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哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）HHaarrbbiinnIInnssttiittuutteeooffTTeecchhnnoollooggyy数数字字电电子子技技术术基基础础课课程程设设计计课程名称：数字电子技术基础设计题目：十字路口交通灯控制院系：航天学院自动化专业班级：设计者：学号：指导教师：于泳设计时间：2015.12.25—2015.12.31哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）十字路口交通灯控制电路摘要：交通信号灯常用于十字路口，用来控制车辆的流量，提高交叉路口车辆的通行能力，减少交通事故。本交通灯设计主要由秒脉冲发生器、倒时器、状态机、译码显示电路组成。秒脉冲发生器由NE555产生脉冲，倒时器由74LS192实现，状态机由74LS153和74LS74组成，译码显示电路采用74LS48和共阴极七段数码管来显示。状态机74LS74（01QQ）对信号灯进行控制，从而显示红黄绿灯的转换。关键字：交通灯状态机秒脉冲发生器倒时器译码器1、设计目的（1）、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；2、设计方案交通灯控制系统主要由秒脉冲信号发生器、倒时器、译码显示电路和状态机等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中倒时器的标准时钟信号源，译码器输出两组数码管的控制信号，经驱动电路后驱动数码管工作，倒时器是系统的主要部分。ST：表示倒时器到了规定的时间后，状态机转换下一个状态。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。（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20s时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态（2）。（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，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态（3）。（3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。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20s时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态（4）。（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。交通灯以上4种工作状态的转换是由状态机进行控制的。设状态机的四种状态编码为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、2所示，状态机应送出甲、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：哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）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，乙车道通行S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，乙车道缓行AG=1甲车道绿灯亮甲车道通行BG=1乙车道绿灯亮乙车道通行AY=1甲车道黄灯亮甲车道缓行BY=1乙车道黄灯亮乙车道缓行AR=1甲车道红灯亮甲车道禁止通行BY=1乙车道红灯亮乙车道禁止通行3.单元电路的设计3.1秒脉冲发生器秒脉冲发生器由基于NE555的多谐振荡器组成，其中1R=55K、2R=47K,1C=10uF的电阻电容值决定了脉冲宽度。既T=0.7(1R+22R)1C=1s，其中2C=10nF是为了保持输出的波形的稳定（OUT端即为输出的CLK时钟信号）。3.2倒时器倒时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器74LS192构成，要求计数器在初始上电时为0000，产生置数信号，首先置数25，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从25开始进行减1计数，当减到6时，ST由高电平变为低电平，当变为5时，ST由低电平变为高电平，产生一哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）个上升沿，使状态机转到下一状态。当减到0时，再次产生置数信号，置数25，当置数25完成后，ST由低电平变为高电平，产生上升沿，使状态机转到下一状态。计数器选用集成电路74LS192进行设计较简便。电路图如下（原件U19只有在计数器减到0时产生低电平，原件U21只有在计数器置数为25时产生低电平，原件U12与门发出的信号即为ST信号，原件U27或门发出的信号即为置数信号，由于置数信号必须首先是低电平，再来一个高电平才能置数成功，因此让U19的信号与CLK时钟信号经过或运算后产生置数信号。）。3.3状态机状态机是交通管理的核心，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。选用两个D触发器74LS74做为时序寄存器产生4种状态，状态机状态转换的条件为ST产生上升沿，当状态机处于01QQ＝00状态时，如果ST＝1或0，则状态机保持在00状态；如果ST由低电平变为高电平，则状态机转换到01QQ＝01状态。当状态机处于01QQ＝01状态时，如果ST＝1或0，则状态机保持在01状态；如果ST由低电平变为高电平，则状态机转换到01QQ＝10状态。当状态机处于01QQ＝10状态时，如果ST＝1或0，则状态机保持在10状态；如果ST由低电平变为高电平，则状态机转换到01QQ＝11状态。当状态机处于01QQ＝11状态时，如果ST＝1或0，则状态机保持在11状态；如果ST由低电平变为高电平，则状态机转换到01QQ＝00状态。根据以上结果，选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现状态机的功能。原理图如下（其中U6B是高位片产生1Q，U6A是低位片产生0Q，U6A和U6B的时钟端接ST信号）。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）3.4信号灯控制电路状态机状态编码与信号灯关系表Q1Q0AG绿灯AY黄灯AR红灯BG绿灯BY黄灯BR红灯00100001010100011000110011001010AR=1QAG=1Q0QAY=1Q0QBR=1QBG=1Q0QBY=1Q0Q哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）原理图如下（上面三个灯对应着甲车道的红灯、绿灯与黄灯，下面三个灯对应着乙车道的红灯、绿灯与黄灯）。3.5显示部分显示部分由74LS48和共阴极七段数码管组成，74LS48作为译码器，对74LS192的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出74LS192的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计如下图。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）3.6整体原理图整个系统的原理图如下。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）4、系统仿真（1）当计数器第一次置数为25时，01QQ=00，此时，甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）（2）当计数器减数到5时，01QQ=01，此时，甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）（3）当计数器减到0并第二次置数为25时，01QQ=10，此时，甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）（4）当计数器第二次减数到5时，01QQ=11，此时，甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）5、遇到的问题和解决方案在整个设计过程中，我也碰到了很多问题，大部分都是自己对于芯片不了解造成的，也有一些是设计问题。（1）数码管显示混乱解决方法：经过认真检查我发现由于串联电阻与数码管距离太近，导致数码管的几个管脚没有与电阻相连，导致这几个数码段无法显示。（2）74LS192无法计数解决方法：刚开始使用74LS192时，芯片无法计数，数码管一直显示00，经过一遍遍检查与测试，我发现原来是74LS192的UP端悬空导致芯片无法工作，由于我没有用到加计数，所以刚开始我没有接UP端，后来查阅资料和不断测试发现，UP端必须接高电平，74LS192芯片才能工作。（3）当减到0时，无法置数25解决方法：每当计数器减到0时，计数器就会停在0不再置数，经过一次次检查，我发现问题出在置数端LOAD，开始时我以为置数端只要给个低电平就可以完成置数。经过上网查资料，我发现，置数端完成置数还需要一个高电平，也就是说，在给置数端一个低电平时，芯片开始置数，只要等到再来一个高电平，芯片才会完成置数，否则芯片会一直停在0。在了解了问题原因后，我把原置数信号与时钟信号CLK或运算后再连到LOAD端，利用CLK产生高电平，这样置数功能终于可以正常工作了。6、心得体会刚开始拿到课程设计的时候，不知道怎么去做,因为我没有用芯片设计电路的经验。经过在网上查阅资料，我选择了交通灯的项目，因为这个项目用的芯片比较多，基本涵盖了我们书里讲到的一些主要芯片，我也想借着这个机会复习一下以前学的知识。尽管网上有一些参考电路，但真正自己设计的时候，我感觉还是碰到很多困难，自己对各种芯片都不是很了解，有时候一个疏忽就把电路连错了。这也让我感到书本的知识与真正实践有很大区别，尽管只是在mutism软件中进行原理图设计和仿真，但还是碰到很多问题，如果真正在实际中搭电路、调试、改进，肯定更加困难。在设计中我体会到了细心与耐心的重要性，比如我在使用74LS192芯片时，遇到很多问题，遇到问题时，首先要做的就是静一静，从头想一下，问题可能出在哪？然后使用示波器、信号发生器等器件检查各个可能出现问题的地方，只有一遍遍细心检查，才能发现问题所在。同时还需要学会利用网络进行学习，有时候上网查一下，可能别人已经碰到同类问题并且已经解决了，那么就可以节省大量时间。设计过程是一个循序渐进的过程，只有从前到后依次调试成功，才能得到最终想要的结果。不能心急，问题需要依次解决。比如刚开始时，我使用74LS160设计的交通灯，虽然没有倒计时功能，但是74LS160比较简单，设计比较容易，在使用74LS160设计完成，其他功能都已经没有问题后，我又使用74LS192完成了倒计时功能。这样也比较容易实现。通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。虽然花了很多的时间，但学到了很多课本上学不到的东西。最后谢谢于老师一学期的辛苦教导，使我学到了很多有趣、有用的知识！