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交通灯控制器的设计交通灯控制器的设计 教师：徐银霞教师：徐银霞 Email： 数字系统概念 数字系统是指交互式的以离散形式表示的具有存储、传输 、处理信息能力的逻辑子系统的集合物。 数字系统构成：输入接口、输出接口、数据处理器和控制 器。其中，控制器是区别功能部件和数字系统的标志。凡 是包含控制器的系统，不论规模大小，一律称为数字系统 。 数字系统的设计方法 数字系统的设计方法：自下而上方法（试探法）和自上而下 法，前者主要依靠经验，只有在整个系统构成后才能测试， 不适于计算机技术，已逐渐由后者取而代之。 自上而下法是将整个系统从逻辑上划分成控制器和处理器两 大部分，如果控制器和处理器比较复杂，可再进一步地进行 逻辑划分，然后选用适当的器件以实现各子系统，最后将它 们连接起来，得到要求的子系统。一般步骤： 明确所要设计系统的逻辑功能； 确定系统方案与逻辑划分，画出系统方框图； 采用某种算法描述系统； 设计控制器和处理器，并组合成所需要的数字系统。 算法流程图ASM图 ASM图是描述数字系统控制算法的流程图。三部分： 状态框、分支框、条件输出框。 课程设计任务与要求 1设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道 和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时 间都设为25秒； 2要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道； 3黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次。 课题名称：交通灯控制器的设计 设计要求： 设计过程 1、 明确所要设计系统的逻辑功能 图1-1 交通灯模拟图 系统由控制器和处理器组成，控制器接收外部系统时钟信号。处理器 由定时器和译码显示器组成。定时器能向控制器发出定时信号，译码显 示器在控制器的控制下，改变交通灯信号。系统框图如图1-2。 2、 确定系统方案并画出流程图（ASM图） AG AY AR BG BY BR 图1-2 交通灯控制器系统框图 STTLTY AG、AY、AR分别表示甲车道绿、黄、红三色灯； BG、BY、BR分别表示乙车道绿、黄、红三色灯； TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车 辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则， TL=0。 TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1， 否则，TY=0。 ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态 转换信号。由它控制定时器清零并且开始下个工作状态的 定时。 交通灯控制器的控制过程分为4阶段，对应输出有4种状态： （1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通 行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔25S时（TL=1） ，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。 （2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的 车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行 。黄灯亮足规定时间间隔5S时（TL=1），控制器发出状态转换 信号ST，转到下一工作状态。 （3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车 道上的车辆允许通行。绿灯亮足规定的时间间隔25S时（TL=1 ），控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。（4）甲 车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上 未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄 灯亮足规定的时间间隔5S （TL=1），时，控制器发出状态转换 信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。 交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器进行控制的 。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用 S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表1- 1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号 。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作 如下规定： 控制状态 信号灯状态 车道运行状态 S0（00） 甲绿，乙红 甲车道通行，乙车道禁止通行 S1（01） 甲黄，乙红 甲车道缓行，乙车道禁止通行 S3（11） 甲红，乙绿 甲车道禁止通行，甲车道通行 S2（10） 甲红，乙黄 甲车道禁止通行，甲车道缓行 AG=1：甲车道绿灯亮； BG=1：乙车道绿灯亮； AY=1：甲车道黄灯亮； BY=1：乙车道黄灯亮； AR=1：甲车道红灯亮； BY=1：乙车道红灯亮； 得该系统的ASM图： 设控制器的初始状态 为S0，当S0的持续时间 小于25秒时，TL=0，控 制器保持S0不变。只有 当S0的持续时间等于25 秒时，TL=1，控制器发 出状态转换信号ST，并 转换到下一个工作状态 。依此类推 。 图1-3 交通灯控制器ASM图 （1）定时器 定时器由系统秒脉冲和同步计数器构成。时钟脉冲上 升沿到来时，在控制信号ST的作用下，计数器从零开始 计数，并向控制器提供模M25、M5信号，即TL、TY。定 时器框图如下。 器件：计数器选用74LS161或74LS163及门电路若干。 3、 具体电路设计 定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）和 计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清 零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进 行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定 时信号TL。 图1-4 定时器原理图 （）控制器 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。根据ASM图可得状态表如表1-1。选用 两个D触发器FF1、FF0为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态 转换的条件为TL和TY，当控制器处于Qn1Q0n 00状态时，如果 TL 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到 Q1n+1Q0n+1 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项 “X“表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST 。 表1-1 交通灯控制器状态图 状态转换信号 Q1nQ0n TLTY Q1n+1Q0n+1 ST 000 X000 001 X011 01 X 0 010 01 X 1 111 11 0X110 11 1X101 10 X 0 100 10 X 1 001 输 入输 出 现态状态转换条件次态 根据状态转换表可以推出状态方程和ST信号方程 ，其方法是：将Q1n+1Q0n+1和 ST为1的项所对应的输 人或状态转换条件变量相与，其中“1“用原变量表示 ，“0“用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到 下面的方程： 根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输 入函数，将触发器的现态值Qn1Q0n加到74LS153的数据选择输入端作 为控制信号即可实现控制器的功能。控制器的逻辑图如图1-5所示。 器件：74ls74（D触发器 ）、74ls153（双四选一 数据选择器） 图1-5 控制器原理图 （3）译码器 系统输出是在Q1Q0驱动下的六个信号灯，各状态与信号 灯的关系由表1-2给出。 状态AG AY ARBG BY BR 001 0 0 0 0