數(shù)電實習報告——交通燈控制器綜述

1、數(shù)字電路課程設(shè)計報告書- 交通燈控制器院 系 名 稱 ：計算機學院學 生 姓 名 ：李麗實 習 時 間 ：2012年 6月 4日至 2012年 6月 15日交通燈控制器的設(shè)計一、 交通燈的功能概述在每個交通十字路口都設(shè)有一個交通燈 ,來控制車輛的通行 , 主干道通行時間 30S（即主干的綠燈亮 30S,次干道的紅燈 30s）, 黃燈 5s，車輛停止時間 20s（ 即主 干道紅燈 20s，次干道的綠燈 20s） 。實驗要求一個主干道和支干道所組成的路口，每邊都設(shè)置紅、綠、黃 三個交通燈， 主干道車通行 30 秒，支干道車通行 20 秒。為了確保十字路口的車輛順利暢通地行駛， 往往都采用自動控制的

2、交通信號 燈來進行指揮。其中紅燈（ R）亮，表示該條道路禁止通行；黃燈（ Y）亮表示停 車；綠燈（ G）亮表示允許通行。通過設(shè)計數(shù)字邏輯電路， 在面包板上模擬交通燈信號控制系統(tǒng)。 要求分主干 道和支干道，每條道上安裝紅（主： R,支：r）綠（主： G，支： g）黃（主： Y， 支： y）三種顏色燈，由四種狀態(tài)自動循環(huán)構(gòu)成（ Gr Yr Rg Ry）。在交通燈處在不同的狀態(tài)時， 設(shè)計以倒計時方式顯示的計時器實現(xiàn)倒計時功 能提示，并要求不同狀態(tài)歷時分別為： Gr:30 秒， Rg:20 秒， Yr,Ry:5 秒。三 、使用元件序號器件名稱數(shù)量174LS1613274LS482374LS139147

3、4LS043574LS001655517數(shù)碼管28電阻59電容2附加： 工具：鑷子，鉗子各一個； 數(shù)字萬用表一臺，若干導線四 、總體方案（1）. 設(shè)計原理因為主干道和支干道的紅，黃，綠有以下幾種情況：序號主干道支干道1紅紅2紅黃3紅綠4黃紅5黃黃6黃綠7綠紅8綠黃9綠綠真值表如下：狀態(tài)（X3X2X1X0）東西方向南北方向數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)（DCBA）紅R黃Y綠G紅r黃y綠g0（0000）0011005（0101）1 （ 0001）0011004 （ 0100）2 （ 0010）0011003 （ 0011）3 （ 0011）0011002 （ 0010）4 （ 0100）0011001（ 0001

4、 ）5 （ 0101）0011000 （ 0000）6 （ 0110）0101001 （ 0001）7 （ 0111）0101000 （ 0000）8 （ 1000）1000015（0101）9 （ 1001）1000014 （ 0100）10 （ 1010）1000013 （ 0011）11 （ 1011）1000012 （ 0010）12 （ 1100）1000011（ 0001 ）13 （ 1101）1000010 （ 0000）14 （ 1110）1000101 （ 0001）15 （ 1111）1000100 （ 0000）但是根據(jù)交通燈控制的要求，只有以下四種情況可能出現(xiàn)：狀態(tài)主干

5、道支干道狀態(tài) 1（ 00）綠紅狀態(tài) 2（ 01）黃紅狀態(tài) 3（ 11）紅綠狀態(tài) 4（ 10）紅黃系統(tǒng)框圖（ 2）. 實現(xiàn)方案的選擇1. 方案一實驗原理： 通過一個驅(qū)動三個計時電路。 這時譯碼電路和數(shù)碼管只有一個對應的 同步顯示計時內(nèi)容。 當這個時間段計完后， 給狀態(tài)控制電路輸出脈沖。 這時狀態(tài) 向后變化一個。 同時又通過控制器的輸出端控制紅綠燈電路， 又根據(jù)狀態(tài)確定那 個計時器工作。這樣就完成了一個計數(shù)單元的工作周期。方案總結(jié) ：優(yōu)點就是原理上易于實現(xiàn)， 因為計數(shù)器分為三個， 在原理邏輯上 更直接。但缺點也很明顯， 就是浪費了大量的元器件， 來重復實現(xiàn)一個模塊的功能，這是一種浪費。在工程上是絕

6、不允許的，而且，元器件多了，連接電路時易 發(fā)生錯誤。2. 方案二秒脈沖提供電源讓計時器工作。 計時器的作用是實現(xiàn) 30秒、20秒、5 秒等 三個計時， 同時用譯碼器和數(shù)碼管組成的顯示電路來顯示時間。 在計完一個時段 后計時器發(fā)出一個脈沖，驅(qū)動狀態(tài)控制電路，使之狀態(tài)發(fā)生改變。進而紅、綠、 黃燈亮暗改變，又完成了對計數(shù)器的置數(shù)。從而進行 30 秒、20 秒、5 秒的自動 切換。到此一個工作狀態(tài)結(jié)束，進入下一個狀態(tài)。方案總結(jié) ：這是對方案一的優(yōu)化，把三個計數(shù)器和而為一，換句話說就是 用一個計數(shù)器實現(xiàn)三個計數(shù)功能。 這是利用置數(shù)智能的對電路進行計數(shù)選擇。 這 樣做的好處就是能更好地利用原有電路的元器件

7、和設(shè)計模塊，使系統(tǒng)高度集成 化。如此既能節(jié)約成本，又可降低連接時的錯誤概率。在置數(shù)方面是利用燈的亮暗，會更直接。這完全符合設(shè)計思想和工程的設(shè) 計原則，所以我選擇這種方案。3. 方案三還有一種方案就是利用循環(huán)一個周期的時間。 如本實驗是 60 秒，做一個計數(shù)器， 把它截成四個時間段： 30秒、 20秒和兩個 5 秒。這樣在整個周期上單獨的分離 每個狀態(tài)所需的時間、狀態(tài)以及紅綠燈的變化，進而完成一個周期而循環(huán)工作。方案總結(jié) ：這種方案雖然原理上更簡單，但是在實現(xiàn)起來會使用很多的器 件。因為在整個時間段上截取， 就必須加上狀態(tài)判斷部分。 所以這種方案就沒有 過多的考慮。五 、單元電路設(shè)計時鐘信號發(fā)生

8、器產(chǎn)生一個 CP脈沖，計數(shù)器 74161 接受 CP脈沖，實現(xiàn)同步計 時。兩片 74161，實現(xiàn)計數(shù)功能，并通過非門產(chǎn)生倒計時。計數(shù)器的輸入端用主 控制器實現(xiàn)其模值循環(huán)。 利用同步置數(shù)端， 當高位輸入為 1101、低位輸入為 0110 時實現(xiàn)模 30 的計數(shù)器；當高位輸入為 1111、低位輸入為 1011 時實現(xiàn)模 5 的計 數(shù)器；當高位輸入為 1110、低位輸入為 0110 時實現(xiàn)模 20的計數(shù)器。AB然后主控電路，74控制 161輸入端。當 74的輸出 Q2、Q（1 令其為“A”“B” ） 為 00 時實現(xiàn)模 30 的計數(shù)器，此時主干道的綠燈和次干道的紅燈亮起來；當為 01 時實現(xiàn)模 5

9、計數(shù)器，此時主干道的黃燈和與次干道的紅燈一起亮而主干道 的綠燈熄滅；當 AB為 10 時實現(xiàn)模 20 的計數(shù)器，此時主干道的紅燈和次干道的 綠燈亮起來；當AB為11時，實現(xiàn)模 5計數(shù)器，此時次干道的黃燈與主干道的紅 燈一起亮，而次干道的綠燈熄滅； 然后AB在回到 00狀態(tài)，這樣就實現(xiàn)了交通燈 的循環(huán)且實現(xiàn)了主次干道通車時間不同的功能。倒計時顯示：十位倒計時顯示，將 161 的輸出端通過非門接入 48，利用它 的反碼輸出在數(shù)碼管上實現(xiàn)倒計時。 再利用 74的輸出來控制 08 與門的輸入，而 08 的輸出接發(fā)光二極管，從而實現(xiàn)紅綠燈的變化。這樣便實現(xiàn)了該電路的所有 功能。各部分功能的具體說明：1.

10、 時鐘信號發(fā)生器 ：通過 555 芯片按一定的線路接上不同的電阻和電容就可產(chǎn)生周期不同的 方波脈沖，即不同的頻率脈沖。課程設(shè)計需要秒脈沖，利用2個電容， 2個電阻 ，產(chǎn)生穩(wěn)定的“秒”脈沖( f=1Hz)信號，確保整個電路裝置同步工作和實現(xiàn)定時控制。555振蕩器產(chǎn)生的矩形脈沖周期為： T = 0.7(R1+R2)C; 占空比為： q=(R1+R2)/(R1+2R2);根據(jù)這兩個公式，選用 5.1K 的 R1、150K的 R2及 4.7uF 的 C即可產(chǎn)生占空比為 50%的秒時鐘信號。2. 主控制器用 74LS74 控制紅綠黃燈的實現(xiàn)。根據(jù)計時器送來的信號，保持或改變電路 的狀態(tài)，以實現(xiàn)對主、支干

11、道車輛運行狀態(tài)的控制。Q2Q1主紅主黃主綠支紅支黃支綠(AR)(AY)(AG)(BR)(BY)(BG)00001100010101001010000111100010燈連接的電路圖如下 ：3. 計時器：設(shè)計要求對不同的狀態(tài)維持的時間不同， 而且要以十進制倒計時顯示出來。 用兩個 74LS161完成計時器狀態(tài)產(chǎn)生模塊設(shè)計。設(shè)計思路：要以十進制輸出，而又有一些狀態(tài)維持時間超過 10 秒，用兩個 74LS161 分別產(chǎn)生個位和十位的數(shù)字信號。顯然，計數(shù)器能夠完成計時功能，我們可以用 74LS161 設(shè)計，并把它的時鐘 cp 接秒脈沖。 74LS161計數(shù)器是采用加法計數(shù)，要想倒計時，則在 74LS1

12、61輸出的 信號必須經(jīng)過非門處理后才能接入數(shù)碼管的驅(qū)動74LS48，而在顯示是最好以人們習慣的數(shù)字 0-9 顯示計時，故在設(shè)計不同模值計數(shù)器確定有效狀態(tài)時，以 0000，0001，00101111 這些狀態(tài)中靠后的狀態(tài)為有效狀態(tài)。例如：有效狀態(tài) 10111100 110111101111 取非 0100 0011001000010000 即 43210實現(xiàn)模 5 的倒計時在將 74LS161改裝成其他模值時既可以采用同步清零法，也可采用異步置數(shù)法， 但 0000 不可能為有效狀態(tài)，所以采用異步置數(shù)法完成不同模值轉(zhuǎn)化的實現(xiàn)。 首先對控制個位輸出的 74LS161設(shè)計按要求對系統(tǒng)的狀態(tài)不同， 即紅

13、綠燈的狀態(tài)不同， 個位的進制也就要求不同。 用 系統(tǒng)的狀態(tài)量 Q1,Q0控制 74LS161的置數(shù)端 D0D1D2D。3當系統(tǒng)處在 Gr或 Rg狀 態(tài)時，個位的進制是十(模 10)，即逢十進一，當系統(tǒng)處在 Yr 或 Ry 狀態(tài)時，個 位的進制是五(模 5)，即逢五進一，模 10 時，有效狀態(tài)為 0110，0111，1000，1111 ，置 D3D2D1D0為 0110，模 5 時有效狀態(tài)為 1011，1100，1101，1110，1111，置 D3D2D1D為 1011，由此有，Q1Q0D3D2D1D0000110011011100110111011所以 ,D3=D0=Q0,D2=Q0,D 1

14、=1 當狀態(tài)為 1111 時， 74LS161的狀態(tài)必須跳到進入 下一個循環(huán)，此時進位輸出為 1，我們可以把它的 CO非接入置數(shù)端 LD 。再對控制十位輸出的 74LS161設(shè)計同設(shè)計控制個位輸出的 74LS161基本類似，用系統(tǒng)狀態(tài)量 Q0Q1控制十位 74LS161 的置數(shù)端 D3D2D1D。0當系統(tǒng)處于 Gr狀態(tài)時置 D3D2D1D0為 1101，當系統(tǒng)處于 Yr 或 Ry 時置 D3D2D1D0為 1111，當系統(tǒng)處于 Rg時置 D3D2D1D0為 1110，有，Q1Q0D3D2D1D0001101011111101110111111故， D3=D2=1 D1=(Q1Q0) D0=(Q

15、1Q0)同理我們將 CO2非接入置數(shù)端 LD對一些級聯(lián)的處理當計數(shù)超過 10 秒時，個位需向十位進位， 此時十位計數(shù)， 其它時間其保持不變， 當個位需進位， C01變?yōu)?1，把個位的 CO1置入十位的 CP2。即完成一次循環(huán)， 十位開始計數(shù)，其他時刻 CO1=0， CP2=0，十位保持。設(shè)計時把 CO1,CO2的分別接入主控電路的 ENT端，ENP端。當完成一次計時，個 位和十位同時完成循環(huán)，此時 CO1=CO2=1系, 統(tǒng)跳到下一個狀態(tài)，紅綠燈轉(zhuǎn)換，計時器開始下一次計時30、20、 5秒倒計時顯示電路：4. 數(shù)字顯示的實現(xiàn)通過 7448 與數(shù)碼管的連接實現(xiàn)數(shù)字顯示，原理圖如下：U3VCC5

16、V 49ABCDEFG5V E NDS E GC O MK六、總系統(tǒng)電路圖七、實驗過程的分析和總結(jié)1. 第一次畫好電路圖連接電路時，沒注意到面包板的線路是否連通，結(jié)果 連接完一個分支電路卻實現(xiàn)不了功能， 后來發(fā)現(xiàn)面包板有一處不連通， 問題解決。 而后面我每完成一個分支電路都要用萬用表測試一下該單元電路的連通性和正 確性，以免同樣的錯誤再次發(fā)生。2. 調(diào)試電路前，首先要檢查一下各個芯片和面包板是否完好。3. 在從 555接出脈沖時，發(fā)現(xiàn)顯示燈一直在亮，也就是電路并不像原來預 計的那樣產(chǎn)生秒脈沖， 多次檢查電路， 并沒發(fā)現(xiàn)錯誤。 老師說在二極管前面加個 電阻, 然后那個二極管就開始閃爍了 .4. 當把燈的部分接上后， 發(fā)現(xiàn)顯示不正常。 數(shù)碼管有一個小部分不亮 ,檢查了幾遍原來是數(shù)碼管與 161 有一個管腳連錯了北京郵電學院出版社 機械工業(yè)出版社 機械工業(yè)出版社 科學技術(shù)出版社 高等教育出版社八、參考文獻。1高書莉 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)字電路課程設(shè)計指南2畢滿清 電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計3陳汝全 電子技術(shù)常用器件應用手冊4高海生 最新電子元氣件應用手冊5王毓銀 數(shù)字電路邏輯設(shè)計西安郵電大學 數(shù)字邏輯課程設(shè)計 過程考核及成績鑒