS (a or b) OUTPUT So 务 E

  h u Z X X H X X X X L L L L L X X X L L L L H X X X H H L L X L X X L H L L X H X X H L H L X X L X L L H L X X H X H H H 1 X X X L 1 H H L X X X H H

 ("fla ^1 * ha ^1 " So ha S 1 5o 4

 ha Si So) 4 = % (bb ■哥岳* Mb 创牝*悅目 So 士 hb J

 S Q ) 74153 Turth Table ▲ 【图 8】

 H a HIGH W*hnga L GVD I L » LOW Ullage lave* X - Den t Care

 【表 8】

 74138 工作状态(3-8 线译码器)

 PIN A ⑥ Q 0

 7473 B Q , 7373 C ① A(Emerge ncy) 74153 PIN [3] [2] [1] 输出 LED LED LED LED LED 74153 Name C B A 丫 S1R S1G S2Y S3R S3G S1 0 0 0 Y 0 1 1

 S2 0 0 1 丫 1

  1

  S3 0 1 1 丫 3

 1 1 S4 1 0 0 丫 4 1

  1

 1 0 1 丫

 1

  1

 1 1 0 丫 6 1

  1

 1 1 1 丫 7 1

  1

 S1R S1 S4 Y o ③ C/74192(2) S1G S1?S4 丫 0

 S2Y S2?S4 丫 1

 S3R S3 S4 丫 3 ③ C/74192(2) S3G S3?S4 丫 3

  由于 74138 输出的是 Y 而不是 丫 , 另外需要实现+的逻辑,所以增加 G6-G1 来调整线路。后一页附图

 【图 9】

 Function Tables

 DMI74LS138 Inputs

  Outputs

 Enable S&lecl

 G1 G2 {Nple 1) C B A ¥O Y1 ¥2 ¥3 Y4 Y5 Y6 Y7 X H X X X H H H H H H H H L X X X 冥 H H H H H H H H H L L L L L H H H H H H H H L L L H H L H H H H H H H L L H L H H L H H H H H H L L H H H H H L H H H H H II H L L H H H H L H H H H IL H L H H H H H H L H H H L H H L H H H H H H L H H 1 H H H H H H H H H H L

 74138 Turth Table ▲

  输出调整电路(G6〜G10 )▲ConnerUori Diagram^ SOAO ―L- S1=A1 」一 S2=A2 」— 斗 二

 An B G2G2 ar7GN 16 15 14 13 12 11 10

  1* 11 廿 Hl

 ; \ 1 1 I

 1 1 I 1

  r>

  * 1

 i M t 1 .4 ■

 r

 1 74158 74138 Conn ection Diagrams ▲ 【图 10】

 【图 11】

 B DW74LS13« ABC U* Gi ・ G1 VT 4D ■ ---

  -----

  、 ------

  ■ gw -HLXZT E*UM

 【表 9】

 3 •元件清单 元件序号 型号 主要参数 数量 备注 74192 74LS192 十进制、LOAD 氐电平有效 1

 74192(2) 74LS192 十进制、LOAD 低电平有效 1

 74153 74LS153 2 组数据 4 选 1 选择器 使能端 Ea、Eb 低电平有效 1

 7473 74LS73 J = K= T,2 个 T 触发器 1

 74138 74LS138 3-8 线译码器 1

 GO 74LS00+74LS04 2 输入与门 1

 G1、G2 74LS00 2 输入与非门 1

 G3 G6 G7 G8 74LS04 2 输入非门 1

 G4 G9 G10 74LS02+74LS04 2 输入或门 1

 G5 74LS86 2 输入异或门 1

  五、仿真调试与分析 仿真使用 EWB5.12 1、仿真技巧 仿真过程中遇到了很多的问题,在遇到问题后根据除出现的情况按照逻辑真 值表进行调整。使用 EWB5.12 的 一些技术或仿真中的事项标记如下:

 ① 、元件调整:双击原件即可调整原件参数。如果在运行状态,这个操作会 导致总电源的关闭。

  ② 、EW 沖有红绿蓝三色灯,而红绿灯需要红绿黄三色,所以模拟中用蓝灯 代替黄灯。

 【表 10】

 ③ 、接线问题:

  当且仅当元件、结点不移动的情况下,连线不移动,新接连线会自动调整, 可用鼠标移动到线上拖动,若线上出现小方框,说明线太密,不能移动。

 连线不能倾斜,全部横向或竖向。

 当第三点需要连接在线上是,可以从端点拖动到线上。

 EWB 不允许出现悬空 线,也不允许从导线开始延伸到端点。

 要连接两条悬空线 AB,可以先利用第三个端点 E 引一条线到 B,再移动 E 上 的线到 A。再弃置 E。

 ④ 、器件、结点圈选以后可以整体移动。圈内的器件、结点相对位置不会移 动,导线两端均在圈内则不移动,导线两端在圈外亦不移动。导线一端在圈内, 一端在圈外则会自动调整。

 ⑤ 、调试、连线过程中使用额外的指示灯,并给跨芯片导线编号有利于检错 2 C

 0)G1 J 74Z3<5 )C

 ) Q0/?473S ? C

 ■? c

 &C/74192( S ? c

 J ECLR

 T \

  2、仿真记录:

 仿真过程中没有发现问题,电路运行正常, 红绿灯运行状态匹配。

 【表 10】

 仿真中的关键逻辑电平记录 全部高电平有效 PIN 7473 [9] 7473 [12] 74192 7 [G0] 4192(2) [3] 74153 数[G4] 攵码管数 次码管 LED LED LED LED LED Name ⑦Q1 ( ⑥Q0 ②B 个位 ③C 十位 ⑤ ECLR 十位 个位 S1R S1G S2Y S3R S3G S0 0 0 0 0 0 —— —— 0 0 0 0 0 S0^ S1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 S1= 15s 0 0 0-1 0-1 0 0-1 0-5 1 1 0 0 0 S1— S2 0 0— 1 0— 1 1 1 1 5 1— 0 1— 0 0— 1 0 0 S2= 5s 0 1 0 0 0 0 1-5 0 0 1 0 0 SP S3 0— 1 1 0— 1 0 1 0 5 0 0 1— 0 0— 1 0— 1 S3= 10s 1 1 0 0 0 0 1-9 0 0 0 1 1 S3^ S1 1— 0 1— 0 0 0— 1 1 1 0 0— 1 0— 1 0 1— 0 1— 0 S4 1 1 0 0 0 0-1 X 1 0 0 1 0 1 = High Level 0= Low Level X= Don" t Care —=None 0-5=0 To 5 【图 12】

 仿真截图 见下一页

 “五 1⑤”的指示灯状态与 LED

  S1:东西方向绿灯亮, 南北方向红灯亮,时间 15so SO,S1, S2, S3 中任一状 态下打开电源会进入 S1 状 态,数码管初始值为 10 o 数码管最大显示为 14,出 现“ 15”的瞬间进入下一 状态。(S2)

 S2:东西方向与南北方 向黄灯亮,时间 5s o 数码管最大显示为 04,出 现“ 05”的瞬间进入下一 状态。(S3)

 S3 :

 南北方向绿灯亮, 东西方向红灯亮,时间 l0s o 数码管最大显示为 09,出 现“ 10”的瞬间进入下一 状态。(S1)

 S4:如果发生紧急事 件,可以手动控制四个 方向红灯全亮。

 此状态,有且仅有所有 红灯为1,红绿灯不受 主电路状态影响。

 1 1 —

 A(5 F? Y Q t it

 -O R

 -OG

 R O J 琨 V Q - * 0 Oq

 w R Y G n?

 P) ■切 R Y & 4t

 |- 1" =0©

 R

 d G O-\

 R Y &

 VI!

  R> if] R F G 北

 -•R -OG

 R

 A R 1 & nr

  SO:没有打开电源的状 ^态 o Q : o so

 ma 7

 - 曲 Y G 2i (S 01^4730 m 机口① M 朗询 Cl? 翻迹 ECLR S S

 S1 S2 £3 -1 S2 S3 -- <. -1

  附表:文中图、表目录 页码 表序号 图序号 名称 3 1

 主电路状态与指示灯状态转换 4

 1 显示电路设计 5

 2 1 个 7473 替代的 T 触发器 5 2

 方案对比 6

 3 总体模块设计 8

 4 总原理图 9

 5 数据线分配 10 3

 数据线连接 11 4

 74192 工作状态(个位)

 11 5

 74192(2)工作状态(十位)

 12 6

 7473 工作状态(双 T 触发器)

 12

 6 状态转换图 13 7

 74153 工作状态(数据选择器)

 14

 7 74153 Turth Table 14

 8 74153 Logic Symbol 15 8

 74138 工作状态(3-8 线译码器)

 16

 9 74138 Turth Table 16

 10 74138 Co nn ection Diagrams 16

 11 输出调整电路(G6〜G10)

 17 9

 元件清单 19 10

 仿真中的关键逻辑电平记录 20

 12 仿真截图 7473 双 j-k 触发器 ( 带清除端 )

 负边沿 J-K 触发器 Dual JK FF(Clr)

 JKFF

  7473 [CLOCK] CLI^CK=CP=CPO [CLEAR] 抹馬2K谿

 G G

  7473 功能 输入 输出

 CLR CP J K Q n

 Q n1

  Q n1

 清除 0 X X X 0 0 1 1 1 0 维持 1 1 X X 0 1 1 0 维持 1 J 0 0 0 1 1 0 Li iH 异步置 11 J 1 0 0 1 1 0 1 0 I iH 异步置 01 J 0 1 0 0 1 1 1 0 Toggle 切换 1 J 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 JK 触发器J K Q n

 Q n 1

 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0

 Q* J?KQ JK?Q JKQ JKQ JQ KQ

  Function Table Inputs Outputs CLR CLK J K Q Q L X X X L H H I L L Qo Qo H J H L H L H I L H L H H I H H

 Toggle H H X X □o Qo H - HIGH Logic Level L=LOWLogic Level X = Either LOW or HIGH Logic Level J - Negative going edge of pulse Qo ■ The output logic level before the iixlicated input conditions were established. Toggle = Each output changes to the complement of its previous level on eacti falling edge of the clock pulse ・ ■ BLOCK DIAGRAM(^)

 Connection Diagram

 ■PIN ARRANGEMENT

  7473 替代的 T 触发器 功能 输入 输出

 CLR CP T Q n

 Q n 1

 _ n Q Q n 1

 清除 0 X X 0 0 1 1 1 0 维持 1 1 X 0 1 1 0 T 触发 器 1

 0 0 1 1 0 Toggle 切换 1

 1 0 1 1 0 1 0 0 1 T 触发器

 7473 替代的 T 触发器 JK 触发器包含 SR 触发器和 T 触发器的功能 J=K=T,则得到 T 触发器。

 T Q n

 Q n 1

 0 0 1 1 0 1 1 0

 Q* TQ TQ

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  74138 3-8 线译码器/多路转换器 双列直插 16 脚 3-8 线译码器 3-to-8 DEC 3-To-8-L ine Demultiplexer Decoder/Demultiplexer SO=AO —L- S1=A1 —^― S2=A2 —^― 斗 二

 74l?8 Function Tables DM74LS13S Inputs Output Enable Select G1 G2(Note 1) C B A yo ¥1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 ¥7 X H X X X H H H H H H H H L X X X X H H H H H H H H H L L L L L H H H H H H H H L L L H H L H H H H H H H L L H L H H L H H H H H H L L H H H H H L H H H H H L H L L H H H H L H H H H L H L H H H H H H L H H H L H H L H H H H H H L H H L H H H H H HH H H H L H = HIGH L 七佃 I L = LOW Level X = Don"t Gar$

 M*tel!G2-G2A-nG2B 使能端 S0= 1,使能;S0= 0,禁止。

 S2= S3= 0 使能,S2+S3= 1 禁止。

 输出 Y0 — Y7 为低电平有效。ABC cc YOY1 r2Y3Y4 Y5也

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  Logic Diagrams DM74LS138

 Connection Diagrams DM74LS138 UAd A UU1PUIS ¥応 VO ¥1 ¥2 ¥3 Y4 ¥5 ¥5 I16

 14 u 12 1 1 10 Q

 i L 1 i

 3 ]< J

 o

 ( 3

 t

  r 5 6 了

 I 8

 ABC G2A G2B G1 1T7 GND

 ―. -------------- ‘

 ------------

 --

 ---------- £ OUTPUT SELECT ENABLE D&TA auTPWTS

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  74153 双 4 选 1 数据选择器/多路选择器 Dual 4-to-1 Data Sel/MUX Dual 4-input Multiplexer

 74153

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  74192 同步可逆计数器 ( bed,二进制 ) PRESETTABLE BCD/DECADE UP/DOWN COUNTER PRESETTABLE 4-BIT BINARY UP/DOWN COUNTER Syn chro nous Up/Dow n Decade Coun ters(dual clock lin es) Synchronous Up/Dow n Coun ter

  CONNECTION CWAGRAM DIP (TOP VIEW) 险上 L WR 畋 Pl 內旦

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