1、数字电子技术课程设计交通灯第一章 设计思路1.1设计任务与要求设计一个十字路口交通灯控制电路，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25秒；要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；黄灯亮时要求每秒闪亮一次。1.2 设计分析用交通灯控制十字路口的车辆通行，绿灯通行，黄灯缓行，红灯停止，每次通行25秒，则要求绿灯每次亮25秒。绿灯亮25秒后变成黄灯，黄灯再亮5秒，当甲车道亮绿灯时，乙车道红灯亮，那么当甲车道亮黄灯时，车辆缓行，此时乙车道不能通行，故亮红灯，所以红灯亮30秒。黄灯闪亮，只需将黄灯的控制信号与时间的秒信号相与即可。1.3 设计原理与框图为了确保十字路口的车辆顺利、通畅
2、地通过，往往都采用自动控制的红、黄、绿的交通灯来进行指挥。其中红灯亮，表示该道路禁止通行；黄灯亮表示该道路上未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆缓慢通行；绿灯表示该道路允许通行。交通灯的控制系统框图如图1-1所示：它主要由控制器、分频器、倒计时器和时标等部分组成。时标以秒脉冲发生器产生，倒计时器显示两组信号灯的控制时间，分频器将时标秒信号进行五分频，并将信号提供给控制器，控制器是系统的主要部分，由它控制倒计时器，和红绿黄灯的显示情况。第二章 总体设计方案（1）两车道的运行状态共4种，如表2-1所示控制器状态信号灯状态车道运行状态及时间S0（00）S1（01）S2（11）S3（10）南北绿
3、，东西红南北黄，东西红南北红，东西绿南北红，东西黄南北通行，东西禁止通行(5t)南北缓行，东西禁止通行(t)南北禁止通行，东西通行(5t)南北禁止通行，东西缓行(t)表2-1 控制器工作状态及其功能表中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR, NSY,NSG; 东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR, EWY, EWG。它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。应满足两个方向的工作时序，即东西方向亮红灯的时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和。同理，南北方向亮红灯的时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。本方案
4、取时间t=5s，则南北、东西方向亮绿、黄、红灯时间分别为25s、5s、30s。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。（2）十字路口要有数字显示作为时间提示，以方便人们更直观地把握时间。具体应为当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。例如当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为30，并使计数器开始减“1”计数。当减到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数显示应为5，当减到“0”时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为30。时序
5、工作流程图如图2-2所示：图2-2 (3)时标直接由集成的时钟信号源提供1s的单位秒脉冲；倒计时器由4块74LS192两两组合，分别记录南北、东西方向的通行情况，数字显示由四块集成的4输入端数码管承担；时间t=5s，有74LS161的五分频信号提供；控制器由2块74LS194组成扭环行12进制计数器，提供红黄绿灯的控制信号，再由集成的虚拟交通灯模拟红黄绿的显示情况。第三章 单元电路设计3.1 时标电路 秒脉冲由如图3-1所示的集成时钟信号源提供，本方案信号源采用5V的电压，它是整个电路的基准时间信号，它的秒脉冲直接提供给分频器74LS161，并触发其工作。图3-13.2 分频电路该分频电路为五
6、分频，具体设计情况如图3-2所示：图3-24位同步二进制计数器74LS161的封装及功能表见附录，将芯片的始能端ENP、ENT，清零端（低电平有效），电源端接5V（高电平），输出端QC五进制的进位端通过74LS04非门反馈给置数端LOAD（低电平有效），输入端A、B、C、D均接地（低电平），计数器从0开始计时，当计数到4时，输出端QC为1（高电平），此时置数端LOAD有效，输入端重新置为0，如此循环，计时器反复从0-4计五个数，该过程中CLK,QA,QB,QC的波形依次如图3-3所示：图3-3 由波形图可知图3-2中的计数器是下降沿触发的，QB,QC均为五分频信号，本方案中选择QC信号并输入给
7、下级的核心控制电路，作为74LS194的触发信号。3.3核心控制电路及显示 控制电路部分由两块74LS194组成扭环行12进制计数器，然后经74LS04的非门与74LS08的与门译码，输出给十字路口南北、东西两个方向的信号灯，其中的黄灯信号与时标秒信号相与即可获得每秒闪亮一次的信号。扭环行计数器的状态表如下所示计数器输出南北方向东西方向Q0Q1Q2Q3Q4Q5NSGNSYNSREWGEWYEWR00000001000011100000100001211000010000131110001000014111100100001511111001000161111110011007011111001
8、100800111100110090001110011001000001100110011000001001010根据状态表，可列出东西、南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式：东西方向绿：EWG=Q4Q5 黄：EWY=Q4 Q5(EWY=EWYCP)红：EWR=Q5南北方向绿：NSG=Q4 Q5黄：NSY=Q4Q5(NSY=NSYCP)红：NSR=Q5 具体电路图3-4设计如图所示：图3-474LS194四位双向移位寄存器的引脚与功能表见附录，将其中一片74LS194的QD接至另一片的SR，将另一片的QA接到这片的SL，同时把两片的S1、S0、CLK和CLR分别并联即可变成8位的双向移位寄存器，如
9、上图所示电路只采用右移功能，故只将左边的74LS194的QD接至右边的SR，再降右边输出端的QB接方向器非门反馈给左边的SR，作为右移的输入信号，从而行成扭环12进制计数器，另上图两片74LS194输出端的QA、QB、QC、QD从左至右分别为Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8。按东西、南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式连接成上图所示电路的右边部分，黄灯闪亮则需将EWY和NSY分别与时标信号相与。图中上面的交通灯模拟东西方向，下面的则模拟南北方向。另外，S0、CLR接高电平，S1接低电平，CLK接上级的五分频信号。并将东西、南北方向的黄灯信号与时标秒脉冲相与 (EWY=EWYCP
10、和NSY=NSYCP) 的反向信号分别输出给下级南北、东西方向倒计时器的置数端，东西、南北反向的红灯信号和时标秒脉冲的与信号分别输出给下级南北、东西方向倒计时器，作为触发信号。3.4倒计时显示电路 电路具体设计如图3-5所示，左边两块74LS192和集成数码管记录和显示南北方向红灯亮的时间，右边两块74LS192和集成数码管记录和显示东西方向红灯亮的时间。将低位74LS192的借位输出端(BO)和进位输出端(CO)分别接至高位的减计数时钟输入端(DOWN)和加计数时钟输入端(UP)，组成两位十进制计数器。本计数器用来倒计时，将减计数时钟输入端(DOWN)，接上级相应控制电路红灯信号和时标秒脉冲
11、的与信号，低位的加计数时钟输入端(UP)接5V的高电平，置数端接上级相应控制电路黄灯信号与时标秒脉冲相与的反向信号，置数输入端都置成30，异步清零(CLR)接地（低电平）。图3-5第四章 电路总图第五章 元件清单第六章 接线与调试 画好电路原理图已经是件不易的事了，然接下来的接线与调试也决不是易事。 先是按原理图领实验箱、接线图和必需芯片，领芯片的时候就出洋相了，和很多一样每个门电路都写一块芯片，实验室的老师开玩笑道：这拿完家底都不够呢！接着就是和同组的同学接线，反反复复接了两三次，一连也接了两三天。接线绝对是个技术活，一是要对实验箱的各个必需的模块有个大致了解。如电路板的等位点的分布，实验箱
12、的开关按钮的用法，这是每组都需清楚的，我们这次做的课题是交通灯，那么数码管、模拟交通灯也是必需要了解的。二是把线插稳、芯片插好，就一般的直直的插进去很容易脱落，所以插时用镊子将线头做适当的弯曲是必要的，芯片是要先对准孔再插，用力不能过大，不然容易损坏引脚。三是了解芯片的管脚排列，同学们这次用的芯片型号多种，但引脚数目只有两种，即14和16。每块芯片都有个缺口，14引脚的芯片从的下方第一个引脚开始编号依次为1、2、3、4、5、6、7，上方从远离缺口的那个引脚开始依次为8、9、10、11、12、13、14。16引脚的芯片排列同理。还有个相似的地方，即缺口上方的16号和14号引脚都是芯片的电源端，缺
13、口下方最后的8号和7号引脚都是芯片的接地端。其他的引脚则多少有些不同了，然有点芯片引脚间还是有些规律性的排列的，如门电路芯片。接线时原理图中芯片上的编号与实物的芯片编号是一一对应的，接线时明白这一点很重要。最后是查错与调试电路，电路可以分模块调试，如交通灯，我们接好倒计时与其显示电路后，将置数端接地，检验其置数功能。接完整个线路后，通电播通开关，即可调试整个电路了，若没达到理想的结果，可以照着电路图一个引脚一个引脚的查错，错线改正，缺线补上。原理图的实现，需要正确的接线，当然要是有个清晰简明的原理图也会事半功倍。第七章 心得体会两周的课程设计，不知不觉中到了该划句号的时候了。从开始接课题，到设
14、计图纸，到接线实物。一步一个脚印，现在想想仍是那么清晰可见。头个星期一班长就把我们组召集来见老师，老师很帅气。他就给我们布置了两个课题数字钟和交通灯，两人一组，自选课题。听老师的口气数字钟是要复杂些的，心里默叨：我要挑战数字钟。接下来两三天都过去了，图纸还没敲定，武断换了自认为容易的交通灯。事后，对这个决定遗憾过，但我不后悔，更没再放弃。实际上的交通灯也没想象中的简单，回想那些日子的坚韧，就算再怎么搞不出图纸，也没再轻易放弃。而是，看参考书目，读人家课设报告。最后，敲定书上的一个交通灯案例，借它的思路，用自己手头拥有的芯片，模块化设计，实现交通灯的功能。事实证明：我对了。接线的调试，图纸的实现
15、，也不是个轻易活。按调试好的图纸接线，和组员合作，我念线头他插接，每每到了最后的几条接线时，心跳加快，呼吸急促。不禁问：期待的结果会出现不，等待结果的时分是那么地让人激动不已啊！第八章 附录芯片引脚与功能表4位同步二进制计数器74LS161的引脚及功能表输 入 输 出 CR CPLD CEPCETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 状态码加1双向移位寄存器74LS194的引脚与功能表双时钟十进制同步加/减计数器74LS192引脚图与功能表参考文献数字电路与可编程技术实验教程/吴俊鹏，孟昭林，附小晶主编哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.3电子技术基础实验与仿真/孙胜麟，郭照南主编长沙：中南大学出版社，2008.10数字电子技术基础/阎石主编；清华大学电子学教研组编.-5版.-北京：高等教育出版社，2006.5（2010重印）
