三明学院

数字电路课程设计报告书

——交通灯控制器

一、设计题目：交通灯控制器

交通灯控制器是可以自动控制交通灯，并以倒计时的方式显示出时间，方便行人和车辆在通行时有条不紊的通行，达到交通井然有序，出行人员安全快捷的到达目的地的效果。本次实验的就是想通过这样的一个实例，来结合数字电路课程的学习共同实现这样的一个应用工具，达到理论和实践相结合的目的。

二、设计要求：

设计一个十字路口控制交通秩序的交通灯，满足以下条件：

显示顺序为其中一组方向是绿、黄、红；另一方向是红、绿、黄。

设置一组数码管以倒计时的方式显示语序通行或禁止通行时间，其中支通道绿灯的时间是20s，另一个方向上主通道的绿灯亮的时间是30s，黄灯亮的时间都是5s.

选做：当任何一个方向出现特殊情况，按下手动开关，其中一个方向通行，倒计时停止，当特殊情况结束后，按下自动控制开关恢复正常状态。

三、设计思路概述：

1．任务分析：

交通灯控制器主要实现两部分功能：

①东西、南北双向通路的红、绿、黄灯控制；

②东西向主通路的倒计时显示。

另外，在此设计中还实现了紧急情况下的强制中断功能。

2．实现方案：

实现这个交通灯控制器可以采用PLD、FPGA、单片机等可编程器件或基本数字逻辑器件实现。在这次实验中采用74系列数字集成芯片和555时基芯片实现相应功能，在本报告的最后附有用Atmel公司89C52实现同样功能的电路设计图及C51程序。

3．具体功能分析：

此电路为十字路口交通灯控制电路，要求东西向和南北向不能同时出现绿（黄）灯，发生“撞车”现象。即当某一方向为绿灯或黄灯时，另一方向必为红灯。东西向主通路有倒计时显示。

设计时序如下：

东西向

南北向

4．电路框图设计：

说明：脉冲输出部分为555时基芯片构成的多次谐波振荡器，由其产生周期为1s的时钟脉冲信号。计时控制部分主要由两片74LS161（十六进制同步加法计数器）、74LS74（边沿D触发器）及逻辑门电路构成。产生30s、20s和5s的倒计时信号。彩灯控制部分将计时控制部分输出的信号通过逻辑门电路及74LS139（双2—4线译码器）产生控制信号，控制彩灯按照响应时序显示，并将74LS139的输出信号反馈回计时控制部分实现三种倒计时之间的切换。数字显示部分主要由74LS48（7段显示译码器）、74LS04（反相器）及8段共阴极数码管构成，通过接入计时控制部分的信号实现倒计时显示。

四、单元电路设计：

1．脉冲输出部分：

脉冲输出部分为555时基芯片构成的多次谐波震荡器，电路原理图如右：

其中器件参数分别为R₁=4.7kΩ，R₂=150kΩ，C₁=4.7μF，C₂=0.01μF。

产生的时钟脉冲为周期T=1s的方波。

电容C1充电时，暂稳态持续时间为

      t_w1=0.7(R₁+R₂)C=0.7×(150k+4.7k) ×4.7μ≈0.5s

电容C1放电时，暂稳态持续时间为

      t_w2=0.7R₂C=0.7×150k×4.7μ≈0.5s

因此，电路输出矩形脉冲的周期为

      T= t_w1＋t_w2≈1s

输出占空比为q= t_w1/T≈50%

2．计时控制部分：

通过两片74LS161级联实现最大模值为256的加法计数功能，用低位片U2的输出口RCO控制高位片U3的使能端ENT，即低位片U2产生进位信号后高位片开始工作。

由于主通路（东西向）交通灯时序为红灯30s、绿灯20s、黄灯5s，故此子系统应实现模30计数、模20计数和模5计数间的切换，亦即低位片模值为10—10—5的切换，高位片模值为3—2—0的切换。在具体电路实现过程中，采用74LS74芯片控制高位片的数据置入，并利用彩灯控制部分的输出控制低位片数据的置入。

由于数字显示部分要求倒计时显示，故置入数据时取数码管相应显示码值的反码，具体数据表格见数字显示部分。

在此电路中，开关SW2、SW1分别控制高、低位片的强制置数，当SW2、SW1接低电平时，若SW3接高电平，高位片被强制置入数据1111，低位片通过彩灯控制部分的反馈信号被置入数据1011。此时，将SW2、SW1接高电平，计数开始，进入有效循环前5s的偏离态。当低位片进位后，高、低位片进位端均为1，U9A输出端为1，U6C、U6D输出端为0，即高、低位片LOAD端为0，实现置数功能。

高位片置入数据为 ,，当高低位片同时产生进位信号，74LS74产生上升沿，即每次倒计时完毕后进行置数。低位片置入数据由黄灯亮\灭控制，当黄灯亮时置入数据为1011，黄灯灭时置入数据为0110。

计时系统与东西向主通路交通灯亮\灭情况真值表如下：

3．彩灯控制\显示部分：

彩灯控制部分分两路实现，东西向（主通路）彩灯由于时序与倒计时相同，故不需另加单独的计数电路，只需用门电路和译码器等器件将计数部分中的信号引致彩灯。南北向时序与东西向不同，故另外用一片74LS161控制，具体设计如下：

Ⅰ.东西向：

计数控制部分高位片的置数端D0、D1分别接到74LS139的A、B端子，其输出端Y1、Y2、Y3分别接红、绿、黄灯。

当高位片置入数据为1110，低位片置入数据为0110，即倒计时20s时，74LS139的A、B端分别为0、1，此时输出数据为1011，即绿灯亮。同理，当高位片置入数据为1111，低位片置入数据为1011，即倒计时5s时，74LS139的A、B端分别为1、1，此时输出数据为0111，即黄灯亮；当高位片置入数据为1101，低位片置入数据为0110，即倒计时30s时，74LS139的A、B端分别为1、0，此时输出数据为1101，即红灯亮。

Ⅱ.南北向

南北向彩灯由东西向彩灯和另一片74LS161（U12）单独控制。U12的ENP、ENT、LOAD全部接高电平，即禁止置数，MR端子接Q_0（高）Q_1（高）Y_{1（74LS39）}相与的输出。

设计思路如下：由时序图可知，当东西向红灯亮且高位片为0，即南北向红灯倒计时至10s时，U12开始计数，当红东西向灯熄灭时计数停止，共计数10s，通过逻辑门电路组合可以实现使其前5s输出为1，后5s输出为0，即后5s时南北向黄灯亮。当10s计时结束后，南北向应变为红灯，而此时东西向先持续5s黄灯后持续25s绿灯，故南北向红灯接东西向黄、绿灯信号相与的结果。

U12（74LS161）计数输出与南北向黄灯亮灭真值表如下：

注：OUTPUT=0时黄灯亮；OUTPUT=1时黄灯灭。

化简得：。实现电路如上图所示。

南北向绿灯的控制信号为南北向红灯和黄灯的与非，即红灯和黄灯均不亮时绿灯亮。

4．强制中断系统：

当出现紧急情况时，交通灯应具有强制某路通行或中断的功能。在此系统中，如出现紧急情况，断开“紧急中断”开关（见总电路图），即切断CP脉冲输入，计时停止，此时将SW4接高电平，SW5接低电平，东西向强制通行；反之，若将SW5接高电平，SW4接低电平，南北向强制通行。

5．数字显示部分：

由74LS48（7段显示译码器）真值表可知，要实现9~0倒计时可通过置入0110取反后得到，真值表如下：

6.元器件列表：

五、总体电路图：

六、电路组装完成后，实际测量的各个单元电路的输入、输出信号波形：

电路组装调试完成后，测得各单元电路输入输出如下：

1．脉冲输出部分：

输入：+5V直流电压信号。

输出：周期T≈1s，占空比q=50%的矩形波。

2．计时控制部分：

输入、输出高电平时大于4V，低电平小于0.3V，符合要求，且无逻辑错误。

3．彩灯控制\显示部分：

输入、输出高电平时大于4V，低电平小于0.3V，符合要求，且无逻辑错误。

4．数字显示部分：

输入、输出高电平时大于4V，低电平小于0.3V，符合要求，且无逻辑错误。

七、电路组装、调试过程中发生的问题及解决的方法：

1．出现错误电平

故障现象：计时控制部分独立工作时正常，接入彩灯控制\显示部分反馈后出现逻辑错误。

检查步骤：（1）检查电路各部分电气连接是否正常，无短路和开路现象；（2）检测距后级输出最近的端口电压，发现74LS161部分端口出现1~2V的错误电平；（3）沿信号流向逆向检查电平值，发现错误电平为彩灯控制\显示部分反馈引入；（4）分析故障原因，发光二极管正极接高电平（+5V），由于二极管导通压降近似为0.7V，限流电阻仅为33Ω，分压能力有限，导致所取的反馈信号出现错误电平。

解决方案：将33Ω电阻改换为100Ω，错误逻辑消失，重新检测各点电平值，均符合要求。

2．数字显示部分显示结果混乱

故障现象：将计时部分和数字显示部分连接完后，发现数码管显示字符为乱码，且无一定规律。

检查步骤：（1）检查电路各部分电气连接是否正常，部分管脚接触不良，按压芯片，使其完全解除故障仍未解除；（2）检测各输入、输出端口电压，部分管脚出现错误电平；（3）分析错误电平产生原因，无反馈回路，反相器输入正常，输出为错误电平，疑是74LS04反相器芯片自身故障。

解决方案：更换故障芯片，数码管显示正常，重新检测各点电平值，无错误电平出现。

九、注意事项

      在本次课程设计中，我主要认识到如下几个问题：

      1.理论知识与实际操作存在差异，如利用555构成多谐振荡器时，将器件参数套用公式进行理论计算得到周期T=1s，但在实际操作时发现此处存在较大误差，周期明显小于1s；又如理论规定逻辑高电平和逻辑低电平分别为3V和0.35V，但实际操作中发现一般大于2.5V的电平均可看作高电平，不会出现逻辑错误，而低电平上限也可达到0.5V左右。

2.数字电路与逻辑设计的课程学习过程中，过多的偏重于电路逻辑功能的设计，考虑其实际实现则较少，比如芯片的稳定性、带载能力，工作环境等问题在设计中都没有考虑，很多设计在实验室环境下虽然可以正常工作，但不适宜投入生产。

3.排除故障的能力和设计电路的能力同样重要。在此次课程设计中，很多同学在设计和连接电路上花费的时间并不多，但却把大量的时间耗费在检查故障上，经常还会因为查不出故障或无法解决故障重新连接电路。我觉得在日常生活和实际生产中，需要解除故障的地方远比设计电路要多，从一次实验中发现故障，逐步摸索排除故障的方法和技巧是极为重要的。我在排除电路的故障中逐步掌握了电平高低的检测技巧和根据信号流向检查故障的方法，并对万用表的使用技巧有了更深入的实践和学习。

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第二篇：数字电路基础 交通灯课程设计报告

西安邮电学院

数字电路课程设计报告书

——交通灯控制器

一、设计题目：交通灯控制器

交通灯控制器是可以自动控制交通灯，并以倒计时的方式显示出时间，方便行人和车辆在通行时有条不紊的通行，达到交通井然有序，出行人员安全快捷的到达目的地的效果。本次实验的就是想通过这样的一个实例，来结合数字电路课程的学习共同实现这样的一个应用工具，达到理论和实践相结合的目的。

二、设计要求：

设计一个十字路口控制交通秩序的交通灯，满足以下条件：

显示顺序为其中一组方向是绿、黄、红；另一方向是红、绿、黄。

设置一组数码管以倒计时的方式显示语序通行或禁止通行时间，其中支通道绿灯的时间是20s，另一个方向上主通道的绿灯亮的时间是30s，黄灯亮的时间都是5s.

选做：当任何一个方向出现特殊情况，按下手动开关，其中一个方向通行，倒计时停止，当特殊情况结束后，按下自动控制开关恢复正常状态。

三、设计思路概述：

1．任务分析：

交通灯控制器主要实现两部分功能：

①东西、南北双向通路的红、绿、黄灯控制；

②东西向主通路的倒计时显示。

另外，在此设计中还实现了紧急情况下的强制中断功能。

2．实现方案：

实现这个交通灯控制器可以采用PLD、FPGA、单片机等可编程器件或基本数字逻辑器件实现。在这次实验中采用74系列数字集成芯片和555时基芯片实现相应功能，在本报告的最后附有用Atmel公司89C52实现同样功能的电路设计图及C51程序。

3．具体功能分析：

此电路为十字路口交通灯控制电路，要求东西向和南北向不能同时出现绿（黄）灯，发生“撞车”现象。即当某一方向为绿灯或黄灯时，另一方向必为红灯。东西向主通路有倒计时显示。

设计时序如下：

东西向

南北向

4．电路框图设计：

说明：脉冲输出部分为555时基芯片构成的多次谐波振荡器，由其产生周期为1s的时钟脉冲信号。计时控制部分主要由两片74LS161（十六进制同步加法计数器）、74LS74（边沿D触发器）及逻辑门电路构成。产生30s、20s和5s的倒计时信号。彩灯控制部分将计时控制部分输出的信号通过逻辑门电路及74LS139（双2—4线译码器）产生控制信号，控制彩灯按照响应时序显示，并将74LS139的输出信号反馈回计时控制部分实现三种倒计时之间的切换。数字显示部分主要由74LS48（7段显示译码器）、74LS04（反相器）及8段共阴极数码管构成，通过接入计时控制部分的信号实现倒计时显示。

四、单元电路设计：

1．脉冲输出部分：

脉冲输出部分为555时基芯片构成的多次谐波震荡器，电路原理图如右：

其中器件参数分别为R₁=4.7kΩ，R₂=150kΩ，C₁=4.7μF，C₂=0.01μF。

产生的时钟脉冲为周期T=1s的方波。

电容C1充电时，暂稳态持续时间为

      t_w1=0.7(R₁+R₂)C=0.7×(150k+4.7k) ×4.7μ≈0.5s

电容C1放电时，暂稳态持续时间为

      t_w2=0.7R₂C=0.7×150k×4.7μ≈0.5s

因此，电路输出矩形脉冲的周期为

      T= t_w1＋t_w2≈1s

输出占空比为q= t_w1/T≈50%

2．计时控制部分：

通过两片74LS161级联实现最大模值为256的加法计数功能，用低位片U2的输出口RCO控制高位片U3的使能端ENT，即低位片U2产生进位信号后高位片开始工作。

由于主通路（东西向）交通灯时序为红灯30s、绿灯20s、黄灯5s，故此子系统应实现模30计数、模20计数和模5计数间的切换，亦即低位片模值为10—10—5的切换，高位片模值为3—2—0的切换。在具体电路实现过程中，采用74LS74芯片控制高位片的数据置入，并利用彩灯控制部分的输出控制低位片数据的置入。

由于数字显示部分要求倒计时显示，故置入数据时取数码管相应显示码值的反码，具体数据表格见数字显示部分。

在此电路中，开关SW2、SW1分别控制高、低位片的强制置数，当SW2、SW1接低电平时，若SW3接高电平，高位片被强制置入数据1111，低位片通过彩灯控制部分的反馈信号被置入数据1011。此时，将SW2、SW1接高电平，计数开始，进入有效循环前5s的偏离态。当低位片进位后，高、低位片进位端均为1，U9A输出端为1，U6C、U6D输出端为0，即高、低位片LOAD端为0，实现置数功能。

高位片置入数据为 ,，当高低位片同时产生进位信号，74LS74产生上升沿，即每次倒计时完毕后进行置数。低位片置入数据由黄灯亮\灭控制，当黄灯亮时置入数据为1011，黄灯灭时置入数据为0110。

计时系统与东西向主通路交通灯亮\灭情况真值表如下：

3．彩灯控制\显示部分：

彩灯控制部分分两路实现，东西向（主通路）彩灯由于时序与倒计时相同，故不需另加单独的计数电路，只需用门电路和译码器等器件将计数部分中的信号引致彩灯。南北向时序与东西向不同，故另外用一片74LS161控制，具体设计如下：

Ⅰ.东西向：

计数控制部分高位片的置数端D0、D1分别接到74LS139的A、B端子，其输出端Y1、Y2、Y3分别接红、绿、黄灯。

当高位片置入数据为1110，低位片置入数据为0110，即倒计时20s时，74LS139的A、B端分别为0、1，此时输出数据为1011，即绿灯亮。同理，当高位片置入数据为1111，低位片置入数据为1011，即倒计时5s时，74LS139的A、B端分别为1、1，此时输出数据为0111，即黄灯亮；当高位片置入数据为1101，低位片置入数据为0110，即倒计时30s时，74LS139的A、B端分别为1、0，此时输出数据为1101，即红灯亮。

Ⅱ.南北向

南北向彩灯由东西向彩灯和另一片74LS161（U12）单独控制。U12的ENP、ENT、LOAD全部接高电平，即禁止置数，MR端子接Q_0（高）Q_1（高）Y_{1（74LS39）}相与的输出。

设计思路如下：由时序图可知，当东西向红灯亮且高位片为0，即南北向红灯倒计时至10s时，U12开始计数，当红东西向灯熄灭时计数停止，共计数10s，通过逻辑门电路组合可以实现使其前5s输出为1，后5s输出为0，即后5s时南北向黄灯亮。当10s计时结束后，南北向应变为红灯，而此时东西向先持续5s黄灯后持续25s绿灯，故南北向红灯接东西向黄、绿灯信号相与的结果。

U12（74LS161）计数输出与南北向黄灯亮灭真值表如下：

注：OUTPUT=0时黄灯亮；OUTPUT=1时黄灯灭。

化简得：。实现电路如上图所示。

南北向绿灯的控制信号为南北向红灯和黄灯的与非，即红灯和黄灯均不亮时绿灯亮。

4．强制中断系统：

当出现紧急情况时，交通灯应具有强制某路通行或中断的功能。在此系统中，如出现紧急情况，断开“紧急中断”开关（见总电路图），即切断CP脉冲输入，计时停止，此时将SW4接高电平，SW5接低电平，东西向强制通行；反之，若将SW5接高电平，SW4接低电平，南北向强制通行。

5．数字显示部分：

由74LS48（7段显示译码器）真值表可知，要实现9~0倒计时可通过置入0110取反后得到，真值表如下：

6.元器件列表：

五、总体电路图：

六、电路组装完成后，实际测量的各个单元电路的输入、输出信号波形：

电路组装调试完成后，测得各单元电路输入输出如下：

1．脉冲输出部分：

输入：+5V直流电压信号。

输出：周期T≈1s，占空比q=50%的矩形波。

2．计时控制部分：

输入、输出高电平时大于4V，低电平小于0.3V，符合要求，且无逻辑错误。

3．彩灯控制\显示部分：

输入、输出高电平时大于4V，低电平小于0.3V，符合要求，且无逻辑错误。

4．数字显示部分：

输入、输出高电平时大于4V，低电平小于0.3V，符合要求，且无逻辑错误。

七、电路组装、调试过程中发生的问题及解决的方法：

1．出现错误电平

故障现象：计时控制部分独立工作时正常，接入彩灯控制\显示部分反馈后出现逻辑错误。

检查步骤：（1）检查电路各部分电气连接是否正常，无短路和开路现象；（2）检测距后级输出最近的端口电压，发现74LS161部分端口出现1~2V的错误电平；（3）沿信号流向逆向检查电平值，发现错误电平为彩灯控制\显示部分反馈引入；（4）分析故障原因，发光二极管正极接高电平（+5V），由于二极管导通压降近似为0.7V，限流电阻仅为33Ω，分压能力有限，导致所取的反馈信号出现错误电平。

解决方案：将33Ω电阻改换为100Ω，错误逻辑消失，重新检测各点电平值，均符合要求。

2．数字显示部分显示结果混乱

故障现象：将计时部分和数字显示部分连接完后，发现数码管显示字符为乱码，且无一定规律。

检查步骤：（1）检查电路各部分电气连接是否正常，部分管脚接触不良，按压芯片，使其完全解除故障仍未解除；（2）检测各输入、输出端口电压，部分管脚出现错误电平；（3）分析错误电平产生原因，无反馈回路，反相器输入正常，输出为错误电平，疑是74LS04反相器芯片自身故障。

解决方案：更换故障芯片，数码管显示正常，重新检测各点电平值，无错误电平出现。

九、心得体会

      在本次课程设计中，我主要认识到如下几个问题：

      1.理论知识与实际操作存在差异，如利用555构成多谐振荡器时，将器件参数套用公式进行理论计算得到周期T=1s，但在实际操作时发现此处存在较大误差，周期明显小于1s；又如理论规定逻辑高电平和逻辑低电平分别为3V和0.35V，但实际操作中发现一般大于2.5V的电平均可看作高电平，不会出现逻辑错误，而低电平上限也可达到0.5V左右。

2.数字电路与逻辑设计的课程学习过程中，过多的偏重于电路逻辑功能的设计，考虑其实际实现则较少，比如芯片的稳定性、带载能力，工作环境等问题在设计中都没有考虑，很多设计在实验室环境下虽然可以正常工作，但不适宜投入生产。

3.排除故障的能力和设计电路的能力同样重要。在此次课程设计中，很多同学在设计和连接电路上花费的时间并不多，但却把大量的时间耗费在检查故障上，经常还会因为查不出故障或无法解决故障重新连接电路。我觉得在日常生活和实际生产中，需要解除故障的地方远比设计电路要多，从一次实验中发现故障，逐步摸索排除故障的方法和技巧是极为重要的。我在排除电路的故障中逐步掌握了电平高低的检测技巧和根据信号流向检查故障的方法，并对万用表的使用技巧有了更深入的实践和学习。

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十、参考文献

1.《数字电路与逻辑设计（脉冲与数字电路）第三版》 王毓银 主编  高等教育出版社 1999年

2.《数字电路实验指导书》 张亚婷 王利 杨乐 周丽娟 郭华 编 西安邮电学院电子与信息工程系 20##年

3.《数字逻辑集成电路手册》 赵负图 主编 化学工业出版社 20##年

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西安邮电学院  自动化  系课程设计成绩鉴定表