数字电子技术：交通灯控制电路设计

课程设计报告课程名称：数字电子技术设计题目：交通灯控制电路设计院系：班级：设计者：学号：指导教师：数字电子技术课程设计1目录一、设计目的..............................................................2二、设计要求和设计指标....................................................2三、设计内容..............................................................23.1总体设计..........................................................23.1.1交通灯控制的实现.............................................23.1.2总原理图.....................................................43.2单元电路的设计....................................................53.2.1秒脉冲发生器.................................................53.2.2定时器.......................................................53.2.3译码电路.....................................................63.2.4控制器.......................................................73.2.5显示部分.....................................................93.3仿真结果与分析...................................................10四、总结.................................................................10五、主要参考文献.........................................................11数字电子技术课程设计2交通灯控制电路设计一、设计目的由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁行线内。实现红、绿灯的自动指挥对城市交通管理现代化有着重要的意义。二、设计要求和设计指标（1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。（2）当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。（3）主支干道交替允许通行，主干道每次放行30s、支干道20s。设计30s和20s计时显示电路。（4）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s的黄灯作为过渡，设置5s计时显示电路。三、设计内容3.1总体设计3.1.1交通灯控制的实现交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制区是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。数字电子技术课程设计3图1系统的原理框图设控制器的初始状态为S0，当S0的持续时间小于25秒时，TL=0,控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号，并转换到下一个工作状态。如图2所示：图2交通灯的ASM图TLAGBRSTSTAYBRTYARBYTYSTSTAGBRTL秒脉冲发生器定时器控制器译码器甲车道信号灯乙车道信号灯数字电子技术课程设计43.1.2总原理图图3总原理图A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U174LS48A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U274LS48D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO15ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1U374LS160D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO15ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1U474LS160+5V123U5:A74LS00121312U6:A74LS10+5V+5V12U7:A74LS0434U7:B74LS0456U7:C74LS041X061Y71X151X241X332X0102Y92X1112X2122X313A14B21E12E15U874LS1531X061Y71X151X241X332X0102Y92X1112X2122X313A14B21E12E15U974LS153+5VD2Q5CLK3Q6S4R1U10:A74LS74D12Q9CLK11Q8S10R13U10:B74LS74123U11:A74LS08456U11:B74LS089108U11:C74LS08121311U11:D74LS08R1200C110nF+5V+5V+5VR2200R3200R4200R5200R6200R7200D1LED-REDD2LED-REDD3LED-GREEND4LED-GREEND5LED-YELLOWD6LED-YELLOWR4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U12NE555+5VC20.01uFC310uFR868kR915k?ABCDRSTCLKCE数字电子技术课程设计53.2单元电路的设计3.2.1脉冲信号发生器脉冲信号发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R8、R9、C3的电阻电容值决定了脉冲宽度。既T=(R8+2R9)C2ln2当T=1S，即可凑出R8、R9、C3其中C3=0.01uF是为了保持输出的波形的稳定。如图4所示，R9、C3组成一个串联RC充放电电路，在NE555的7脚上输出一个方波信号，C3上得到一个三角波，此三角波送到NE555的2脚输入端，由NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U12NE555+5VC20.01uFC310uFR868kR915k图4脉冲信号发生器原理图3.2.2定时器定时器由与系统脉冲信号（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。计数器选用集成电路74LS160进行设计。74LS160是十进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。设计图如图5所示：数字电子技术课程设计6A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U274LS48D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO15ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1U474LS160+5V123U5:A74LS00121312U6:A74LS10+5V12U7:A74LS0434U7:B74LS0456U7:C74LS04+5V图5交通灯定时器其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CLK分别送给两个74LS160的清零端9处。如图所示：输入端4，4，5，6分别接地。U1的7和10由U2的11、14经过与门相与后相连。即：只有当时11、14处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲。当U13C74LS04的ST信号分别送给U1和U2的LOAD。就可以得到TY和TY非是秒脉冲的5倍：TL和TL非的结果是秒脉冲的25倍。3.2.3译码电路译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，翻译成车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表1所示。表1控制器状态编码与信号灯关系表数字电子技术课程设计7Q1Q0AG绿灯AY黄灯AR红灯BG绿灯BY黄灯BR红灯00100001010100011000110011001010由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CLK脉冲，一部分送给了定时器的74LS160芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST同时加到定时器74LS160芯片的情况下，通过芯片74LS10将会输出TY、TY非。即TY和TY非放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和TL非放大的结果是秒脉冲的25倍。前者输出的信号是后者的1/5。将定时器输出的TY、TY非、TL、TL非分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片74LS08组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。电路设计如图6：123U11:A74LS08456U11:B74LS089108U11:C74LS08121311U11:D74LS08R1200R3200R4200R5200R6200R7200D1LED-REDD2LED-REDD3LED-GREEND4LED-GREEND5LED-YELLOWD6LED-YELLOW图6译码器部分原理图3.2.4控制器控制器是交通管理的核心，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。列出控制器的状态转换表，如表2所示。选用两个D触发器74LS74作为时序寄存数字电子技术课程设计8器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1=00状态时，如果TL=0，则控制器保持在00状态；否则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项“X”表示。其余情况依次类推，就可以列出了状态转换信号ST。表2控制器状态转换表输入输出现态状态转换条件次态状态转换信号Q1nQ0nTLTYQ1n+1Q0n+1ST00000101111110100X1XX0X10X1XX0X1000101111110100001010101根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中“1”用原变量表示，“0”用反变量表示，然后将各与项相或。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，即可实现控制器的功能。控制器原理图如图7所示。图中R、C构成上电复位电路。由两个双多路转换器74LS153和一个双D触发器74LS74组成控制器。触发器记录4种状态，多路转换器与触发器配合实现4重状态的相互交换。数字电子技术课程设计91X061Y71X151X241X332X0102Y92X1112X2122X313A14B21E12E15U874LS1531X061Y71X151X241X332X0102Y92X1112X2122X313A14B21E12E15U974LS153+5VD2Q5CLK3Q6S4R1U10:A74LS74D12Q9CLK11Q8S10R13U10:B74LS74C110nF+5V+5V+5VR2200图7交通灯控制器其原理为：CLK分别送给U6A和U6B的3和11的清零端。将TY接入U4的5和U5的4和5；TY非接入U4的4。如上图所示：74LS74两个D触发器作为时序寄存器产生4种状态。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的数据选择端作为控制信