交通灯优秀课程设计.doc

数字逻辑课程设计汇报

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一、设计题目
交通灯控制器
二、设计要求
1．东西方向为主干道，南北方向为副干道；
2．主干道通行40秒后，若副干道无车，仍主干道通行，不然转换；
4．换向时要有4秒黄灯期；
5．南北通行时间为20秒，到时间则转换，若未到时，不过南北方向已经无车，也要转换。
6．附加：用数码管显示计时。
三、设计过程
1．交通控制灯总体设计方案
整个交通控制灯电路能够用主控电路控制交通灯电路亮灯次序，用计数器控制亮灯时间并给译码器输入信号方便数码管显示时间，用函数发生器产生频率为1Hz矩形波信号以供计数器计数。框图以下：

显示器 主干道
信号灯
计数器 主控电路 信号灯
副干道
单位脉冲 信号灯

十字路口车辆运行情况只有4种可能（在副干道有车时）：
(1)设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，连续时间为40s。
(2)40s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，连续时间为4s。
(3)4s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，连续时间为20s。
(4)20s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，连续时间为4s。4s后又回到第一个情况，如此循环反复。
所以，要求主控制电路也有4种状态，设这4种状态依次为：S0、S1、S2、S3。即：
主干道绿灯亮，副干道红灯亮计数器由0到40递增计数（S0）

40S后副干道无车

主干道黄灯亮，支干道红灯亮计数器由0到5递增计数(S1)

40S后副干道有车

未过20s但副干道已无车
20S后副干道有车
主干道红灯亮，支干道黄灯亮计数器由0到4递增计数(S3)

主干道红灯亮，支干道绿灯亮计数器由0到20递增计数(S2)

状态转换图以下：
副干道无车

20s未到，
但已无车
S0
S1
S2
S3
40s后
4s后
20s后
4s后
状态转换图

这四个状态能够用用一个4进制异步清零计数器(74LS160)进行控制并作为主控部分，控制亮灯次序。再用两片计数器(74LS160)控制亮灯时间，分别计数40、20、4。
2．主控电路

主控电路是由一块74LS160接成4进制计数器，即当QC为1时用异步清零法立即将计数器清为零，同时，另外两片74LS160计数器产生清零信号和主控电路计数器计数CLK连接，即当计数器一次计数完成后（一个状态亮灯时间过后），计数器清零，同时主控电路CLK接收一个脉冲，跳至下一状态。如此循环变可实现四个状态轮番转换。
3．计数器
计数器作用：一是依据主干道和副干道车辆运行时间和黄灯切换时间要求，进行40s、20s、4s 3种方法计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器依据状态转换信号进行状态转换。
计数器除需要单位脉冲作时钟信号外，还应受主控制器状态控制。计数器工作情况为：计数器在主控制器进入状态S0时开始40s计数；若在S0状态40s过后，副干道没有车，则使主控制器一直清零，保持在S0状态（单刀双掷开关处于高电平），继续保持主干道路灯亮，副干道红灯亮。40s后假如副干道有车，则恢复主控制器正常状态（单刀双掷开关处于低电平），计数器产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S1，计数器开始4s计数，4s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S2，计数器开始20s计数；假如副干道一直有车则20s后也产生归零脉冲，使主控制器进入S3状态，假如在20s内没有车，则给主控制器传送一个脉冲信号（即按下按键开关，此时单刀双掷开关处于低电平），使主控制器直接跳到S3状态，同时计数器清零，计数器又开始4s计数；4s后一样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态S0，开始新一轮循环。
依据以上分析，设40s、4s 、20s、4s计数清零信号分别为A、B、C，D，S0状态时副干道有车信号为P，S2状态时副干道有车信号为Q，则计数器归零信号S为： S=A+B+C+D+Q
A=··（Q2高位）
B=··(Q1高位)
C=··(Q2低位)
D=··(Q2低位)
Q=1
主控制器归零信号为： P=··1
电路图以下：

4．灯控电路
主控制器4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯亮和灭。设灯亮为1，灯灭为0，则交通控制灯译码电路真值表以下：
交通控制灯译码电路真值表
主控制器状态
主干道
支干道
X1 X0
红灯R 黄灯Y 绿灯G
红灯R1 黄灯Y1 绿灯G1
S0 0 0
S1 0 1
S2 1 0
S3 1 1
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
0 0 1
0 1 0

由真值表可写出六盏等逻辑式,经化简获六盏灯逻辑式为：

依据灯控函数逻辑表示式,可画出由和门和非门组成状态译码器电路,图所表示。将状态控制器，和三色信号灯相连接，组成三色信号灯逻辑控制电路，图所表示：

5．交通控制灯原理图

元件清单为：

元件名称
元件个数
备注
计数器74LS160
3块
CLK低电平有效
和门
10块

和非门
1块

非门
6块

或非门
2块

按键开关
1个
按下自动弹回
单刀双掷开关
1个

7段数码管
2块
自带译码器
函数发生器
1块
频率调至1Hz
交通灯
6个
红、绿、黄灯各2个

6．74LS160功效介绍
Ø CLR是清零端，低电平有效；
Ø CLK是脉冲输入端口，低电平有效；（通常情况下CLK为高电平有效，此次试验CLK是低电平有效，设计电路要尤其注意）
Ø ABCD数据输入端；
Ø LOAD为预置端，低电平有效；
Ø QaQbQcQd数据输出端；
Ø ENP，ENT使能控制端；
Ø RCO为进位输出端。

74LS160芯片是一个含有清零、置数、保持、十进制计数等功效计数器。其引脚图以下：

74LS160真值表

清零
预置
使能
时钟
预置数据输入
输出
工作模式
RD
LD
EP ET
CP
D3 D2 D1 D0
Q3 Q2 Q1 Q0
0
1
1
1
1
×
0
1
1
1
× ×
× ×
0 ×
× 0
1 1
×
↑
×
×
↑
× × × ×
d3 d2 d1 d0
× × × ×
× × × ×
× × × ×
0 0 0 0
d3 d2 d1 d0
保 持
保 持
十进制计数
异步清零
同时置数
数据保持
数据保持
加法计数

四、设计结论
1．数码管时序图

上图是0-18s时序图，0-10s内，低位从0变到9，高位为0，当低位从9变为0时，高位从0变为1，低位继续计数至输出39。

2．主控制器时序图

当高位计数至3、低位计数至9，即过了40s，S0状态结束，主控制器由00变为01，同时高位和低位同时清零，进入状态S1计数，4s后，主控制器由01变为10，进入状态S2，同时高位和低位同时清零，进行20s计数，以后进入S3状态，最终再回到S0状态，如此循环。

3．交通灯时序图

当40s时，主控制器由00变为01，则主干道绿灯灭，副干道不变，在主控制器为014s内，主干道黄灯一直亮，4s后，主干道黄灯灭，红灯亮，副干道由红灯变为绿灯，进入S2状态；S2状态结束时已经是总第64s，进入S3时，主干道维持不变，副干道绿灯灭，黄灯亮，由S3进入S0时，主干道红灯灭，绿灯亮，副干道黄灯灭，红灯亮，然后反复。
4．特殊情况（副干道无车）时序图

当主干道通行时，40s后副干道无车，则将单刀双掷开关拨至高电平(图中双掷开关一直处于高电平)，由上图能够看到40s后主控制器仍处于S0状态，两个数码管归零，重新计数。
脉冲

当单刀双掷开关拨至低电平，在S2状态内（总第44-64s内），若副干道无车，则按下按键开关，给一个脉冲（因为时间极短，原图中未能显示，上图中脉冲式加上去，便于观察），则主控制器直接跳入S2状态，同时译码管归零，重新开始S2状态计数。
5．结果分析
经过以上分析，交通控制灯要求全部实现。
6．设计中碰到问题
（1）交通74LS160CLK 是低电平有效，设计时候应尤其注意；
（2）刚开始设计时，把低位74LS160RCO经过反相器连到高位CLK上，结果发觉当低位数码管显示9时，高位已经变成1，后改成现在连接方法，即并行级联方法。
（3）刚开始总设计思绪总想不出来，以后经过翻阅相关书籍和上网查询，最终确定了试验总体思绪；
（4）试验中CLK产生本应使用555定时器，但没有调出来，因为电子试验课上使用是1Hz函数发生器产生脉冲，故本试验也采取这种方法。
7．设计心得和体会
此次试验采取multisim搭建电路，最终仿真成功。设计过程中出现了不少问题，因为根本就不知道从哪里入手，即使书本上有很多理论知识，但仅仅有理论指导而没有实践能力是不行，自己动手能力差，对所学知识了解和灵活利用能力还远远不够，即使最终处理了全部问题，但自己不足也显现了出来。经过这次试验，我认识到了自己在学习上暴露出来问题，知道了对知识了解不能仅仅停留在书本上，还要在实践中检验，相信经过以后学习，自己会不停提升自己实践能力。