数字电子技术实验-交通信号灯控制器的设计实现

1、课程设计（综合实验）报告（20102011年度第一学期）名 称：_电子技术综合实验_题 目：_交通信号灯控制器_院 系：_电气与电子工程学院_日 期： 2011年1月11日电子技术综合实验任 务 书 目的与要求1.目的1.1课程设计是教学中必不可少的重要环节，通过课程设计巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能，提高综合运用知识的能力，逐步增强实际工程训练。1.2注重培养学生正确的设计思想，掌握课程设计的主要内容、步骤和方法。1.3培养学生获取信息和综合处理信息的能力、文字和语言表达能力以及协作工作能力。1.4提高学生运用所学的理论知识和技能解决实际问题的能力及其基本工程素质。2.要求2

2、.1 能够根据设计任务和指标要求，综合运用电子技术课程中所学到的理论知识与实践技能独立完成一个设计课题。 2.2根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料。要求通过独立思考、深入钻研课程设计中所遇到的问题，培养自己分析、解决问题的能力。 2.3进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，掌握合理选用的原则。 2.4学会电子电路的安装与调试技能，掌握常用仪器设备的正确使用方法。利用“观察、判断、实验、再判断”的基本方法，解决实验中出现的问题。 2.5学会撰写课程设计总结报告。 2.6通过课程设计，逐步形成严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风和科学态度，培养学生树立一定的生产观点、经济观点和

3、全局观点。要求学生在设计过程中，坚持勤俭节约的原则，从现有条件出发，力争少损坏元件。 2.7在课程设计过程中，要做到爱护公物、遵守纪律、团结协作、注意安全。实验四 交通信号灯控制器一、综合实验的目的和要求1实验目的在经济飞速发展的今天，城乡交通自动指挥越来越显得重要，为了确保行人和各种车辆运行安全，保证正常的交通秩序，应对十字路口的红绿灯进行自动控制。实现红绿灯的自动指挥是城市管理自动化的重要课题。本人针对目前国内流行的十字路口红绿灯控制系统进行了设计，实现了交通信号灯的自动化管理。2设计任务与要求交通信号灯示意图如图4-1所示。在一个主，支干道均有传感器的十字路口，设计一个交通灯自动控制装置

4、。红灯（R）亮表示该条道路禁止通行，黄灯（Y）亮作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外，绿灯（G）表示该条道路允许通行。具体要求如下：（1） 主，支道均无车，主道绿灯，支道红灯。（2） 主，支道一方有车，一方无车，有车方通行。（3） 主，支干道均有车时，两者交替通行，并要求主干道每次最多放行30S，支干道每次最多放行20s；采用传感器分别监测主，支干道是否有车，有车时向主控制器发出信号，实验中用逻辑开关代替。（4） 每次绿灯变红灯时，要求黄灯先亮5s，此时原红灯不变。（5） 设计5，10,30s计时的译码显示电路，每秒改变一次显示数字，可以采用正计时，也可倒计时。 图4-1 交通信号灯

5、示意图（6） 当任意一条路上出现特殊情况，如消防车，救护车或其他需要优先放行的车辆时，各方向上均为红灯，计时停止。当特殊运行状态结束后，控制器恢复原来状态，继续正常运行。用逻辑开关模拟有无特殊情况。二、实验正文1、交通信号灯控制基本原理1.1交通信号灯控制原理设计自动控制设计框图如图4-2所示。采用传感器分别检测主,支干道是否有车，有车时向主控制器发出信号，实验中用逻辑开关代替。时钟信号发生器产生稳定的“秒”脉冲(f=1Hz)信号，在用multism仿真中，经实验用f=200Hz的阶梯脉冲电源代替，确保整个电路装置同步工作和实现定时控制。 计时器按设计要求记录“秒”脉冲个数完成计时任务，并向主

6、控制器发出相应的定时信号以控制各干道通车时间和黄灯亮时间。 图4-2 交通灯自动控制系统原理框图 主控制器根据传感器和定时器送来的信号，保持或改变电路的状态，以实现各干道车辆运行状态的控制。 按照主控制器所处的状态进行译码，再驱动相应的信号灯，指挥各干道的行人和车辆。1.2交通信号灯控制的状态设计 在不考虑特殊情况时，交通灯有四个状态，在两边都有车的情况下是一个四进制循环，交通灯控制的状态转换图如图4-3所示： 图4-3 交通灯控制的状态转换图由交通灯控制的状态转换图可定义各状态如下表：设主干道用A表示，支干道用B表示，道路的特殊情况用X表示：状态序号主干道（A）支干道(B)时间（T）单位：s

7、 Q1 Q0(S0) 0 0绿灯亮红灯亮30(S1) 0 1黄灯亮红灯亮5(S2) 1 0红灯亮绿灯亮20(S3) 1 1红灯亮黄灯亮5图4-4 状态定义表 2、交通信号灯控制器电路的设计过程2.1交通信号灯控制器电路中的芯片作用本次设计共用3个74LS160芯片：74LS160芯片是十进制加法计数器，具有异步清零和同步置数功能，本次设计中全部采用的是其异步清零功能。一个74LS160用来控制状态的循环转换，由于本设计中共有四个状态，故将形成一个四进制计数器，设计中应注意，因为74LS160为异步清零，故应在过渡状态进行清零，即芯片输出为0100时。另外两个74LS160用来循环计数，可以实现

8、30s,20s,5s三种计数器，即红绿黄灯亮的时间，利用显示译码器显示数字时间，本设计中采用正计时。2.2主干道与支干道的各交通灯的逻辑表达式用AR, AG，AY和BR, BG，BY分别表示主干道和支干道的红灯，绿灯，黄灯，用A,B分别表示主干道、支干道是否有车，X表示是否有特殊情况，A,B,X在设计电路中用三个逻辑开关表示:AG=1主干道绿灯亮A=1主干道有车BG=1支干道绿灯亮A=0主干道无车AY=1主干道黄灯亮B=1支干道有车BY=1支干道黄灯亮B=0支干道无车AR=1主干道红灯亮X=1有特殊情况BY=1支干道红灯亮X=0无特殊情况则该电路的状态真值表为：A BQ1 Q0Q11 Q000

9、 0X X0 00 1X X1 01 0X X0 01 10 00 01 10 10 11 11 01 01 11 11 1由真值表，找出Q11，Q00的“1”项，可得Q11,Q00的逻辑表达式分别为：Q11=A*B+A*B*Q1*Q0+A*B*Q1*Q0=A*B+A*B*Q1=B（A*Q1+A） =B(A+Q1)=A*B+B*Q1Q00=A*B*Q0（注：表示“非”的意思，下同。）进而可列出主干道，支干道的红绿黄灯的真值表为：XQ11 Q00AR AG AYBR BG BY00 00 1 01 0 000 10 0 11 0 001 01 0 00 1 001 11 0 00 0 11X X

10、1 0 01 0 0根据真值表，可得AR,AG,AY,BR,BG,BY的逻辑表达式为：AR=X*Q11*Q00+X*Q11*Q00+X =X*Q11+X=X+Q11AG=X*Q11*Q00AY=X*Q11*Q00BR=X*Q11*Q00+X*Q11*Q00+X =X*Q11+X=X+Q11BG=X*Q11*Q00BY=X*Q11*Q002.3状态循环控制芯片脉冲CP和计数芯片清零端CR的逻辑表达式本次电路设计的难点就是状态循环控制芯片的脉冲CP控制和计数芯片的清零端CR控制。如下面简化的状态转换图所示：0100 30s 5s 5s1110 20s 设：计数芯片从高位到低位依次表示为D7,D6,

11、D5,D4,D3,D2,D1,D0,状态为Q1,Q0，5s,20s,30s分别用C5,C20,C30来表示，则由上面的状态转换图可得：C5=Q1*Q0*D2*D0+Q1*Q0*D2*D0=Q0*D2*D0C20=Q1*Q0*D5C30=Q1*Q0*D5*D4由于74LS160清零端CR低电平有效，脉冲端CP下降沿有效，故：对于状态循环控制芯片：CP=（C5+C20+C30）对于计数芯片：CR=（C5+C20+C30）2.4画出逻辑电路图根据以上逻辑表达式，即可画出其该交通信号灯控制器的逻辑电路图（见附图）。三、课程设计总结与结论本次实验设计为交通信号灯控制器，在老师所给的八个设计实验中算是比较

12、难的一个。在经济快速发展的今天，交通灯可谓遍地可见，通过这次实验，弄懂了它的工作原理，并通过亲自动手设计出了它，可以说收益颇丰，受益匪浅，以后在路上再碰到交通灯，心里肯定会不自主的产生一种自豪的感觉。本次设计的难点在于状态循环控制芯片的脉冲控制和计数芯片的清零控制，能够想到这样的控制方法并写出这两个端的逻辑表达式，本次设计实验便突破了一个难关。由于电路比较复杂，如果想一下子把电路画出来几乎是不可能的，经过仔细思考，我发现此电路可分为两部分进行画，第一部分先画出不考虑计数器的电路的大致轮廓（见附图），第二部分再专门画出计数循环和状态循环电路（见附图），然后将两部分电路通过计数器的使能端等该连接的地方连接起来，即可得到电路完整版（见附图）。通过这次实验设计，我更加熟练的掌握了数电中讲到的一些芯片，触发器，门的原理，用途和用法，对电子电路的设计步骤，方法和操作有了更加深刻的体验，并且，由于其实用性