数电 红绿灯课程设计

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位：

题 目: 十字路口交通管理控制器设计 初始条件：multisim11.0 数字电路基础 个人计算机 1设计任务说明及其要求

任务说明：在主、支道路的十字路口分别设置三色灯控制器，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮要求压线车辆快速穿越。根据车流状况不同，可调整三色灯点亮或关闭时间。

主主主绿黄红次次次绿黄红设计要求： 基本部分

①可用LED模拟交通灯；

②主道路绿、黄、红灯亮的时间分别为60秒、5秒、25秒； 次道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、65秒； ③主、次道路时间指示采用倒计时制，用2位数码管显示。 时序关系应该符合如下要求：

组 合 逻 辑 电 计 数 时钟电图（1） 交通管理控制器框图

组合电次道计数 组合电主道计数译码显示秒脉冲电译码显示武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

主道路绿灯： 主道路黄灯： 主道路红灯： 次道路绿灯： 次道路黄灯： 次道路红灯： 60秒 5秒 25秒 20秒 5秒 65秒 循环周期 图（2 ）交通灯时序图

（2）扩展部分

①主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置； ②主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整。

时间安排：

第17周（7、8节）：理论讲解

第18～19周：理论设计及实验室安装调试；

地点：鉴主15通信工程实验室（1），鉴主13通信工程专业实验室；

第20周：撰写设计报告及答辩；地点：鉴主17楼研究室。

指导教师签名： 2010年 7月 6日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

II

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

目 录

摘 要 ...................................................................... I ABSTRACT ................................................................... II 1总体方案设计 .............................................................. 1 1.1方案一 ................................................................ 1 1.2 方案二 ................................................................ 2 1.3方案的最终选择 ........................................................ 2 2单元电路的设计和元器件的选择 .............................................. 3 2.1控制器电路 ............................................................ 3 2.2 秒脉冲信号发生电路 .................................................... 4 2.3时间设置电路 .......................................................... 5 2.4计数电路原理 .......................................................... 6 2.5显示输出电路 .......................................................... 7 2.6红黄绿灯控制电路 ...................................................... 8 2.7 总电路原理图 .......................................................... 9 3 电路的性能测试与仿真 ..................................................... 10 3.1 软件介绍 ............................................................. 10 3.2功能的调试 ........................................................... 11 3.2.1时间显示的调试 .................................................... 11 3.2.2时间预置的调试 .................................................... 12 3.2.3扩展功能的调试 .................................................... 14 3.3总体电路的调试 ....................................................... 15 4小结与体会 ............................................................... 18 5参考文献 ................................................................. 19

III

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

摘 要

十字路口交通灯广泛应用于城市十字路口交通通行控制，确保个方向交通流量的均衡。本文采用74LS192计数器，74LS363八端口向三态门芯片与若干集成门电路构成十字路口交通灯控制器主体电路。电路通过两片74LS192计数器级联构成一路口倒计时电路，通过计数器与门电路构成译码器识别计数器输出并译码驱动两路十字路口交通灯（红，黄，绿）显示主从路口允许通行情况，同时驱动三片74LS363八端口向三态门芯片输入计数器预置数达到红、黄、绿灯时间控制。译码器将计数器输出译码显示于七段数码管，明确提示路人和车辆等待交通运转时间。电路达到稳定控制，时间可控功能，利于交通流量实时控制与调度。

关键词：交通灯 数字电路 时间可控

IV

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

Abstract

Intersection traffic lights are widely used in urban intersection crossings control the direction of traffic flow to ensure a balance. In this paper, 74LS192 counter, 74LS363 8-port gate to the tri-state gate circuit chip with a number of integration constitute the main intersection traffic light controller circuit. Circuit by two 74LS192 counter cascade form a junction countdown circuit, constituted by the counter and gate counter output decoder and decoding driver identified two-way intersection traffic light (red, yellow, green) shows the main road junctions to allow passage from the situation , while driving three 74LS363 octal tri-state gate to enter the counter preset number of chips to red, yellow, green time control. Decoder will decode the counter output shown in the seven-segment digital tube, clear prompts pedestrians and vehicles waiting for traffic running time. Circuit to achieve stability control, time control function, which will help traffic flow real-time control and scheduling.

Keywords: traffic light controlled digital circuit time

V

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

十字路口交通控制管理器设计

1总体方案设计

1.1方案一

图（3） 方案一原理框图

此方案逻辑清晰，通过计数器和组合逻辑电路来控制主次红黄绿灯的亮与灭，在交通灯亮灭的同时，再通过组合电路来控制主次道的计数，比如计数器通过组合逻辑电路使红灯亮，同时通过组合电路使主道开始计数。

此电路的缺点：由于主次道红黄绿灯的时序要求不同，通过计数器和组合逻辑电路来控制主次道红绿灯的亮灭会是组合逻辑电路变得很复杂，主次道实现定时倒计数比较困难，而且为接近实际情况应该设置置数控制来对等亮灭的时间进行调整等，对图1的原理框图来说，每一次调整都需要重新改编组合逻辑电路，这个过程相当繁杂

1

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

1.2 方案二

图（4 ）交通管理控制器原理图

该方案思路清晰明了，本方案中秒脉冲信号同时接入主次计数电路可以保证主次电路时序的同时性。通过开关控制主次控制电路的初始状态，控制电路通过不同的状态来控制倒计数电路的置数，然后倒计数电路反馈信号改变控制电路的状态，进而改变倒计数电路的置数，如此循环。主次预置电路可以随时更改红黄绿的亮灭的时间，也可以控 制灯红黄绿灯哪个先亮，实现了电路的可控制性，更接近实际情况。

1.3方案的最终选择

根据设计要求，主道路绿、红、黄灯亮的时间分别为60s、25s、5s，次道路绿、红、黄灯亮的时间为20s、65s、5s。

相对来讲，第二个放案原理更清晰，可操作性更强，也更符合实际情况，故选择第二个方案。

2

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

2单元电路的设计和元器件的选择

2.1控制器电路

本文实现单路口交通灯三种情况运行，总体统筹主、次路段交通灯运行情况。

表1

Q1n Q0n 0 0 0 1 1 0 则有

Q1n+1 Q0n+1 0 1 1 0 0 0

用两个JK触发器来实现 计数器反馈信号

Q1 Q0

图（5） JK触发器构成的控制器

3

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

2.2 秒脉冲信号发生电路

产生秒信号的电路有多种形式，图是利用555定时器组成的秒信号发生器。因为该电路输出脉冲周期为：T≈（R1+R2）Cln2,若T=1s,令C=10μF，R1=43K，R2=50K，经过计算的T=1s，则f=1/T=1Hz。从而使传输脉冲周期为1s。

图（6）脉冲信号发生器

4

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

2.3时间设置电路

主次分别采用4片双4选一数据选择器74253芯片，如下图所示

图（7 ）时间设置电路

从左至右四片74253芯片的输出1Y2Y 1Y2Y 1Y2Y 1Y2Y 分别接至高低位计数器的输入端DCBA DCBA，74253的输入AB分别接控制电路的QO Q1，从左至右四片74253芯片的输入八个C0为绿灯时间设置，八个C1为黄灯时间设置，八个C2为红灯的时间设置。如主道路八个C0依次设置为0110 0000，八个C1依次设置为0000 0101，八个C2设置为0010 0101，八个C3依次设置为0000 0000，即在电路工作时，显示电路会从60 05 25倒计时。

5

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

2.4计数电路原理

计数电路原理图如下图所示

图（8）计数电路原理图

计数电路左边192为高位片，右边192为低位片，低位片DOWN输入秒脉冲信号，高低位片的DCBA输入分别为时间设置电路的从左至右的八个Y输出端。

高低位片的输出QA QB QC QD全部相或 ，作为高低片的置数信号控制电路的时钟信号。当计数器倒计时为0000 0001时，当下一个低位片的脉冲上升沿来临时，输出信号变为0000 0000时，反馈置数信号（八个输出相或）变为0，产生一个下降沿脉冲，使控制器状态发生改变，这是置数信号仍然为0实现置数。当置数完成后置数信号才变为1，然后开始正常倒计数。

6

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

2.5显示输出电路

主次显示电路各用两片如上所示的显示器，其输入直接与74192芯片的输出QD QC QB QA相连接。

图（9） 显示器

7

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

2.6红黄绿灯控制电路

由于控制器的状态为00-01-10-00循环，所以对于主道路来说当为状态为00时计数器倒计时60秒绿灯亮，状态为01时计数器倒计时5秒黄灯亮，状态为10时计数器倒计时25秒红灯亮。用三个与门即可实现， Q0’Q1’,Q0Q1’,QO’Q1,控制红黄绿三个指示灯。当计数器计数到0000 0000时产生控制电路的下降时钟脉冲信号，继而使控制器的状态发生改变，即在00-01-10-00这三种状态之间循环，利用这三种状态的循环来设计红黄绿灯的控制电路。为了增强电路的扩展功能，可以在计数器的置数信号和控制开关相与来控制两个触发器的时钟脉冲信号，因此当将主道的开关A掷0，打开秒脉冲发生器。然后将开关掷1即可开始计数，若需要控制从那种颜色的灯先开始计时，先将开关置1然后置0，即可产生一个下降沿脉冲，同时也是一个置数信号。可以置数为控制器控制的下一状态

8

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

2.7 总电路原理图

图（10）总体电路图

9

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

3 电路的性能测试与仿真

3.1 软件介绍

按照从局部到整体、由简单到复杂的顺序，分级调试。调试软件使用Mutisim。 Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图 的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

图（11）Multsime的界面

10

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

3.2功能的调试

3.2.1时间显示的调试

调试之初，高位片的借位信号作为计数器的置数控制信号在调试过程中存在00这种输出状态，这样就会导致红黄绿灯亮的时间分别为60-00，05-00,25-00。这样每种灯亮的时间就会增加一秒成为61秒，6秒，26秒。这样就不符合题目要求的时序。所以需要想办法消除00这种状态。后来想到0000 0000这种状态来作为计数器的置数信号，同时这样就会要求除0000 0000这种状态，其他状态时计数器都能正常倒计数。所以考虑到将计数器的八个输出端相或作为置数信号。这个时候也恰好产生一个下降沿来使控制电路输出状态转化，进而使预置数电路的输出变化，然后输入到计数器，这样刚刚好能达到效果。虽然用到了两个四输入与门和一个二输入与门，但是能有效地消除00这种状态。使得时序满足设计要求，另外计数过程也更符合实际情况。

图（12）时间计数器

11

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

3.2.2时间预置的调试

在设计之初，考虑到用尽量少的芯片作为时间的预置数电路，或者是直接用控制器的不同状态在计数器上实现预置数，但是这样需要用到比较多的逻辑门电路，是电路变得复杂，而且每次调整时间都的重新设计组合逻辑电路，比较繁琐。后来考虑到用编码器来进行时间预置。到参考了二~十进制优先编码器。其功能表如下：

图（13）二~十进制功能表

这是一种可行的时间预置电路，由于输出的有效状态是高电平，所以需在每个 出端加一个非门。由于是优先编码器，时间预置时只需要考虑优先端，其他端保持输入高电平即可，在控制电路输出一种状态对对应的置数读入时，其他状态的置数都无效。 由于控制电路的输出又00-01-10-00循环，所以考虑到用二输入的四选一选择器来进行置数，这样思路更清晰，操作起来比较方便，所以最终选择用双四选一的74253数据选择器来进行时间预置。

12

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

图（14）计数器原理图

虽然使得时间预置数的芯片由四片变为了最终的八片，但这样更直观，所需要预置的数直接译为二进制码，然后分别在各74253芯片的C0,C1,C2端输入即可。比如要把时间设置为60,5,25。只需将八个C0端设为0110 0000，八个C1端设置为0000 0101，八个C2端设为0010 0101。

13

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

3.2.3扩展功能的调试

在设计的电路能完成任务要求后，我考虑通过对电路的局部修改来实现扩展功能。为了增强电路的扩展功能，可以在计数器的置数信号和控制开关相与来控制两个触发器的时钟脉冲信号，因此当将主道的开关A掷0，打开秒脉冲发生器。然后将开关掷1即可开始计数，若需要控制从那种颜色的灯先开始计时，先将开关置1然后置0，即可产生一个下降沿脉冲，同时也是一个置数信号。可以置数为控制器控制的下一状态。 虽然很好的实现了扩展功能，使得任务的所有要求都能很好的实现。但是在这个时候我产生了一个疑问。这是一个关于时间延迟的问题。在计数器的输出变为0000 0000的瞬间，置数信号变为低电平，同时控制器产生下降脉冲，使得其状态发生改变，我觉得置数信号没有通过组合逻辑电路，应先于控制器状态改变发生置数。比如，控制器输出为00时，时间预置为60。当计数器的输出产生置数信号时，由于时间延迟，这一瞬间，时间预置电路应该没有选择到05。所以，时间预置应该还是60。这种疑问并不是没有意义，如果是在做电路实物时出现这用延迟，肯定就不能到达在电脑上仿真时的效果。后来想到，假设真是预置时间还是60不变，在置数完成之前，指数信号输出仍然是0，此时计数器仍然处与置数状态，这是时间预置电路应经变为了下一个状态05，然后计数器就置数为05，所以最终置数后输出会是下一个状态05，置数信号变为1，计数器开始正常工作。

在电路调试过程中很多时候都会遇到这种临界状态的时序问题，各种电路变化的先后问题，分析好这些情况才能更好的了解电路，对错误进行有针对性的迅速的调整，设计出比较好的电路。

14

武汉理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

3.3总体电路的调试

将主道的开关A掷0，打开秒脉冲发生器。然后将开关掷1即可开始计数，若需要控制从那种颜色的灯先开始计时，先将开关置1然后置0，即可产生一个下降沿脉冲，同时也是一个置数信号。可以置数为控制器控制的下一状态。次道亦同。 该电路测试过程过:

主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置； 主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整； 满足任务的要求

图（15）时序图

用Multisim中绘制计时系统的电路图，观察两只译码显示器的变化。初始显示主干道绿灯亮（60s），从道路红灯亮(65s)情况。

15

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q11p.html