数电实习报告——交通灯控制器综述

1、数字电路课程设计报告书- 交通灯控制器院 系 名 称 ：计算机学院学 生 姓 名 ：李丽实 习 时 间 ：2012年 6月 4日至 2012年 6月 15日交通灯控制器的设计一、 交通灯的功能概述在每个交通十字路口都设有一个交通灯 ,来控制车辆的通行 , 主干道通行时间 30S（即主干的绿灯亮 30S,次干道的红灯 30s）, 黄灯 5s，车辆停止时间 20s（ 即主 干道红灯 20s，次干道的绿灯 20s） 。实验要求一个主干道和支干道所组成的路口，每边都设置红、绿、黄 三个交通灯， 主干道车通行 30 秒，支干道车通行 20 秒。为了确保十字路口的车辆顺利畅通地行驶， 往往都采用自动控制的

2、交通信号 灯来进行指挥。其中红灯（ R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（ Y）亮表示停 车；绿灯（ G）亮表示允许通行。通过设计数字逻辑电路， 在面包板上模拟交通灯信号控制系统。 要求分主干 道和支干道，每条道上安装红（主： R,支：r）绿（主： G，支： g）黄（主： Y， 支： y）三种颜色灯，由四种状态自动循环构成（ Gr Yr Rg Ry）。在交通灯处在不同的状态时， 设计以倒计时方式显示的计时器实现倒计时功 能提示，并要求不同状态历时分别为： Gr:30 秒， Rg:20 秒， Yr,Ry:5 秒。三 、使用元件序号器件名称数量174LS1613274LS482374LS139147

3、4LS043574LS001655517数码管28电阻59电容2附加： 工具：镊子，钳子各一个； 数字万用表一台，若干导线四 、总体方案（1）. 设计原理因为主干道和支干道的红，黄，绿有以下几种情况：序号主干道支干道1红红2红黄3红绿4黄红5黄黄6黄绿7绿红8绿黄9绿绿真值表如下：状态（X3X2X1X0）东西方向南北方向数码管显示数据（DCBA）红R黄Y绿G红r黄y绿g0（0000）0011005（0101）1 （ 0001）0011004 （ 0100）2 （ 0010）0011003 （ 0011）3 （ 0011）0011002 （ 0010）4 （ 0100）0011001（ 0001

4、 ）5 （ 0101）0011000 （ 0000）6 （ 0110）0101001 （ 0001）7 （ 0111）0101000 （ 0000）8 （ 1000）1000015（0101）9 （ 1001）1000014 （ 0100）10 （ 1010）1000013 （ 0011）11 （ 1011）1000012 （ 0010）12 （ 1100）1000011（ 0001 ）13 （ 1101）1000010 （ 0000）14 （ 1110）1000101 （ 0001）15 （ 1111）1000100 （ 0000）但是根据交通灯控制的要求，只有以下四种情况可能出现：状态主干

5、道支干道状态 1（ 00）绿红状态 2（ 01）黄红状态 3（ 11）红绿状态 4（ 10）红黄系统框图（ 2）. 实现方案的选择1. 方案一实验原理： 通过一个驱动三个计时电路。 这时译码电路和数码管只有一个对应的 同步显示计时内容。 当这个时间段计完后， 给状态控制电路输出脉冲。 这时状态 向后变化一个。 同时又通过控制器的输出端控制红绿灯电路， 又根据状态确定那 个计时器工作。这样就完成了一个计数单元的工作周期。方案总结 ：优点就是原理上易于实现， 因为计数器分为三个， 在原理逻辑上 更直接。但缺点也很明显， 就是浪费了大量的元器件， 来重复实现一个模块的功能，这是一种浪费。在工程上是绝

6、不允许的，而且，元器件多了，连接电路时易 发生错误。2. 方案二秒脉冲提供电源让计时器工作。 计时器的作用是实现 30秒、20秒、5 秒等 三个计时， 同时用译码器和数码管组成的显示电路来显示时间。 在计完一个时段 后计时器发出一个脉冲，驱动状态控制电路，使之状态发生改变。进而红、绿、 黄灯亮暗改变，又完成了对计数器的置数。从而进行 30 秒、20 秒、5 秒的自动 切换。到此一个工作状态结束，进入下一个状态。方案总结 ：这是对方案一的优化，把三个计数器和而为一，换句话说就是 用一个计数器实现三个计数功能。 这是利用置数智能的对电路进行计数选择。 这 样做的好处就是能更好地利用原有电路的元器件

7、和设计模块，使系统高度集成 化。如此既能节约成本，又可降低连接时的错误概率。在置数方面是利用灯的亮暗，会更直接。这完全符合设计思想和工程的设 计原则，所以我选择这种方案。3. 方案三还有一种方案就是利用循环一个周期的时间。 如本实验是 60 秒，做一个计数器， 把它截成四个时间段： 30秒、 20秒和两个 5 秒。这样在整个周期上单独的分离 每个状态所需的时间、状态以及红绿灯的变化，进而完成一个周期而循环工作。方案总结 ：这种方案虽然原理上更简单，但是在实现起来会使用很多的器 件。因为在整个时间段上截取， 就必须加上状态判断部分。 所以这种方案就没有 过多的考虑。五 、单元电路设计时钟信号发生

8、器产生一个 CP脉冲，计数器 74161 接受 CP脉冲，实现同步计 时。两片 74161，实现计数功能，并通过非门产生倒计时。计数器的输入端用主 控制器实现其模值循环。 利用同步置数端， 当高位输入为 1101、低位输入为 0110 时实现模 30 的计数器；当高位输入为 1111、低位输入为 1011 时实现模 5 的计 数器；当高位输入为 1110、低位输入为 0110 时实现模 20的计数器。AB然后主控电路，74控制 161输入端。当 74的输出 Q2、Q（1 令其为“A”“B” ） 为 00 时实现模 30 的计数器，此时主干道的绿灯和次干道的红灯亮起来；当为 01 时实现模 5

9、计数器，此时主干道的黄灯和与次干道的红灯一起亮而主干道 的绿灯熄灭；当 AB为 10 时实现模 20 的计数器，此时主干道的红灯和次干道的 绿灯亮起来；当AB为11时，实现模 5计数器，此时次干道的黄灯与主干道的红 灯一起亮，而次干道的绿灯熄灭； 然后AB在回到 00状态，这样就实现了交通灯 的循环且实现了主次干道通车时间不同的功能。倒计时显示：十位倒计时显示，将 161 的输出端通过非门接入 48，利用它 的反码输出在数码管上实现倒计时。 再利用 74的输出来控制 08 与门的输入，而 08 的输出接发光二极管，从而实现红绿灯的变化。这样便实现了该电路的所有 功能。各部分功能的具体说明：1.

10、 时钟信号发生器 ：通过 555 芯片按一定的线路接上不同的电阻和电容就可产生周期不同的 方波脉冲，即不同的频率脉冲。课程设计需要秒脉冲，利用2个电容， 2个电阻 ，产生稳定的“秒”脉冲( f=1Hz)信号，确保整个电路装置同步工作和实现定时控制。555振荡器产生的矩形脉冲周期为： T = 0.7(R1+R2)C; 占空比为： q=(R1+R2)/(R1+2R2);根据这两个公式，选用 5.1K 的 R1、150K的 R2及 4.7uF 的 C即可产生占空比为 50%的秒时钟信号。2. 主控制器用 74LS74 控制红绿黄灯的实现。根据计时器送来的信号，保持或改变电路 的状态，以实现对主、支干

11、道车辆运行状态的控制。Q2Q1主红主黄主绿支红支黄支绿(AR)(AY)(AG)(BR)(BY)(BG)00001100010101001010000111100010灯连接的电路图如下 ：3. 计时器：设计要求对不同的状态维持的时间不同， 而且要以十进制倒计时显示出来。 用两个 74LS161完成计时器状态产生模块设计。设计思路：要以十进制输出，而又有一些状态维持时间超过 10 秒，用两个 74LS161 分别产生个位和十位的数字信号。显然，计数器能够完成计时功能，我们可以用 74LS161 设计，并把它的时钟 cp 接秒脉冲。 74LS161计数器是采用加法计数，要想倒计时，则在 74LS1

12、61输出的 信号必须经过非门处理后才能接入数码管的驱动74LS48，而在显示是最好以人们习惯的数字 0-9 显示计时，故在设计不同模值计数器确定有效状态时，以 0000，0001，00101111 这些状态中靠后的状态为有效状态。例如：有效状态 10111100 110111101111 取非 0100 0011001000010000 即 43210实现模 5 的倒计时在将 74LS161改装成其他模值时既可以采用同步清零法，也可采用异步置数法， 但 0000 不可能为有效状态，所以采用异步置数法完成不同模值转化的实现。 首先对控制个位输出的 74LS161设计按要求对系统的状态不同， 即红

13、绿灯的状态不同， 个位的进制也就要求不同。 用 系统的状态量 Q1,Q0控制 74LS161的置数端 D0D1D2D。3当系统处在 Gr或 Rg状 态时，个位的进制是十(模 10)，即逢十进一，当系统处在 Yr 或 Ry 状态时，个 位的进制是五(模 5)，即逢五进一，模 10 时，有效状态为 0110，0111，1000，1111 ，置 D3D2D1D0为 0110，模 5 时有效状态为 1011，1100，1101，1110，1111，置 D3D2D1D为 1011，由此有，Q1Q0D3D2D1D0000110011011100110111011所以 ,D3=D0=Q0,D2=Q0,D 1

14、=1 当状态为 1111 时， 74LS161的状态必须跳到进入 下一个循环，此时进位输出为 1，我们可以把它的 CO非接入置数端 LD 。再对控制十位输出的 74LS161设计同设计控制个位输出的 74LS161基本类似，用系统状态量 Q0Q1控制十位 74LS161 的置数端 D3D2D1D。0当系统处于 Gr状态时置 D3D2D1D0为 1101，当系统处于 Yr 或 Ry 时置 D3D2D1D0为 1111，当系统处于 Rg时置 D3D2D1D0为 1110，有，Q1Q0D3D2D1D0001101011111101110111111故， D3=D2=1 D1=(Q1Q0) D0=(Q

15、1Q0)同理我们将 CO2非接入置数端 LD对一些级联的处理当计数超过 10 秒时，个位需向十位进位， 此时十位计数， 其它时间其保持不变， 当个位需进位， C01变为 1，把个位的 CO1置入十位的 CP2。即完成一次循环， 十位开始计数，其他时刻 CO1=0， CP2=0，十位保持。设计时把 CO1,CO2的分别接入主控电路的 ENT端，ENP端。当完成一次计时，个 位和十位同时完成循环，此时 CO1=CO2=1系, 统跳到下一个状态，红绿灯转换，计时器开始下一次计时30、20、 5秒倒计时显示电路：4. 数字显示的实现通过 7448 与数码管的连接实现数字显示，原理图如下：U3VCC5

16、V 49ABCDEFG5V E NDS E GC O MK六、总系统电路图七、实验过程的分析和总结1. 第一次画好电路图连接电路时，没注意到面包板的线路是否连通，结果 连接完一个分支电路却实现不了功能， 后来发现面包板有一处不连通， 问题解决。 而后面我每完成一个分支电路都要用万用表测试一下该单元电路的连通性和正 确性，以免同样的错误再次发生。2. 调试电路前，首先要检查一下各个芯片和面包板是否完好。3. 在从 555接出脉冲时，发现显示灯一直在亮，也就是电路并不像原来预 计的那样产生秒脉冲， 多次检查电路， 并没发现错误。 老师说在二极管前面加个 电阻, 然后那个二极管就开始闪烁了 .4. 当把灯的部分接上后， 发现显示不正常。 数码管有一个小部分不亮 ,检查了几遍原来是数码管与 161 有一个管脚连错了北京邮电学院出版社 机械工业出版社 机械工业出版社 科学技术出版社 高等教育出版社八、参考文献。1高书莉 数字系统设计 数字电路课程设计指南2毕满清 电子技术实验与课程设计3陈汝全 电子技术常用器件应用手册4高海生 最新电子元气件应用手册5王毓银 数字电路逻辑设计西安邮电大学 数字逻辑课程设计 过程考核及成绩鉴