十字路口自动红绿灯指挥系统课程设计报告16页docWord文件下载.docx
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三、方案选择·
四、工作原理分析·
2
五、单元模块设计及分析·
5.1控制器设计·
2
5.2定时器设计·
6
5.3时钟信号脉冲发生器设计·
7
5.4译码器设计·
8
5.5延时电路设计·
9
六、总电路图·
10
七、仿真及结果分析·
11
八、设计心得·
九、参考文献·
13
一．设计题目
二．主要指标及要求
1.自动完成绿－黄－红－绿－……工作循环；
2.每种信号灯亮的时间不等，如：
绿灯亮20秒－黄灯亮5秒－红灯亮15秒，如此循环；
3.用倒计时的方法，数字显示当前信号的剩余时间，提醒行人和司机；
4．（*）信号灯的时间分别可调，以适应不同路口，不同路段交通流量的需求。
选题的意义：
交通信号灯是我们日常生活中常见的，也是交通系统只不可或缺的一部分，选择这个课题有助于我们对交通指挥系统的了解，更有助于我们将理论运用于实际中，对于我们以后进行其余的课题研究有很好的积极作用。
三、方案选择
四、工作原理分析
绿红黄灯工作分三个阶段，即控制器有三个状态T0、T1、T2。
在状态T0停留20秒，此间绿灯亮，然后转至状态T1。
在状态T1停留5秒，此间黄灯亮。
5秒后转至T2，在状态T2下，红灯亮15秒，15秒后返回状态T0。
红绿灯控制系统由控制器、定时器、时钟信号脉冲发生器、译码器以及延时电路组成。
控制器有3个输入信号：
TS=19，TM=4，TL=14；
3个状态信号：
T0、T1和T2，编码分别为00、01、10，由Q1Q0表示。
一个输出信号W：
表示状态转换。
三个状态信号分别控制绿红黄三种颜色的灯。
W是计数器的回零信号。
五、单元模块设计及分析
5.1控制器设计
列出状态转换表如表1所示，由状态转换换表可推出状态方程和状态转换信号如下：
Q1n+1=Q1nQ0nTM+Q1nQ0nTL
Q0n+1=Q1nQ0nTs+Q1nQ0nTM
W=Q1nQ0nTS+Q1nQ0nTM+Q1nQ0nTL
表5.1.1
输入
输出
现态
状态转换条件
次态
转换信号
Q1nQ0n
TS=19STM=4STL=14S
Q1n+1Q0n+1
W
00
01
10
0×
×
1×
×
0×
1×
0
1
利用中规模集成电路实现控制器。
控制器有三个状态，选择两个D触发器F1和F0组成控制时序电路的时序逻辑部分，其驱动方程就是控制器的状态方程，选择2个四选一数据选择器（74LS153）M2、M1组成控制器时序电路的组合逻辑部分。
将触发器的现态作为数据选择器的选择变量，即BA=Q1nQ0n,状态转换信号TS、TM、和TL作为数据选择器的输入信号，绿红黄灯控制器的逻辑图如图2所示,图中C0对应TS，C1对应TM，C2对应TL。
对于数据选择器M1和M2，设控制器现态Q1nQ0n=BA=00，由选择器M1和M0选择的数据分别为Y2=0，Y1=TS，即Y2Y1=0TS，由状态转换方程可知，正是00的次态，若TS=0，Y2Y1=00，若TS=1，Y2Y1=01；
当现态Q1nQ0n=
BA=01，选择器M1、M2选择的数据Y2Y1为TM和TM的非，由状态转换方程可知，正是01状态的次态；
同理，当现态Q1nQ0n=BA=10，选择器M1、M2选择的数据Y2Y1为TL的非和0，是10状态的次态。
由此可见，数据选择器M1、M2所选择的数据是控制器的次态数据，图2所示的逻辑电路能够满足要求。
74LS153是双向数据选择器：
双向是指经过选择，把多路数据中的一组数据传到公共数据线上，实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器。
它的作用相当于多个输入的单刀多掷开关，74153是一个双四选一的数据选择器，它是由两组四选一数据选择器，共有54/74152、54/74LS153、54/74S153三种线路结构模式。
74153的管脚功能表：
表5.1.2
表5.1.3
真值表：
74153管脚图:
7474芯片及其管脚图：
5.2定时器设计
定时器选用可逆计数器74192，它提供19、14、4秒的定时信号分别控制控制器状态的转换，当倒计数到零时，计数器产生的回零信号W提供给控制器的TS、TM、TL，使不同颜色交通灯状态发生跳转。
计数器由两片74192构成，由双D触发器的输出Q1Q0决定预置时间，Q1Q0=00时，预置时间为1
秒，Q1Q0=01时，预置时间为14秒，Q1Q0=10时，预置时间为4秒。
当倒计数到零时，由两个借位输出端B0产生信号通过延时电路控制LD端置数。
具体见图3。
图3：
表5.2.174192集成计数器的逻辑功能表：
清零
预置
使能
预置数据输入
数据输出
R0
LD
CPu
CPD
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
H
L
L
D
C
B
A
H
上升沿
加法计数
减法计数
192为可预置的十进制同步加/减计数器，共有54192/74192，54LS192/74LS192两种线路结构形式。
其主要电特性的典型值如下：
192的清除端是异步的。
当清除端（LR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能。
192的预置是异步的。
当置入控制端（LD）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（A～D）相一致的状态。
192的计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在4个触发器上而实现。
在CPD、CPU上升沿作用下Q0～Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此时另一个时钟应为高电平。
5.3时钟信号脉冲发生器设计
主要用来产生秒脉冲信号。
脉冲信号的频率可调，所以可以采用555组成多谐振荡器，其输出脉冲作为下一级的时钟信号。
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在5~16V工作，最大负载电流可达200mA，7555可在3~18V工作，最大负载电流可达4mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
555定时器构成多谐振荡器，组成信号产生电路接通电源后，VCC通过电阻R1、R2给电容C充电，充电时间常数为（R1+R2），电容上的电压vC按指数规律上升，当上升到VREF1=2VCC/3时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，RS=10，触发器被复位，放电管T28导通，此时v0输出低电平，电容C开始通过R2放电，放电时间常数约为R2C，vC下降，当下降到VREF2=VCC/3时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，RS=01，触发器被置位，放电管T28截止，v0输出高电平，电容C又开始充电，当vC上升到时VREF1=2VCC/3，触发器又开始翻转。
如此周而复始，输出矩形脉冲。
其电路原理图如图4所示。
图4：
由555定时器构成的时钟信号脉冲发生器
5.4译码器设计
控制器状态与信号灯的关系如下表所示。
选用74LS138译码器对系统状态变量进行译码，再经过非门产生高电平有效的三色灯控制信号G、Y、R。
译码器逻辑图如图5所示。
表5.4.1控制器状态与信号灯的关系
状态Q1Q0
G
Y
R
00
01
10
图5：
译码器逻辑图
5.5延时电路设计
倒计数到零时，由计数器产生的回零信号促使控制器状态跳转，跳转后的Q1Q0给计数器重新置数，同时回零信号将低电平送入LD置数有效，Q1Q0必须在LD得到低电平前已发生跳转并给计数器置数端置数好，所以必须让回零信号通过一个延时电路输出给LD，用可调的RC延时电路，既方便又简单。
具体电路如图6所示。
图6：
RC延时电路
六、
总电路图：
七、分析仿真结果及
在设计过程中，我们进行了多次仿真，不断对电路进行修改，最后得到了以上总电路图。
在第一次仿真时，结果是电路无法翻转计数，当第一状态结束，即绿灯状态19秒计时完后，它又直接计数19并不再计数；
于是我们又对电路各个模块进行排查，最后确定电路正确，且与方案没什么冲突，这是我们猜想是192芯片的BO溢出信号出少了一个延时电路，是的溢出信号还来不及让D触发器翻转，就直接输给192的LOAD端使其直接计数，并一直保持低电平；
分析出原因后，我们给电路加上了延时电路，再次进行仿真。
再次仿真发现第一个状态结束后，电路翻转，但从99开始计时，以后都是如此反复，这是我们意识到是延时时间长了，于是经过多次修改，最终将参数配置成功，完成了仿真。
八、设计心得体会
此次课程设计以三人为一组，倒是带有点三个臭皮匠赛过一个诸葛亮的意味。
设计的前期，小组三人各干各的，都想靠自己先整出一个方案来，结果一周过去了，大家都没结果，而且把大家自己的半成品拿出来一对照，发现思路都差不多，于是我们就开始整合三个人的方案，这次大家就很快发现了各自的问题，这样进度就快多了，很快的我们就将电路仿真出来了。
这是一个靠团队才能更好的完成的任务，真的是一个巴掌拍不响啊，只有取大家之精华才能做到又快又好!
仿真出来后，就是搭电路实际制作了，我们应该是为数不多的几组实体制作不成功的吧。
并不是我们偷懒了，我们花的时间绝对不比别人少，花了那么多心水，我们都不想放弃！
电路拆了又搭，搭了又拆，但最后还是没出来；
无奈的我们只好求助老师。
经过老师的分析，得到的结果很是打击我们——理论有问题！
当时我还是不死心，说可是仿真出来了啊，但老师告诉我们的是，仿真是绝对理想的东西。
这时我们都不得不承认我们的理论出问题了，但这都不重要了，重要的是经过老师的分析，让我们对这个课题的分析有了更清晰的认识，使我们的逻辑性更好了，听完老师的分析我们都有一种茅塞顿开的感觉。
经过此次的课程设计，让我明白了，理论与实际总是有差距的，在实际没有证实前，再好的理论它终究还是理论吗，这或许就是为什么历史上许多伟大理论诞生到实践证明前都不被真正承认的原因吧。
还有一点感悟是就是自信是必须的但也不能够太过乐观，因为即使准备的在充分，总是还有突发情况需要我们面对。
同时，课程设计也是个需要耐心的事，心急吃不了热豆腐，只有一步一个脚印，才能将它做好！
最后，要感谢老师给我们的指导和帮助，谢谢您！
九、参考文献
林红、周鑫霞编著·
数字电路与逻辑设计第2版，清华大学出版社，2004；
阎石主编·
数字电子技术基础第4版，北京：
高等教育出版社，1998；
伍时和主编·
数字电子技术基础第1版，北京：
清华大学出版社，2009.
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