循序與邏輯電路設計實習 (紅綠燈)－eeStuff - All About Electronics Engineering

[功能要求]

設計一交通號誌控制模組，可控制紅、黃、綠燈，此實驗必須包含以下功能：

1. 能夠設定各燈號點亮秒數，最長不超過16秒。

2. 能夠設定一密碼，當密碼不正確時無法啟動此交通號誌。

3. 當紅燈亮時，能夠同時以兩位數顯示倒數計時至0秒。

4. 實現一喇叭模組，配合燈號可產生三種不同音調的聲音。(加分題)

5. 不可用程式燒 non-8051 non-PLC(純硬體架構)

[成品]

電路圖下載

BOM下載

[系統方塊圖]

如上圖所示，本系統是由以下各方塊所組成：

a. 使用者介面

b. 密碼驗證

c. 1Hz方波產生器

d. 可給初值計數器

e. 資料選擇

f. 七段顯示器驅動

g. 2位數七段顯示器

h. 燈號仲裁

i. 紅黃綠 LED燈號

j. 喇叭模組

[工作原理]

在每個燈號的週期開始， 燈號仲裁方塊會接收到計數器方塊指示的ZERO_FLAG，接著決定出目前哪個燈該亮，哪個燈該滅；然後通知 資料選擇方塊現在是什麼燈號的週期，另一方面也通知 紅綠燈方塊點亮相對應的燈號。

當 資料選擇方塊收到指示後，會將 使用者介面方塊設定的秒數(15~0秒)傳送至 計數器方塊，作為計數的起點，並由 燈號仲裁方塊指示匯入資料。

計數器開始動作後，會將正在計數的資料傳送到 七段顯示器驅動方塊，數值處理後輸出至2X七段顯示器方塊做讀秒顯示。

下面為各位說明各方塊的詳細動作：

a. 使用者介面

提供四組四位元DIP SWITCH，分別可設定

密碼 PSW[3:0]=1010

紅燈秒數 RSEC[3:0]=15~0秒

黃燈秒數 YSEC[3:0]=15~0秒

綠燈秒數 GSEC[3:0]=15~0秒。

b. 密碼驗證

密碼驗證迴路所使用的0V參考電位點(GND)與後級電路以Q1區隔，以達到控制後級電路電源的目的。

驗證所設定PSW[3:0]是否等於1010，

(我在這裡把密碼預設為1010，電路也是以這個設定來設計)

(PSW3 AND !PSW2) AND (PSW1 AND !PSW0) = 1?

若為真，則Q1工作在三極區，兩邊GND導通，系統啟動。

即題目第二項的功能。

c. 1Hz 方波產生器

以LM555組成的無穩態計時器，產生約1Hz，Duty Cycle約50%的方波。

其中決定頻率及Duty Cycle的變數為R1, R2, C2，公式如下：

我在這個實驗中是以線上計算器求得R1=10KΩ, R2=710KΩ, 及C2=10μF。

如果要求精準的話R2可以以可變電阻取代。

d. 可給初值計數器

計數器我選用的是74LS193，其主要有preset及4位元上下數功能，結合資料選擇的電路，即可達成題目第一項所要求的功能。

[方塊輸入]

CLK – 接收由1Hz方波產生器提供的時脈源。

LOAD# - 當LOAD#經歷了HI-LOW-HI一個週期脈波後，即會由D[3:0]設定的資料開始做上/下計數。圖中右上角BJT會在系統啟動之初，讓LOAD#短暫(約5RC)保持在LOW狀態，隨即會由R26的提升回到接近VCC。圖中最左邊的BJT開關陣列，接收來自燈號仲裁的信號，在每個燈號週期的最開始，使LOAD#短暫的保持在LOW狀態，完成給定秒數設定。

D[3:0] – D[3:0]值來自資料選擇方塊，可以預設74LS193計數器的值。但由於74LS193的計數是不斷循環的，若在下一個計數週期到來前未適時的給予LOAD#=LOW的信號，則會從15開始下數。

[方塊輸出]

Q[D:A] – 計數的輸出結果，根據D[3:0]給定的值，可做給定的值到0的下數計數。

ZERO_FLAG – 當計數由零要進入下一個循環時，產生一個LOW-HI-LOW的脈波。

TENTHS_EN – 由Q[D:A]加工而來的信號，其功能為判斷Q[D:A]的值是否大於9(1001B)，如下列敘述：

QD AND (QC OR QB) = 1?

若為真，則Q大於9。

其結果與R_EN(紅燈致能信號)結合後，作為是否點亮七段顯示器十位數單元的判斷。

e. 資料選擇

這邊我使用74LS243來建構資料匯流排D[3:0]。74LS243為一四位元的匯流排收發器，透過GAB#及GBA來選擇資料流路徑。