数字逻辑课程设计——交通灯

交通灯控制系统 班 学号 摘要 摘要 本文着眼于目前普遍应用在城市道路上的交通灯控制系统 设计了一个东西方向和 南北方向十字路口的交通灯控制电路 进行交通灯状态变换的分析和交通灯总体框架的设 计 关键词 关键词 交通灯 控制电路 proteus 仿真 电路设计 引言 引言 首先设计让倒计时显示器按规律运行的电路 再通过倒计时电路的信号来控制交通 灯按 4 种状态循环变换 电源电路采用 9V 变压器 整流桥和稳压管 使 220V 的交流电 转换为 5V 的直流电 4Hz 方波脉冲由 555 定时器产生 再由 74LS193 实现 4 分频 最 终输出 1Hz 的脉冲信号 用两块 74LS193 实现倒计时 一块显示十位 一块显示个位 用 2 个 D 触发器 74HC74 实现 30s 20s 5s 时间的转换 利用倒计时电路控制 4 个状态 最后通过 74LS138 和相应的逻辑门实现对交通灯亮灭的控制 正文 正文 1 设计一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路 设计一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路 要求如下 1 南北方向 主干道 车道和东西方向 支干道 车道两条交叉道路上的车辆交替 运行 主干道每次通行时间都设为 30s 支干道每次通行间为 20s 2 东西方向 南北方向车道除了有红 黄 绿灯指示外 每一种灯亮的时间都用显 示器进行显示 采用倒计时的方法 3 在绿灯转为红灯时 要求黄灯先亮 5s 钟 才能变换运行车道 4 黄灯亮时 要求每秒闪亮一次 5 同步设置人行横道红 绿灯指示 6 设计相关提示 所设计的交通路口为一十字路口 不涉及左右转弯问题 2 交通灯控制电路分析交通灯控制电路分析 1 交通灯运行状态分析 交通灯运行状态分析 交通灯控制电路 要求每个方向有三盏灯 分别为红 黄 绿 配以红 黄 绿三组 时间到计时显示 一个方向绿灯 黄灯亮时 另一个方向红灯亮 每盏灯顺序点亮 循 环往复 每个方向顺序为绿灯 黄灯 红灯 交通灯的运行状态共有四种 分别为 状态 0 东西方向车道的绿灯亮 车道 人行道通行 南北方向车道的红灯亮 车道 人行道禁止通行 状态 1 东西方向车道的黄灯亮 车道 人行道缓行 南北方向车道的红灯亮 车道 人行道禁止通行 状态 2 东西方向车道的红灯亮 车道 人行道禁止通行 南北方向车道的绿灯亮 车道 人行道通行 状态 3 东西方向车道的红灯亮 车道 人行道禁止通行 南北方向车道的黄灯亮 车道 人行道缓行 4 种状态循环往复 并且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值 之和 交通灯电路的具体运行状态框图如图 2 1 人行道交通灯未标明 所示 图 2 1 交通灯运行状态分析图 2 电路工作总体框图 电路工作总体框图 交通灯控制电路主要由以下几部分构成 如图 2 2 所示 有电源电路 脉冲电路 分 频电路 倒计时电路 交通灯 状态控制电路 灯显示电路 3 所需各部分电路 所需各部分电路 1 电源电路 电源电路 电源电路主要由整流 滤波 稳压三部分组成 用于供给数字电路的工作 电源 整流部分由变压器与整流桥 KBP210G 组成 220V 50Hz 的交流输入经过变压器 之后 输出 9V 50Hz 的交流电压 该电压输入整流桥 整流桥由四只整流二极管接成电 桥的形式组成 整流桥输出 8 1V 的直流电压 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波 由 1mF 的电容组成电容滤波电路 电容滤波电路简单 负载直流电压较高 纹波也较小 适合负载电压较高 负载变动不大的场合 稳压电路用于稳定电压的输出 由三端集成稳 压器 L7805 和电容组成 C2 C3 用来实现频率补偿 防止稳压器产生高频自激振荡和抑 制电路引入的高频干扰 C4 用于减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰 图 3 1 稳压电源 2 脉冲电路 脉冲电路 利用 555 定时器为主组成多谐振荡器 输出 4Hz 的矩型方波 实现脉冲 电路功能 555 定时器的原理图如图 3 2 所示 功能表如表 1 所示 图 3 2 555 定时器原理图 组成的脉冲电路如图 3 3 所示 根据功能表和电路图计算如右式 取 R1 10kW R2 10 kW C 1 6uF 即可实现输出 4Hz 的矩型方波 值得注意的是 在 输出端接上了一个开关 可以控制系统工作的开始和暂停 3 分频电路分频电路 分频电路利用计数器 74LS193 来实现 根据上面计算取 4 分频 即输出为 2 Q 端 电 路如图 3 4 所示 4 倒计时电路 倒计时电路 十字路口要有数字显示 作为倒计时提示 以便人们更直观地把握时间 具体为 当某方向绿灯亮时 置显示器为某值 然后以每 s 减 1 的计数方式工作 直至减 到数为 5 和 0 十字路口绿 黄 红灯变换 一次工作循环结束 而进入下一步某方向的 工作循环 根据题目的要求南北方向 主干道 车道和东西方向 支干道 车道两条交叉 道路上的车辆交替运行 主干道每次通行时间都设为 30s 支干道每次通行时间为 20s 也 就是一个循环是 50s 如此先显示 30s 后显示 20s 倒计时 然后再显示 30s 倒计时 以此 类推 设计时采用两块 74LS193 一块是显示十位 一块是显示个位 个位接成十进制 从 9 开始倒计时 当到达 0 时 向高位发出一个借位信号 再继续从 9 倒计时 一开始 使十位数置数为 3 二进制为 0011 个位数为 0 二进制为 0000 此时个位产生一个借位 信号给十位的脉冲输入端 十位的 74LS193 芯片倒计时一次 结合个位的设置 电路从 30 开始倒计时 当主车道绿灯亮了 25s 倒计时也已经数到了 5 了 此时 个位显示 5 十位显示 0 主车道的绿灯熄灭 主车道的黄灯开始倒计时闪亮 5s 当倒计时到 0 后 个 位芯片 74LS193 发出一个借位信号 向高位借数 但是高位已经是 0 了 按照要求此时 十位应该是从 0 翻 2 即二进制 0010 为了实现这功能 通过研究十位的二进制数发现 十位的二进制是从 0011 0010 0001 到 0000 计数完 翻转为二进制 0010 然后从 0010 0001 到 0000 倒计时 当到 0000 后就结束一个循环 又从 0011 开始新的一个循 环 从二进制 0011 和 0010 两个不同的预置数 发现可以用 1 个 D 触发器 74LS74 接成 T 触发器并把 Q 端接至十位倒计时的最低位来完成这个功能 高位产生借位信号时将 Q 端的信号置入 当这个借位信号 低电平 消失后 产生一个上升沿的脉冲信号 使 T 触 发器翻转然后保持 下一个借位信号来时就把此时的 Q 值置入 此时 Q 值为原来的非 即由 0 变 1 或由 1 变 0 然后翻转 通过以上置数方式可实现 0011 和 0010 的交替置入 另外 通过在特定时刻 倒计时高位由 0000 变为 0010 后 对 T 触发器进行清零 可实 现主次干道通行时间的调整 最后将电路的倒计时接到译码器 74HC4511 再接到共阴极 数码显示管上显示十进制数字 据此画出倒计时电路如下图 图 3 5 所示 5 状态控制电路 状态控制电路 如图 2 1 用倒计时控制灯的变化 先将图示状态 0 1 2 3 编码为 00 01 10 11 当 倒计时为 30 20 5 的时候产生一个信号给状态转换的电路 而这个信号是电平信号的话 就很难实现 所以又用了边沿触发 此时用计数器表示状态 取其低两位的计数态 00 01 10 11 为灯的状态 这样的话 来一个边沿信号就能使计数器加一 实现上述四 状态转换 画出状态控制电路信号转换表如下表 表 2 所示 图 3 6 状态控制电路 6 灯显示电路 灯显示电路 首先要把控制的脉冲接入计数器 74LS193 的非减数的脉冲端 因为脉冲主要有四个 四个 为一个循环 只取计数器的低位两位即可 除了让计数器工作的接入端需要接电平外 其 他端都不用接 再将计数器的低两位接入译码器 74LS138 的低位两端 从译码器输出四位 0 y 1 y 2 y 3 y 信号 低电平有效 每一种低电平表示一种状态 用 1 G 1 Y 1 R 表示主干道的绿灯 黄灯 红灯 用 2 G 2 Y 2 R 表示支干道的绿灯 黄灯 红灯 用 12 G 12 R 表示主干道方向上的人行道 用 22 G 22 R 表示支干道上的人行 道 得出状态表如下表 表 3 所示 为了让黄灯能每 s 闪亮一次 可以在黄灯那里加入一个与门 把黄灯发亮的信号当成是与 门的开通信号 与门的另一端接入时间脉冲 那么黄灯就可以实现每 s 闪亮一次的功能了 画出灯显示电路如图 3 7 所示 7 总体电路图 总体电路图 根据上面各功能电路的设计整合 用 proteus 仿真软件画出总体电路 图如 3 8 所示 图 3 8 交通灯控制电路 4 结束语 结束语 由于知识的局限性 大部分设计思想和电路都是参照书本 设计的电路可能只是