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一、实验目的

  1. 掌握半导体器件的开关特性，正确理解正、负及混合逻辑。
  2. 熟悉集成门电路和集成触发器的结构，工作原理，主要参数。
  3. 掌握基本功能电路（编码器、译码器、全加器、多路转换器、移位寄存器和计数器等）的电路结构，工作原理和逻辑功能。
  4. 掌握组合逻辑电路的分析、设计和验证方法。
  5. 掌握利用MSI器件设计组合逻辑电路的方法。
  6. 掌握时序逻辑电路的分析与设计方法。
  7. 初步掌握脉冲波形产生和整形电路相关原理。
  6. 初步掌握A/D、D/A转换器件的工作原理。

二、实验仪器

  Proteus 8.0

三、实验内容及原理

3.1 设计交通灯的要求

  用MOORE型状态机设计一个十字路口交通灯控制器。十字路口东西、南北各有红、黄、绿指示灯。
  要求实现逻辑功能，状态机所包含的状态（S0，S1，S2，S3，S4，S5），其中正常情况下在S0-S3状态循环，如果发生紧急情况，进入S4状态。
  S0：东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间45s；
  S1：东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮，时间5s；
  S2：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间40s；
  S3：南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮，时间5s；
  S4：如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。
  其中S0状态持续时间45秒，S2状态持续时间40秒，S1和S3状态应该持续5秒，S4状态为紧急事件，持续时间不定，紧急事件解除进入S0状态。该功能采用减计数器计时实现，包含一个最大计数值为44的计数器，一个最大计数值为39的计数器和一个最大计数值为4的计数器。计数器的使能控制根据当前状态决定，计数器的进位位输出作为状态机的控制输入。东西、南北红、绿、黄灯点亮由状态机的输出控制。
  其状态转移图如下:
  
  其中R1,g1,y1代表东西方向，R2,g2,y2代表南北方向。

3.2 具体电路介绍

3.2.1 组合逻辑电路

  组合逻辑电路包括状态译码，灯输出逻辑，和触发逻辑。红绿灯的显示 表示电路当前所处状态。该电路受到主控电路的控制。主控电路的输出决定 了了干道红绿灯的亮灭情况。
    

3.2.2 定时电路

  定时电路包含最大计数值为44/39/4的计数器，实现了红黄绿三个不同秒数的倒计时。我使用74LS192，串行连接的方式进行设计不同的计数器。以最大计数值为44的计数器进行说明：当UP=1时，74LS192是倒数计数，图3-1的上面74LS192的D3到D0对应的是0100，下面对应的是0100，这样可以保证它是从44开始倒数的。 在连接整个电路前，我先设计了不同的计数器，如下图3-1,3-2,3-3所示：

               

               

               

3.2.3 时序逻辑电路

  控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。选用两个 D 触发器做为时序寄存器产生4种状态，参见下图。
   
            

四、实验结果

  下图是将以上的三部分电路连接到了一起后的总电路：如下图所示：
   
（1）S0 状态：东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间 45s；如下图所示：
   
（2）S1 状态：东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮，时间 5s；如下图所示：
   
（3）S2 状态：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间 40s；如下图所示：
   
（4）S3 状态：南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮，时间 5s；如下图所示：
   
（5）S4 状态：如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。如下图所示：
   

五、实验结果分析

  本次实验是按照指导书上给定的要求去设计交通灯的。我认为这次实验还是很有很大难度的，刚开始的时候都没有什么思路，平时学到的东西也串连不到一块去，查阅了很多网上的相关资料，才步入正轨。我在做这次实验时，为了降低设计的难度，我是将本次实验拆解成了三部分（组合逻辑部分，定时电路，时序逻辑），分别进行设计连接，然后将三部分通过一定的方式连接成一个电路。当然在连接电路时也遇到了很多的困难，例如：
  在设计定时电路时，最开始我并不知道选择那个器件可以完成倒着数数。百度后，我从74LS192和74LS193中选择了74LS192进行了不同计时器的设计，但是在连接74LS192时，也遇到了困难，我不知道每个端口的功能以及连接方式，尤其是PL、MR端的连接方式。我也是在proteus中不断尝试，才发现PL端应该是置数端，MR端是清零端。
  当然在设计组合逻辑部分，时序逻辑电路时也遇到了很多困难，例如：74LS153双4:1选择器端口的选择方式，如何用D触发器表示不同的状态等等。然而我最后通过不断的尝试，最终完成了该次实验。当红绿灯亮起的那一刻，我觉得自己不懈的努力终于得到了相应的回报。通过本次实验，我觉得我做实验变得更有耐心了，懂得了将一个难的实验分解从了不同部分的实验，还有就是我对于交通灯的的原理，理解的更加通透了，也感受到了本次课程的魅力所在。我受益良多。