1、太原理工大学 信息工程学院 数电课程设计一、设计摘要摘要：随着社会的发展，交通有了巨大的改善，马路上的车流量也逐渐增加，经常出现堵车现象，对人们的出行造成了极大地影响，合理的交通控制显得更加重要。其中，交通信号灯的智能控制越来越受到广泛的关注和应用。本设计采用74LS系列集成电路进行模拟，实验性的实现了交通信号灯控制器的基本功能。关键字：信号灯 智能控制 交通二、设计目的通过本次课题设计，应该掌握以下内容（1）学习数字逻辑电路设计的一般方法。（2）要求学会用理论知识解决实际问题。（3）灵活掌握部分74LS系列集成电路的使用。（4）掌握Multisim仿真软件的应用。（5）掌握常用元器件的识别与
2、测量。（6）了解实际电路调试和解决问题的基本方法。三、设计要求由一条主干道和一条支干道的汇合点形成交叉十字路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉道口的每个入口处设置了红、绿、黄3色灯。红灯禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则使行驶中的车辆有时间停靠到禁止线外。用红、绿、黄3色发光二极管作信号灯，用传感器或用逻辑开关代替传感器作为检测车辆是否到来的信号，设计制作一个交通灯控制器。在主干道和支干道均设有车辆检测传感器，用以检测道路是否有车辆，用开关模拟。当某一道路有车而另一道路无车时，则该车道处于长允许通行的状态。当主、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行45s，支干道每次放行25s，
3、设立45s和25s计时显示电路。当主干道允许通行绿灯亮时，支干道亮红灯。而只感到允许通行亮绿灯时，主干道红灯亮。在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换中间，要亮5s的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线外，设置5s计时显示电路。四、设计原理4.1交通路口模拟图主干道支干道G1Y1R1G2Y2R2倒计时显示图1 交通路口模拟图4.2交通灯状态转移表态序主干道支干道时间1绿灯亮，允许通行红灯亮，不许通行45s2黄灯亮，停车红灯亮，不许通行5s3红灯亮，不许通行绿灯亮，允许通行25s4红灯亮，不许通行黄灯亮，停车5s表1 交通灯状态表4.3交通信号灯控制器系统框图图2 交通信号灯控制器系统框图计数
4、器构成的不同模值的计数电路45s定时25s定时5s定时传 感 器主 干 道红 黄 绿R1 Y1 G1支 干 道红 黄 绿R2 Y2 G2移位寄存器构成的控制电路4.4交通信号灯控制器状态转移图图3 交通信号灯控制器状态转移图图状态S0=1状态S1=1状态S2=1状态S3=1持续45S持续25S持续5S持续5S主干道支干道时间到，若支干道有车，主干道无车，则交通灯保持时间到，若主干道有车，支干道无车，则交通灯保持4.5主要集成电路芯片的功能（1）移位寄存器74LS194移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存储的代码能够在移位脉冲的作用下一次左移或右移。既能左移又能右移的称位双向移
5、位寄存器，只需要改变左、右移的控制信号便可实现双向移位要求。根据移位寄存器存取信息的方式不同分为：串入串出、串入并出、并入串出、并入并出4种形式。本设计选用4为双向通用移位寄存器74LS194，其逻辑符号如图所所示。图4 74LS194逻辑符号其中，D0、D1、D2、D3为并行输入端；Q0、Q1、Q2、Q3为并行输出端；SR为右移串行输入端；SL为左移串行输入端；S0、S1为操作模式控制端；CLR为直接无条件清零端；CP为时钟脉冲输入端。74LS194有5种不同操作模式：即并行送数寄存；右移(方向由Q3Q0)；左移(方向由Q0Q3)；保持及清零。控制端S0、S1的状态决定移位寄存器的操作。表2
6、 移位寄存器74LS194功能表（2）集成计数器74LS192集成计数器74LS192是双时钟触发4位二进制同步加/减计数器。其中，CR为清除信号，高电平有效；LD位置入控制信号，低电平有效；CPU为加法计数脉冲；CPD为减法计数脉冲。图5 74LS192逻辑符号表3 集成计数器74LS192功能表五、单元电路设计5.1 循环及控制电路的设计T45、T25、T5=0代表时间未到，T45、T25、T5=1代表时间已到；A=1代表主干道有车，A=0代表主干道无车；B=1代表支干道有车，B=0代表支干道无车。T5=1T25=1且A=1T5=1T5=0T25=0或A=0S2S3S0S1T45=0或B=
7、0T5=0T45=1且B=1图6 循环状态转移图BAS0S1S2S3G1Y1R1G2Y2R2说明11000100001当T45=1且B=1时，S0S10100010001当T5=1时，S1S210010001100当T25=1且A=1时，S2S30001001010当T5=1时，S3S0表4 循环状态转移表用移位寄存器及附加控制电路控制状态的循环，移位寄存器的时钟控制信号（CLK）：控制移位寄存器的移位，即状态转移。 T=0代表计时器时间回到0，T=1代表计时器时间未到0。用开关模拟传感器检测是否有车的信号A、B分别代表主、支干道的车流量状况，A=1代表主干道有车，B=1代表支干道有车。T=0
8、且B=1且S0=1或T=0且A=1且S2=1或T=0且AB或T=0且AB且(S1或S3)移位寄存器时钟控制信号图7 循环电路图8 循环控制电路5.2 计数电路的设计用两片74LS192构成计数电路，通过移位寄存器控制计数器的置数，并通过循环控制电路控制计数器的计数状态。图9 计数器时钟控制电路计数器（74LS192）时钟控制信号:CP=TCP0(外部1HZ时钟)图10 计数器电路5.3 显示电路的设计用六个彩灯，其中红灯两个、黄灯两个、绿灯两个，用来表示主干道、支干道的交通灯，用数码管显示倒计时电路。图11 显示电路六、器件及参数选择6.1 元器件列表元件个数数字电路实验箱174LS19417
9、4LS192274LS32374LS11174LS86174LS27174LS08174LS041表5 元器件列表图12 元器件图6.2 元器件引脚功能图型号引脚图功能表74LS19474LS19274LS3274LS1174LS8674LS2774LS0874LS04表6 元件引脚及功能列表七、仿真分析及结果7.1 仿真过程（1）在Multisim中按照设计好的电路图连线；（2）分模块进行仿真，观察状态是否正确；（3）整合所有模块进行整体仿真，观察状态；（4）切换开关的高低电平，查看状态是否正确；（5）完成仿真。7.2 仿真中遇到的问题（1）不清楚个别引脚功能问题；（2）相互之间的控制问题；
10、（3）用开关控制状态的问题；（4）连线过程中的布局问题。7.3 Multisim仿真图（1）图13为交通信号灯完整仿真原理图（2）图14为交通信号灯仿真功能状态图倒计时及置数电路A、B分别代表主干道、支干道的传感器，A=0代表主干道无车，A=1时有车；B=0代表支干道无车，B=1时有车倒计时置数、循环控制电路倒计时时钟控制电路移位寄存器时钟控制、循环控制电路及倒计时置数控制主干道信号灯支干道信号灯计时显示电路倒计时到零时的信号图13 交通信号灯完整仿真原理图主干道信号灯支干道信号灯计时显示电路倒计时到零时的信号图14 交通信号灯仿真功能状态主干道、支干道有车或都无车，或支干道有车时正常循环正常
11、循环主干道、支干道有车或都无车，或主干道有车时正常循环正常循环当处于S0状态时，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，进行45s倒计时。当主干道时间到，而此时主干道有车，支干道无车，因此主干道绿灯保持常亮。当处于S4状态时，支干道黄灯亮，主干道红灯亮，进行5s倒计时。当处于S3状态时，主干道红灯亮，支干道红绿亮，进行25s倒计时。当处于S1状态时，主干道黄灯亮，支干道红灯亮，进行5s倒计时。当支干道时间到，而此时支干道有车，主干道无车，因此支干道绿灯保持常亮。A=1，B=0时B=1，A=0时A=1时B=1时八、实验室实际操作8.1实验室实验操作步骤（1）交元件清单，领取元器件。（2）测试元器件功能是否正确。（3）按仿真原理图进行连线。（4）测试测试电路的功能是否正确，若不正确，检查错误；若功能状态正确，记录实验状态。8.2操作中的问题（1）连接线及芯片的测试问题。（2）由于连线过多，连线时需仔细而耐心。（3）实际测试功能状态的问题等8.3实验室实际状态图以下为实验室部分实际图，图15-图20分别为实际连接电路图、主干道绿灯倒计时状态图、主干道黄灯倒计时状态、支干道绿灯倒计时状态、支干道黄灯倒计时状态、支干道绿灯保持状态。图15 实际连接电路图图16 主干道绿灯倒计时状态图17 主干道黄灯倒计时状态图18 支干道绿灯倒计时状态图19 支干道黄灯倒计时状态图20 支干道绿灯保持状态17
