数字逻辑课程设计报告

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一、设计题目

交通灯控制器

二、设计要求

1．东西方向为主干道，南北方向为副干道；

2．主干道通行40秒后，若副干道无车，仍主干道通行，否则转换；

4．换向时要有4秒的黄灯期；

5．南北通行时间为20秒，到时间则转换，若未到时，但是南北方向已经无车，也要转换。

6．附加：用数码管显示计时。

三、设计过程

1．交通控制灯总体设计方案

整个交通控制灯电路可以用主控电路控制交通灯电路的亮灯顺序，用计数器控制亮灯时间并给译码器输入信号以便数码管显示时间，用函数发生器产生频率为1Hz的矩形波信号以供计数器计数。框图如下：

十字路口车辆运行情况只有4种可能（在副干道有车时）：

(1)设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为40s。

(2)40s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为4s。

(3)4s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20s。

(4)20s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为4s。4s后又回到第一种情况，如此循环反复。

因此，要求主控制电路也有4种状态，设这4种状态依次为：S0、S1、S2、S3。即：

状态转换图如下：

这四个状态可以用用一个4进制的异步清零计数器(74LS160)进行控制并作为主控部分，控制亮灯的顺序。再用两片计数器(74LS160)控制亮灯时间，分别计数40、20、4。

2．主控电路

主控电路是由一块74LS160接成的4进制计数器，即当QC为1时用异步清零法立刻将计数器清为零，同时，另外两片74LS160计数器产生的清零信号与主控电路的计数器的计数CLK连接，即当计数器一次计数完成后（一种的状态的亮灯时间过后），计数器清零，同时主控电路CLK接收一个脉冲，跳至下一状态。如此循环变可实现四个状态的轮流转换。

3．计数器

计数器的作用：一是根据主干道和副干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行40s、20s、4s  3种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。

计数器除需要单位脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的工作情况为：计数器在主控制器进入状态S0时开始40s计数；若在S0状态的40s过后，副干道没有车，则使主控制器始终清零，保持在S0状态（单刀双掷开关处于高电平），继续保持主干道路灯亮，副干道红灯亮。40s后如果副干道有车，则恢复主控制器正常状态（单刀双掷开关处于低电平），计数器产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S1，计数器开始4s计数，4s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S2，计数器开始20s计数；如果副干道一直有车则20s后也产生归零脉冲，使主控制器进入S3状态，如果在20s内没有车，则给主控制器传送一个脉冲信号（即按下按键开关，此时单刀双掷开关处于低电平），使主控制器直接跳到S3状态，同时计数器清零，计数器又开始4s计数；4s后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态S0，开始新一轮循环。

根据以上分析，设40s、4s 、20s、4s计数的清零信号分别为A、B、C，D，S0状态时副干道有车信号为P，S2状态时副干道有车信号为Q，则计数器的归零信号S为：     S=A+B+C+D+Q

A=··（Q2高位）

B=··(Q1高位)

C=··(Q2低位)

D=··(Q2低位)

Q=1

主控制器的归零信号为：            P=··1

电路图如下：

4．灯控电路

主控制器的4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为1，灯灭为0，则交通控制灯的译码电路的真值表如下：

交通控制灯的译码电路的真值表

由真值表可写出六盏等的逻辑式,经化简获的六盏灯逻辑式为：

根据灯控函数逻辑表达式,可画出由与门和非门组成的状态译码器电路,如图所示。将状态控制器，与三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路，如图所示：

5．交通控制灯原理图

元件清单为：

6．74LS160功能简介

 

74LS160芯片是一个具有清零、置数、保持、十进制计数等功能的计数器。其引脚图如下：

74LS160真值表

四、设计结论

1．数码管时序图

上图是0-18s的时序图，0-10s内，低位从0变到9，高位为0，当低位从9变为0时，高位从0变为1，低位继续计数至输出39。

2．主控制器时序图

当高位计数至3、低位计数至9，即过了40s，S0状态结束，主控制器由00变为01，同时高位与低位同时清零，进入状态S1的计数，4s后，主控制器由01变为10，进入状态S2，同时高位与低位同时清零，进行20s的计数，之后进入S3状态，最后再回到S0状态，如此循环。

3．交通灯时序图

当40s时，主控制器由00变为01，则主干道绿灯灭，副干道不变，在主控制器为01的4s内，主干道黄灯一直亮，4s后，主干道黄灯灭，红灯亮，副干道由红灯变为绿灯，进入S2状态；S2状态结束时已经是总第64s，进入S3时，主干道维持不变，副干道绿灯灭，黄灯亮，由S3进入S0时，主干道红灯灭，绿灯亮，副干道黄灯灭，红灯亮，然后重复。

4．特殊情况（副干道无车）时序图

当主干道通行时，40s后副干道无车，则将单刀双掷开关拨至高电平(图中双掷开关一直处在高电平)，由上图可以看到40s后主控制器仍处在S0状态，两个数码管归零，重新计数。

当单刀双掷开关拨至低电平，在S2状态内（总第44-64s内），若副干道无车，则按下按键开关，给一个脉冲（由于时间极短，原图中未能显示，上图中的脉冲式加上去的，便于观察），则主控制器直接跳入S2状态，同时译码管归零，重新开始S2状态的计数。

5．结果分析

通过以上分析，交通控制灯的要求全部实现。

6．设计中遇到的问题

（1）交通74LS160的CLK 是低电平有效，设计的时候应特别注意；

（2）刚开始设计时，把低位74LS160的RCO通过反相器连到高位的CLK上，结果发现当低位数码管显示9时，高位已经变成1，后改成现在的连接方式，即并行级联方式。

（3）刚开始总的设计思路总想不出来，后来通过翻阅有关书籍和上网查询，最终确定了试验总体思路；

（4）实验中CLK的产生本应使用555定时器，但没有调出来，由于电子实验课上使用的是1Hz的函数发生器产生脉冲，故本实验也采用这种方式。

7．设计心得和体会

本次实验采用multisim搭建电路，最后仿真成功。设计过程中出现了不少问题，因为根本就不知道从哪里入手，虽然课本上有很多理论知识，但仅仅有理论的指导而没有实践能力是不行的，自己的动手能力差，对所学知识的理解和灵活运用的能力还远远不够，虽然最后解决了所有的问题，但自己的不足也显现了出来。通过这次实验，我认识到了自己在学习上暴露出来的问题，知道了对知识的理解不能仅仅的停留在书本上，还要在实践中检验，相信通过以后的学习，自己会不断提高自己实践能力。

第二篇：交通灯课程设计

摘    要

本文着眼于一简略的交通灯控制系统，从课程设计的题目要求出发，设计了一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路。

首先进行交通灯状态变换的分析和交通灯总体框架的设计，接着提出了一种简略的电路设计方案，先设计让计时器按规律运行的电路，再通过计时电路的信号来控制交通灯按4种状态循环变换。

4Hz方波脉冲由555定时器产生，再由74LS193实现4分频，最终输出1Hz的脉冲信号；用两块十进制计时器74160实现计时，一块计十位，一块计个位。

利用一块74HC138译码器和一块74HC42译码器控制信号灯的三个状态。

关键词：交通灯；电路设计；脉冲电路；控制电路

目    录

综述    …………………………………………………………………………1

1交通灯控制电路分析 …………………………………………………………2

1.1交通灯运行状态分析 ………………………………………………………2

1.2电路工作总体框图 …………………………………………………………3

2交通灯控制电路设计 …………………………………………………………3

2.1 脉冲电路  …………………………………………………………………3

2.2 分频电路  …………………………………………………………………4

2.3 计时器电路  ………………………………………………………………5

2.4 状态控制灯显示电路  ……………………………………………………6

2.5 总体电路图   ……………………………………………………………6

3课程设计的心得体会，发展方向……………………………………………8

结 论……………………………………………………………………………9

参考文献 ………………………………………………………………………10

综述

本次数字电路课程设计内容是设计交通灯控制器。在现代城市中，随着人口和汽车的急剧增长，市区交通日益拥挤，事故频繁发生。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，交通信号控制是利用交通信号，对道路上运行的车辆和行人进行指挥和疏导。交通信号自动控制是交通东芝的重要组成部分，系统包括状态控制器，状态译码器，定时系统，秒信号产生器。要是没有红绿灯作为指挥工具，恐怕川流不息的汽车就会由于混乱而造成严重阻塞。因此，交通灯是交管部门管理城市交通的重要工具之一。该系统的基本功能为：在东西南北方向行驶的车辆通过十字路口时，在十字路口上，面对各方向悬挂的信号灯和显示时间的数码显示牌，红灯亮，表示禁止通行;黄灯亮表示停车;绿灯亮表示允许通行。

1  交通灯控制电路分析

1.1 交通灯运行状态分析

    交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯的运行状态共有四种，分别为：

    状态0：东西方向车道的绿灯亮，车道，人行道通行；南北方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行，保持60s。

    状态1：东西方向车道的黄灯亮，车道，人行道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行，保持5s；

    状态2：东西方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道，人行道通行，保持60s；

    状态3：东西方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道，人行道缓行，保持5s；

4种状态循环往复，并且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。交通灯电路的具体运行状态框图如图1-1(人行道交通灯未标明)所示：

 

图1-1交通灯运行状态分析图

1.2 电路工作总体框图

交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图1-2所示，有电源电路，脉冲电路，分频电路，倒计时电路，(交通灯)状态控制电路，灯显示电路。

图1-2 交通灯控制电路功能模块框图

2 交通灯控制电路设计

2.1 脉冲电路

利用555定时器为主组成多谐振荡器，输出4Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。555定时器的原理图如图2-1(1)所示，功能表如表1所示：

图2-1(1) 555定时器原理图

表1  555定时器功能表

组成的脉冲电路如图 2-1(2)所示：

图2-1(2) 脉冲电路

根据功能表和电路图计算如下：

取R₁=10kW，R₂=10 kW，C=1.6uF。即可实现输出4Hz的矩型方波。

值得注意的是，在输出端接上了一个开关，可以控制系统工作的开始和暂停。

2.2 分频电路

分频电路利用计数器74LS193来实现，根据上面计算取4分频，即输出为端，电路如图2-2所示：

图2-2 分频电路

2.3计时器电路

利用两块十进制计时器74160.，实现信号灯保持显示的时间。左侧一块计数个位，右侧一块计数十位。以要求为基础，我们令初始0时东西方向交通灯为绿色，保持60秒，然后变为黄色，保持5秒，然后变为红色，保持35秒，与之相对，南北方向，初始0时为红色，保持35秒，然后变为绿色，保持30秒，然后变为黄色，保持5秒。因此为100秒为循环，我们令计数到99时输出接RD使计数器重新为0，开始计数。据此画出计时器电路图。如图2-3：

图2-3 计时器电路图

2.4 状态控制灯显示电路

如图，用计时器控制灯的变化，令东西方向信号灯为灯1，南北方向信号灯为灯2，对于灯1，当十位为0、1、2、3、4、5、（0000、0001、0010、0011、0100、0101）时，无论个位为几，则显示绿灯，当十位为6（0110），个位从0到4（0000到0100）时，显示黄灯，其余输出显示红灯。而灯2,则是从0到64显示红灯，65到94显示绿灯，94到99显示黄灯。这样的话，来一个边沿信号就能使计数器加一，实现上述四状态转换。电路图如图2-4：

图2-4 状态控制灯显示电路

2.5 总体电路图

根据上面各功能电路的设计整合，用visio软件画出总体电路图如图2-5所示：

图2-5 交通灯控制总体电路图

3 课程设计的心得体会，发展方向

结论

    本设计

学    生：张志超

                                                学    号：0905010226

                                                日    期：2011.6.22 

参 考 文 献

[1] 阎石，《数字电子技术基础》，第5版，北京：高等教育出版社，2006

[2] 姚福安，《电子电路设计与实践》，山东：山东科技出版社，2001

[3] 刘明丹.，基于数字电路对交通灯控制的研究与设计. 实验技术与管理，2005

[4] 任中民，交通灯数字控制系统的电路设计.辽宁省交通高等专科学校学报，2005

[5] 陈宗梅，交通灯控制系统电路设计.，重庆职业技术学院学报，2005