基于数字电路交通红绿灯设计.doc

基
于
数
字
电
路
交
通
红
绿
灯
设
计
目录
一、设计目的3
二、设计任务3
三、设计要求4
四、总体设计思路4
五、电路设计模块与分析5
1、交通灯控制系统的原理5
2、状态控制电路6
3、初值预置电路8
4、数字显示电路9
5、秒脉冲电路10
六、总设计电路图11
七、 元件清单及其引脚功能12
八、仿真故障13
九、心得体会13
十、参考文献14
一、设计目的
1、 通过设计，巩固和加深在数字电子技术课程中的理论基础和实验中的基本技能，训练电子产品制作时的设计能力.
2、 通过该课程设计,设计出符合任务要求的电路。
3、 掌握常用集成器的一般设计方法.
4、 训练并提高学生在文献检索、资料利用、方案比较和元器件选择等方面的综合能力。
5、 熟练使用Multisim软件。
二、设计任务
在现代城市中,人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。交通信号灯常用与交叉路口，用来控制车的流量,提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障.
自从交通灯诞生以来,其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化、科学化、简便化.尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础.
三、设计要求
本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行.交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化.
1、东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间25s。
2、南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间25s.
3、东西方向或南北方向黄灯亮,时间均为5s.
四、总体设计思路
1、根据本课题设计要求分析并画出简易电路结构框图。
2、按照电路结构框图绘制电路原理图。
3、选定各部分集成电路元器件的类型.
4、利用Multisim软件对所设计电路进行调试仿真.
根据设计任务和要求,而确定交通灯控制器电路的系统工作框图1.通过主控制计数器(74LS162)控制电路的运作和红绿黄灯三种信号灯的转换，用两条QBQA输出取四种状态.秒脉冲发生器产生整个系统的脉冲,通过两片减法计数器（74LS192)达到控制东西方向和南北方向每种工作状态的持续时间的十位和个位。减法计数器的借位端为主控制电路翻转的脉冲信号来完成状态的改变，同时主控制电路的输出状态又控制了减法计数器的下次计数的初值.
采用译码器(74LS138)译码。减法计数器的十位和个位分别接译码器和静态数码管来显示时间的倒计时。通过电路与静态显示管来循环显示25、5、25、5这四个数。
交通信号灯控制电路分为:
·状态控制电路
·初值预置电路
·数字显示电路
·秒脉冲电路
秒脉冲

译码·显示

东西方向信号灯
南北方向信号灯
减法计数器

交通信号灯状态控制
预置数控制

主控制电路
图1

五、电路设计模块与分析
1、交通灯控制系统的原理
秒脉冲
发生器

东西方向信号灯
25S
5S
信号灯转换器
倒计时 计时器
南北方向信号灯
图2

利用555定时器产生秒脉冲送至74LS192减法计数器，控制74LS192做减法计算。状态控制电路74LS162进行交通信号灯之间的转换。74LS138输入端接74LS162输出端，再对74LS192进行预置数。
2、状态控制电路
主控电路属于时序逻辑电路，状态控制器是系统的核心部分,由它决定交通灯处于哪一个运行状态。从而使相应的交通灯点亮，并决定下一个状态的预置电路该预置的信号灯的预置值。通过74LS162控制主支干道红绿黄灯亮灭的四种状态S0（南北方向绿灯亮东西方向红灯亮）S1(南北方向黄灯亮。东西方向红灯亮,S2为南北方向红灯亮。东西方向绿灯亮）S3（南北方向红灯亮。东西方向黄灯亮)。
令灯亮为“1”、灯灭为“0”，南北干道红绿黄等分别为R1、G1、Y1,东西干道红绿黄等分别为R2、G2、Y2,东西、南北方向交通信号灯的工作是同时进行的.前25秒南北方向绿灯亮东西方向红灯亮，之后5秒南北方向黄灯亮。东西方向红灯亮,之后25秒南北方向红灯亮东西方向绿灯亮，接着5秒南北方向红灯亮。东西方向黄灯亮，一次循环为60秒.
状态流程图如下:
S0
S3
S2
S1

5S

5S

25S

25S

图3

信号灯电路真值表如表1：
输入
输出
QB
QA
R1
G1
Y1
R2
G2
Y2
状态
0
0
0
1
0
1
0
0
S0
0
1
0
0
1
1
0
0
S1
1
0
1
0
0
0
1
0
S2
1
1
1
0
0
0
0
1
S3
由真值表写出逻辑表达式如下：
S1=
S2=S3=
R1=G1=
Y1=
R2=G2=
Y2=
分析说明：74LS162输出为0011时置数，接成四进制计数器,CLK接状态转换控制信号。
图4
根据逻辑表达式式连接电路如图4：
3、初值预置电路
当交通灯控制系统开始工作时，该部分电路将实现各种状态的转换功能。由于Multisim的问题,本来预置数为25、5、25、5，现在根据原理，预置数要改为35、5、35、5，将数码管显示南北方向绿灯和东西方向红灯的预值(25秒），预置:0011、0101；当其减到0时，计数器产生借位，此时南北绿灯和东西方向红灯同时灭。然后将南北方向黄灯和东西方向红灯的预值（5秒）,预置0000、0101;重复上述转换功能,实现倒计时计数功能。
预置数如表2：
预置数
十位
个位
译码器输出
D
C
B
A
D
C
B
A
35
0
0
1
1
0
1
0
1
Y0
5
0
0
0
0
0
1
0
1
Y1
35
0
0
1
1
0
1
0
1
Y2
5
0
0
0
0
0
1
0
1
Y3
预置数电路如图5：
图5

电路分析：由预置数表可知，低位计数器的预置数始终为五,可A和C相连接高电位直接置数。高位的置数在3和0之间交替进行,可将高位的低两位A和B相连，由译码器输出控制.红绿灯的状态由（74LS138)译码，在输出端产生Y0、Y1、Y2、Y3四个置数信号.
4、数字显示电路
用两片计数器74LS192接成百进制减法计数器，低位片的借位输出端接高位片的脉冲输入端.高位的借位端用作主控制电路翻转的脉冲信号来完成状态的改变,同时主控制电路的输出状态又控制了减法计数器的下次计数的初值。由置数模块采用译码器（74LS138）译码。减法计数器的十位和个位分别接译码器和静态数码管来显示时间的倒计时.通过电路与静态显示管来循环显示25、5、25、5这四个数。
图6
电路如图6：
5、秒脉冲电路
以555定时器接外接电路形成多谐振荡器，输出频率为1Hz的脉冲信号,用作74LS162计数器及74LS192减法计数器的CLK信号。
由脉冲频率公式:
要使f=1Hz,可选择R1=43K,R2=50K，C=10μF。
形成电路图7：
图7

电路说明:由于Multisim仿真速度的限制,无法有效观看倒计时效果，将实际电路改为由555产生1KHZ的方波信号来代替秒脉冲电路。使f=1KHz，可选择R1=43K，R2=50K,C=10nF.
图8
六、总设计电路图
七、元件清单及其引脚功能
元件清单表3:
数量
名称
作用
1
74LS162
同步计数器
1
555
定时器
1
74LS138
编码器
2
74LS192
减法计数器
2
DCD_HEX
数码管
4
74LS08
与门
1
74LS00
与非门
4
74LS04
非门
1
74LS32
或门
2
R
电阻
1
C
电容
6
信号灯
显示红绿黄
输出端
电源
接地
复位端
放电端
阈值端
触发端
控制端
图10
输出端
输入端
计数控制端
进位端
置数端
清零端
CP
图9
引脚功能
输出端
数码
控制码
图11
输出端
借位端
进位端
输入端
置数端
清零端
加计数时钟
减计数时钟
图12

八、仿真故障
1、两个路口灯亮状态不符合设计要求。
经检验发现两个红灯接反，改正之后电路正常。
2、 预置数接25时仿真结果为15，不符合设计要求.
将预置数改为35后电路正常。
3、 显示正常，但是没有倒计时,测555输出频率发现几乎没有.
将频率调升至1KHZ后电路正常。
九、心得体会
通过这一次的课程设计,不但使我们对各类芯片的功能及工作原理的认识有了进一步的提高,而且加强了我们的动手能力,与错误检测的水平.使我们对数字电路这门课有了进一步的了解与认识,不但提高了我们的实践水平，还使我们对电路设计软件的使用变得更加熟练，为我们今后的学习打下了良好的基础。通过此次课程设计，提高了我们的专业学习兴趣。让我们学会了熟练的使用Multisim软件,还让我们明白了一个道理，那就是有很多事情是看似简单做起来难，事情的成败与否，往往在于你是否坚持.
十、参考文献
1、 贾更新《电子技术基础实验、设计与仿真》郑州大学出版社2006、10
2、 王革思《数字电路原理设计与实践教程》哈尔滨工程大学出版社2007、4
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