交通灯控制器设计

交通灯控制器设计第1页，课件共19页，创作于2023年2月数字系统概念

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。第2页，课件共19页，创作于2023年2月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。第3页，课件共19页，创作于2023年2月算法流程图－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。第4页，课件共19页，创作于2023年2月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：

第5页，课件共19页，创作于2023年2月设计过程1、明确所要设计系统的逻辑功能图1-1交通灯模拟图第6页，课件共19页，创作于2023年2月

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）AGAYARBGBYBR

图1-2交通灯控制器系统框图STTLTY第7页，课件共19页，创作于2023年2月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。第8页，课件共19页，创作于2023年2月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。

第9页，课件共19页，创作于2023年2月

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

第10页，课件共19页，创作于2023年2月

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；第11页，课件共19页，创作于2023年2月得该系统的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图第12页，课件共19页，创作于2023年2月（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、具体电路设计第13页，课件共19页，创作于2023年2月

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定时器原理图第14页，课件共19页，创作于2023年2月（２）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Q1nQ0nTLTYQ1n+1Q0n+1ST000X000001X01101X001001X1111110X110111X10110X010010X1001输

入输

出现态状态转换条件次态第15页，课件共19页，创作于2023年2月

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：第16页，课件共19页，创作于2023年2月

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控制器原理图第17页，课件共19页，创作于2023年2月（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AGAYARBGBYBR001

0

00

0

1010

1

00

0

1100

0

11

0

0110

0

10

1

0表1-2译码器状态图第18页，课件共19页，创作于2023年2月