交通灯控制器

1、 课程设计（论文） 电子课程设计 交通灯控制器 学院： 电子信息工程 专业、班级:电气141503 姓名: 胡明超 学号: 201415010306 指导老师: 闫晓梅 2016.12目录1. 设计任务及要求-3- 1.1设计题目：交通灯控制器-3- 1.2设计要求-3- 1.2.1设计目的-3- 1.2.2基本要求-3-2. 总体框图-3-3.选择器件-4-4.功能模块-9-1. 计时器电路模块-10- 2.控制器电路-10- 3.状态选择模块-11- 4.显示电路模块-12- 5.单稳态触发器-12- 6.译码电路-13-5.总体设计电路图-14-交通灯控制器一、设计任务与要求1.设计任务

2、设计一个十字路口的交通信号灯控制器，控制A、B两条交叉道路上的车辆出行，具体要求如下：1） 每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。2） 主、支干道交替通行，主干道每次通行40s，支干道每次放行30s。3） 每次绿灯变红灯时，黄灯亮5s(此时另一干道上的红灯不变)。 二、总体框图主支车道信号灯定时器译码电路秒脉冲信号发生器控制器 St Yx Yy Yw Yz图1 交通灯控制器总体框图在这一方案中，系统主要由控制器、定时器、秒脉冲发生器、译码器、信号灯组成。定时器起到定时作用，

3、当计时到指定数时，输出信号。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作，秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需要的标准时钟信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。Yx、Yy、Yw、Yz为定时器的输出信号，St为控制器的输出信号。当主车道绿灯亮时，允许车辆通过，同时定时器开始计时，当计时到35s时，则Yx输出为1，否则，Yx为0。当主车道黄灯亮后，定时器开始计时，当计时到5s时，Yy输出为1，否则输出为0。当支车道绿灯亮时，允许车辆通过，同时定时器开始计时，当计时到25s时，则Yw输出为1，否则，Yw为0。当支车道黄灯亮后，定时器开始计时，当计时到5s时，Yz输出为1，否则输出为0。St为

4、状态转换信号，当定时器计数到规定的时间后，由控制器发出状态转换信号，定时器开始下一个工作状态的定时计数。通过分析，交通灯有4个状态，可分别用S0、S1、S2、S3来表示，并且分别分配状态编码为00、01、11、10，由此得信号灯状态与车道运行状态如下：S0（00）：主干道的绿灯亮，车道通行；支干道的红灯亮，车道禁止通行。S1（01）：主干道的黄灯亮，车道缓行；支干的红灯亮，车道禁止通行。S2（11）：主干道的红灯亮，车道禁止通行；支干道的绿灯亮，车道通行。S3（10）：主干道的红灯亮，车道禁止通行；支干道的黄灯亮，车道缓行。01 Yx/0 Yy/000 Yx/1 Yz/1 Yy/1 Yz/0

5、Yw/0 1110 Yw/1 图2 控制器的状态转换图3、 选择器件名称型号功能个数计数器74LS16316进制加法计数器2译码器74LS47译码计时器信号22输入四非门74LS04输入信号反转12输入4与门74LS08实现与运算2四选一数据选择器74LS153四输入选择一输出2双D触发器74LS74输入决定输出1多谐振荡器555产生秒脉冲信号11.555秒脉冲信号发生器由电路图可知，通过R1、R2向电容C1充电，充电到Vc1=2/3Vcc时，比较器1输出低电平，输出端输出低电平，放电管导通，电容通过R2和放电管放电；放电到Vc1=1/3Vcc时，比较器2输出低电平，输出端输出高电平，放电管截

6、止，电容开始充电，如此循环，产生震荡。2. 计数器74LS163 图3 74ls163逻辑符号 图4 74ls163动作时序图图5 74ls163功能表逻辑功能：计数器74LS163是同步4位二进制加法计数器，功能表见图5。图3是74LS163的符号图，具有同步预置端、同步清除端、使能控制端ENT、ENP和进位端RCO。计数器在时钟CP上升沿时进行预置、清除和计数器操作。由时序图图4可知，74LS163同步清零，当清除端为低电平时，在CP上升沿实现清零。74LS163的预置数同步，当预置数端为低电平时，在时钟CP上升沿，输出端QD、QC、QB、QA与数据输入端D、C、B、A一致。当预置端和清除

7、端都为高电平时，计数器在时钟CP上升沿时进行计数，当计数值为15时，计数器进位端输出与CP周期相同宽度的高电平。当使能端有一个无效时，输出端QD、QC、QB、QA保持原数据。3. 双D触发器74LS74图6 内部结构图 图7 74LS74逻辑图 图8 74LS74功能表逻辑功能：SD和RD接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器置1；当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0，SD和RD通常又称为直接置1和置0端。1. CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。同

8、时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。2.当CP由0变1时触发器翻转。这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。3.触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁，即封锁了D通往基本RS触发器的路径。边沿D触发器具有接收并记忆信号的功能，又称为锁存器。该触发器是在CP正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发

9、翻转，正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。4. 四选一数据选择器74LS153 图9 74LS153符号图 图10 74LS153功能表逻辑功能：所谓双4选1数据选择器就是在一块集成芯片上有两个4选1数据选择器。1G、2G为两个独立的使能端；B、A为公用的地址输入端；1C01C3和2C02C3分别为两个4选1数据选择器的数据输入端；Y1、Y2为两个输出端。当使能端1G（2G）1时，多路开关被禁止，无输出，Y0。当使能端1G（2G）0时，多路开关正常工作，根据地址码B、A的状态，将相应的数据C0C3送到输出端Y。BA00，则选择CO数据到输出端，即YC0。BA01

10、，则选择C1数据到输出端，即YC1，其余类推。5. 共阳极译码驱动器74LS47 图11 74LS47符号图 图12 74LS47内部结构图逻辑功能：74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，它输出低电平有效的七段字形译码器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字。4、 功能模块根据设计思路，本设计共可分为6个功能模块，分别为定时器电路模块、控制电路模块、状态选择模块、单稳态触发器及多谐振荡器模块，时间显示模块以及译码器模块。定时器起到定时作用，当计时到指定数时，输出信号，并且时间在数码管上显示。控制器是核心部分，由它控制定

11、时器和译码器的工作，秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需要的标准时钟信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。1. 计时器电路模块图13 计时器电路该模块以秒脉冲作为计数器的计数脉冲，设计出一个三十五进制、五进制、二十五进制的计数器。起到计时并且能够产生输出信号的功能。图中CLK为秒脉冲信号，由秒脉冲发生器产生。74LS163作为计数器，起到计时作用，因74LS163是16进制计数器，为方便数码管显示，故采用同步级联的方式，当个位计数到9时，将QD、QA通过与门输出信号一部分接到十位计数器的使能端，另一部分输出信号通过非门输出接到个位计数器的置数端。Yx、Yy、Yw、Yz为计数器的输出信号，当计

12、数器根据相应状态计到指定数值时，对应输出信号输出高电平。当转换状态时，计数器由后面模块输出信号控制进行清零，并进行下一轮计数。2、 控制器电路 根据图2控制器状态转换图，控制器有四种状态，因此用两个触发器组成，本设计用两个D触发器产生4个状态。控制器的输入为触发器的现态以及计时器输出信号Yx、Yy、Yw、Yz。控制器的输出为触发器的次态和控制器状态转换信号Y，故得到下面状态表。表一 控制器状态转换表输入现态次态输出XQ1nQ0nQ1n+1Q0n+1YYx00000Yx00011Yy01010Yy01111Yw11110Yw11101Yz10100Yz10001根据表一，写出状态方程和状态转换信

13、号方程：Q0n+1=Q1nQ0nYx+Q1nQ0n+Q1nQ0nYw Q1n+1=Q1nQ0nYy+Q1nQ0n+Q1nQ0nYz Y=Q1nQ0nYx+Q1nQ0nYy+Q1nQ0nYw+Q1nQ0nYz3、 状态选择模块 根据状态方程，可用四选一数据选择器74LS153实现，所谓双4选1数据选择器就是在一块集成芯片上有两个4选1数据选择器。1G、2G为两个独立的使能端；B、A为公用的地址输入端；1C01C3和2C02C3分别为两个4选1数据选择器的数据输入端；Y1、Y2为两个输出端。当使能端1G（2G）0时，多路开关正常工作，根据地址码B、A的状态，将相应的数据C0C3送到输出端Y。74L

14、S153的输入接计数器74LS163的输出信号Yx、Yy、Yw、Yz，输出接双D触发器。4、显示电路模块 图14 显示电路本模块采用译码驱动芯片74LS47以及数码管，74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，它输出低电平有效的七段字形译码器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字，通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字。74LS47的输入是计数器74LS163的输出，输出接7端数码管。数码管则显示计时的时间。5、单稳态触发器由于组合电路输入变量变化与由其引起输出变量变化之间具有时间差，即时间延迟，且电路中所加非门与门较多，故本该清零的控制信号Y经延迟后错过CP上

15、升沿，不能使计数器清零，因此不能进行下一轮计数，从而不能进行状态转换，为解决这一问题，采用单稳态触发器，利用其能够增加输出脉冲宽度的功能，当下一个CP上升沿来临时，选择器输出的控制信号仍有效，使计数器能够清零，进行下一轮计数，从而进行状态转换。单稳态输入接第一个74LS153的输出Y，输出通过非门接计数器74LS163的清零端。脉冲宽度Tw=1.1R1C1。 图15 单稳态触发器6、 译码电路图16 译码电路译码器的作用是将控制器输出Q1、Q0构成的4种状态转换成主、支车道上6个信号灯的控制信号。定义：主车道绿灯亮为主绿=1，主车道绿灯灭为主绿=0；主车道黄灯亮时为主黄=1，主车道黄灯灭为主黄

16、=0；主车道红灯亮为主红=1，主车道红灯灭为主红=0。支车道绿灯亮为支绿=1，支车道绿灯灭为支绿=0；支车道黄灯亮时为支黄=1，支车道黄灯灭为支黄=0；支车道红灯亮为支红=1，支车道红灯灭为支红=0。根据关系可得真值表如下：表二 控制器输出与信号灯之间的关系状态主绿主黄主红支绿支黄支红00100001010100011100110010001010由表二得信号灯状态与Q1、Q0之间的逻辑关系：主绿=Q1Q0,主黄=Q1Q0,主红=Q1支绿=Q1Q0,支黄=Q1Q0,支红=Q1译码电路的输入信号为Q1、Q1、Q0、Q0，也就是选择器74LS153的输出，译码电路的输出主绿、主黄、主红、支绿、支黄

17、、支红就是6个灯的控制信号。五、总体设计电路图图17 部分硬件实验效果电路工作情况：计时器计时到指定时间，计时器清零，交通灯状态转换，依次为主路绿灯，支路红灯；主路黄灯，支路红灯；主路红灯，支路绿灯；主路红灯，支路黄灯，依次循环。计数器模块通过输出信号连接状态转换模块74LS153的输入，数据选择器的输出一方面通过单稳态触发电路增加脉冲宽度后通过非门连接到计数器模块的清零端，一部分连接到控制模块双D触发器的D输入端。控制模块的输出一部分接到数据选择器的A、B端，一部分通过与门控制信号灯的状态。该实验在数字实验箱上验证设计电路的功能，最终达到了设计的目的，不过在搭建电路过程中犯了错误导致时间浪费，因没有注意到Multism给出的原理图中芯片的管脚信息有误，导致连接两遍电路都没有出结果。总结：通过此次课程设计，首先的感触是课程设计让我受益匪浅，使我更加扎实的掌握了有关数、模电方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过努力认真思考，仔细检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的所学知识的漏洞和实践经验不足。实践出真知，虽然只是设计，但我通过亲自动手制作，使我们掌握的知识更加牢固。也给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时给了我很多思考，给了我很大的空间。同时，设