数电课程设计——简易交通灯控制逻辑电路.docx

课程设计说明书

课程名称： 数字电子技术课程设计

题 目： 简易交通灯控制逻辑电路

学生姓名： 陈卓斌
专 业： ____________
班 级： ____________
学 号： ____________
指导教师： ____________
日 期： 2011 年 01 月 09 日

课 程 设 计 任 务 书

一、 设计题目
简易交通灯控制逻辑电路设计

二、 主要内容及要求
要求实现逻辑功能：
1、东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s。
2、东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s。
3、南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l0s。
4、如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。

三、 进度安排
1、2011.01.01-2011.01.07 复习归纳触发器、计数器的逻辑功能
2、2011.01.08 查找常用器件的资料，包括：
型号
中文名称
英文名称
7473
双j-k触发器(带清除端)
Dual JK FF(Clr)
7474
正沿触发双d型触发器(带预置端和清除端)
Dual D-type FF(pre,clr)
74138
3-8线译码器/多路转换器
3-To-8-Line Demultiplexer
74153
双4选1数据选择器/多路选择器
Dual 4-to-1 Data Sel/MUX
74192
同步可逆计数器(bcd,二进制)
Synchronous Up/Down Counter
3、2011.01.09 使用EWB5.12辅助设计电路，并进行调试。完成任务设计书。

四、 总评成绩

简易交通灯控制逻辑电路设计

一、设计任务与要求
要求实现逻辑功能，在1-3状态循环。
1、东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s；
2、东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s；
3、南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l0s；
4、如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。

二、方案设计与论证
1、分解任务要求
任务要求实际上就是4个状态，不妨设：
S1、东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s；
S2、东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s；
S3、南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l0s；
S4、如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。
【表1】
主电路状态与指示灯状态转换
主电路
状态
S1R
S1G
S2Y
S3R
S3G
S1
1
1

S2

1

S3

1
1
S4
1

1

灯数
南北R＝2
东西G＝2
东南西北Y＝4
东西R＝2
南北G＝2
注:R，G，B＝红，绿，黄灯。

根据【表1】可知，设计电路只需要5组输出端控制指示灯，指示灯都是以2个或4个一组。总计需要个灯。
2、输出指示灯状态设计（显示电路）
【图1】

显示电路设计▲
3、主电路设计
①、主电路实现S1→S2→S3状态的转换，
↑ ↓
②、另外可以在任何一个状态进入S4，并能恢复正常工作状态。
实现①、②可以用触发器，也可以用锁存器或使能电路。
③、实现S1＝15S，S2＝5S，S3＝10S
方案一
①、S1-S3使用2个SR锁存器，设置00，01，10三个状态。
②、S4使用触发器，当出现紧急情况，触发器由“0”进入S4状态“1”后，在解除紧急时，恢复“0”，进入S1状态。
③、使用4个JK触发器，实现16位计数。
方案二
①、S1-S3使用2个7473替代的T触发器。
【图2】

1个7473替代的T触发器▲
JK触发器包含SR触发器和T触发器的功能，J=K=T，则得到T触发器。
②、S4使用或门、非门实现，从【表1】可知：

(不能出现红绿同时亮的情况)
(不能出现红黄同时亮的情况)

(不能出现红绿同时亮的情况)
③、使用74192同步可逆10进制计数器（8421码）2个
方案对比
【表2】
方案
项目
实现方法
优点
缺点
一
①S1-S3
2个锁存器
简单
电平触发，与时钟信号不匹配
②S4
触发器
解除紧急（S4）后指定回到S1

③T
4个JK触发器

复杂
二
①S1-S3
2个T触发器
下降脉冲触发，与时钟信号匹配

②S4
或门、非门

解除紧急（S4）后回到S1/S2/S3任一状态，不固定
③T
2个74192计数器
容易处理，可显示数值

综合考虑，为使电路简化、运行稳定，选用方案二。

三、单元电路设计与参数计算
【图3】

总体模块设计▲
1、时钟控制系统：使用上升时序，个位、十位两片74192。进位关联使用个位TCU＝十位UP实现（Terminal Count Up (Carry) Line）。数据状态通过判断条件进入选择器74153。判断条件成立后执行清零。
2、时序Sx控制：使用7473改装的TFF2个，实现S1→S2→S3状态的转换。
↑ ↓
3、判断时钟、Sx：判断74192和7473的状态，满足条件输出74192的清零使能和7473的CLK信号。
4、翻译Sx－LED，翻译S1、S2、S3对应LED的5个状态：

5、输出调整电路，令紧急电平开关控制LED的状态。

四、总电路工作原理及元器件清单
1．总原理图
【图4】

2．电路完整工作过程描述（总体工作原理）
【图5】

数据线分配▲
【表3】
数据线连接
序号
名称
触发方式
条件
输出源
输入
①
A(Emergency)
1
紧急状态信号
“紧急”
电平开关
74138[3]C
G9[1]G10[1]
②
B/74192
1
判断个位达到5
74192[G0]
74153[B]
③
C/74192(2)
1
判断十位达到1
74192(2)[3]QA
74153[4]1C2
[11]2C1[13]2C3
④
TCU(Terminal Count Up (Carry) Line)
↑
个位从9→0同时输出一个脉冲
74192[12]CO’
或称TCU’
74192(2)[5]UP
或称CPU
⑤
ECLR/74153
清零使能
1
B、C/74192
Q0、Q1/7473
的逻辑函数
74153[G4]
74192[G1]
74192(2)[G2]
⑥
Q0/7473
0,1
状态触发条件
7473[12]1Q
74138[1]A
74153[14]A
⑦
Q1/7473
0,1
状态触发条件
7473[9]2Q
74138[2]B
74153[1]1G’

【表4】
74192工作状态（个位）

74192[7]
74192[6]
74192[2]
74192[3]
74192
74192[B]

数码管

0
0
0
0
0

0
0
0
1
1

0
0
1
0
2

0
0
1
1
3

0
1
0
0
4

0
1
0
1
5
1
0
1
1
0
6

0
1
1
1
7

1
0
0
0
8

1
0
0
1
9

注：不填＝0
【表5】
74192(2)工作状态（十位）

74192[7]
74192[6]
74192[2]
74192[3]
74192
74192[B]

数码管

0
0
0
0
0

0
0
0
1
1
1
注：不填＝0
【表6】
7473工作状态（双T触发器）
用JKFF构成TFF
则有：
使2个T触发器的4状态循环变为3状态循环，使用作系统状态。
由选择器74153判断。

7473
[9]2Q[12]1Q
7473
[8]2Q’[13]1Q’

状态

持续时间
S1
00
11
15S
S2
01
10
5S
S3
11
00
10S
【图6】

状态转换图▲
【表7】
74153工作状态（数据选择器）

输入
输出

7473
[9]2Q[12]1Q
74153[14]
74153[2]
74153[1]
74192(2)
74153[G4]
状态

③C
⑤ECLR
S1
00
0
1
0

1
S2
01
1
1
0

1

输入
输出

7473
[9]2Q[12]1Q
74153[14]
74153[2]
74153[15]
74192(2)
74153[G4]
状态

③C
⑤ECLR
S3
11
1
×
0

1

状态

S1
1
0
0
1
1
S2
1
0
1
1
X
S3
1
1
1
X
1

S0
选择输入
Common Select Input
E
选通输入
Enable (Active Low) Input
I0,I1
数据输入
Multiplexer Inputs
Z
输出
Multiplexer Output

【图7】

74153 Turth Table▲
【图8】

74153 Logic Symbol▲
【表8】
74138工作状态（3-8线译码器）

74153
PIN
[3]
[2]
[1]
输出
LED
LED
LED
LED
LED
74153
Name

S1
0
0
0

1
1

S2
0
0
1

1

S3
0
1
1

1
1
S4
1
0
0

1

1

1
0
1

1

1

1
1
0

1

1

1
1
1

1

1

由于74138输出的是而不是，另外需要实现+的逻辑，所以增加G6～G1来调整线路。后一页附图。

【图9】

74138 Turth Table▲
【图10】

74138 Connection Diagrams▲
【图11】

输出调整电路（G6～G10）▲
【表9】
3．元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
74192
74LS192
十进制、LOAD低电平有效
1

74192(2)
74LS192
十进制、LOAD低电平有效
1

74153
74LS153
2组数据4选1选择器
使能端Ea、Eb低电平有效
1

7473
74LS73
J＝K＝T，2个T触发器
1

74138
74LS138
3-8线译码器
1

G0
74LS00+74LS04
2输入与门
1

G1、G2
74LS00
2输入与非门
1

G3、G6、G7、G8
74LS04
2输入非门
1

G4、G9、G10
74LS02+74LS04
2输入或门
1

G5
74LS86
2输入异或门
1

五、仿真调试与分析
仿真使用EWB5.12。
1、仿真技巧
仿真过程中遇到了很多的问题，在遇到问题后根据除出现的情况按照逻辑真值表进行调整。使用EWB5.12的一些技术或仿真中的事项标记如下：
①、元件调整：双击原件即可调整原件参数。如果在运行状态，这个操作会导致总电源的关闭。

②、EWB中有红绿蓝三色灯，而红绿灯需要红绿黄三色，所以模拟中用蓝灯代替黄灯。
③、接线问题：
当且仅当元件、结点不移动的情况下，连线不移动，新接连线会自动调整，可用鼠标移动到线上拖动，若线上出现小方框，说明线太密，不能移动。
连线不能倾斜，全部横向或竖向。
当第三点需要连接在线上是，可以从端点拖动到线上。EWB不允许出现悬空线，也不允许从导线开始延伸到端点。

要连接两条悬空线AB，可以先利用第三个端点E引一条线到B，再移动E上的线到A。再弃置E。

④、器件、结点圈选以后可以整体移动。圈内的器件、结点相对位置不会移动，导线两端均在圈内则不移动，导线两端在圈外亦不移动。导线一端在圈内，一端在圈外则会自动调整。

⑤、调试、连线过程中使用额外的指示灯，并给跨芯片导线编号有利于检错。

2、仿真记录：
仿真过程中没有发现问题，电路运行正常，“五1⑤”的指示灯状态与LED红绿灯运行状态匹配。
【表10】
仿真中的关键逻辑电平记录
全部高电平有效
PIN
7473
[9]
7473
[12]
74192
[G0]
74192(2)
[3]
74153
[G4]
数码管
数码管
LED
LED
LED
LED
LED
Name
⑦
⑥
②
个位
③
十位
⑤

十位
个位

S0
0
0
0
0
0
—
—
0
0
0
0
0
S0→S1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
0
S1＝15s
0
0
0-1
0-1
0
0-1
0-5
1
1
0
0
0
S1→S2
0
0→1
0→1
1
1
1
5
1→0
1→0
0→1
0
0
S2＝5s
0
1
0
0
0
0
1-5
0
0
1
0
0
S2→S3
0→1
1
0→1
0
1
0
5
0
0
1→0
0→1
0→1
S3＝10s
1
1
0
0
0
0
1-9
0
0
0
1
1
S3→S1
1→0
1→0
0
0→1
1
1
0
0→1
0→1
0
1→0
1→0
S4
1
1
0
0
0
0-1
X
1
0
0
1
0
1＝High Level
0＝Low Level
X＝Don’t Care
—＝None
0-5=0 To 5

【图12】
仿真截图
见下一页
S0：没有打开电源的状态。

S1：东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s。
S0，S1，S2，S3中任一状态下打开电源会进入S1状态，数码管初始值为10。
数码管最大显示为14，出现“15”的瞬间进入下一状态。（S2）
S2：东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s。

数码管最大显示为04，出现“05”的瞬间进入下一状态。（S3）

S3：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l0s。

数码管最大显示为09，出现“10”的瞬间进入下一状态。（S1）

S4：如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。

此状态，有且仅有所有红灯为1，红绿灯不受主电路状态影响。

六、结论与心得
首先这次课程设计是成功的，运用了数电课程知识完全独立自主地进行设计，参考的资料只有课本和TTL的74LS系列芯片的说明书。
其次，本设计有利于巩固数电课程知识，加深对基本器件、FF、时序电路、逻辑电路的理解。
最后，EWB5.12属于电子CAD的内容，通过本课程设计，我能熟练地使用EWB进行逻辑电路设计。

附表：文中图、表目录
页码
表序号
图序号
名称
3
1

主电路状态与指示灯状态转换
4

1
显示电路设计
5

2
1个7473替代的T触发器
5
2

方案对比
6

3
总体模块设计
8

4
总原理图
9

5
数据线分配
10
3

数据线连接
11
4

74192工作状态（个位）
11
5

74192(2)工作状态（十位）
12
6

7473工作状态（双T触发器）
12

6
状态转换图
13
7

74153工作状态（数据选择器）
14

7
74153 Turth Table
14

8
74153 Logic Symbol
15
8

74138工作状态（3-8线译码器）
16

9
74138 Turth Table
16

10
74138 Connection Diagrams
16

11
输出调整电路（G6～G10）
17
9

元件清单
19
10

仿真中的关键逻辑电平记录
20

12
仿真截图
七、参考文献
[1]《数字电子技术基本教程》 清华大学出版社 阎石
[2]74LS73说明书
[3]74LS138说明书
[4]74LS153说明书
[5]74LS192说明书

附录[2]- [5]项。
[2]74LS73说明书 第23页
7473替代的T触发器 第25页
[3]74LS138说明书 第26页
[4]74LS153说明书 第28页
[5]74LS192说明书 第30页
7473双j-k触发器(带清除端)
负边沿J-K触发器
Dual JK FF(Clr)
JKFF

7473
功能
输入
输出

清除
0
X
X
X
0
0
1
1
1
0
维持
1
1
X
X
0
1
1
0
维持
1
↓
0
0
0
1
1
0
异步置1
1
↓
1
0
0
1
1
0
1
0
异步置0
1
↓
0
1
0
0
1
1
1
0
Toggle
切换
1
↓
1
1
0
1
1
0
1
0
0
1

JK触发器

0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
0

7473替代的T触发器
JK触发器包含SR触发器和T触发器的功能

J=K=T，则得到T触发器。

7473替代的T触发器
功能
输入
输出

清除
0
X
X
0
0
1
1
1
0
维持
1
1
X
0
1
1
0
T触发器
1
↓
0
0
1
1
0
Toggle
切换
1
↓
1
0
1
1
0
1
0
0
1

T触发器

0
0
1
1
0
1
1
0

74138 3-8线译码器/多路转换器
双列直插16脚3-8线译码器
3-to-8 DEC
3-To-8-Line Demultiplexer
Decoder/Demultiplexer

使能端S0＝1，使能；S0＝0，禁止。
S2＝S3＝0使能，S2+S3＝1禁止。
输出Y0—Y7为低电平有效。

74153双4选1数据选择器/多路选择器
Dual 4-to-1 Data Sel/MUX
Dual 4-input Multiplexer

S0
选择输入
Common Select Input
E
选通输入
Enable (Active Low) Input
I0,I1
数据输入
Multiplexer Inputs
Z
输出
Multiplexer Output

74153

74192同步可逆计数器(bcd,二进制)
PRESETTABLE BCD/DECADE UP/DOWN COUNTER PRESETTABLE 4-BIT BINARY UP/DOWN COUNTER
Synchronous Up/Down Decade Counters(dual clock lines)
Synchronous Up/Down Counter