交通灯控制电路设计Word格式文档下载.docx
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5
74LS08
与门
6
74LS47
数码管驱动
7
七段LED数码管
用于显示
8
发光二极管红绿黄
模拟交通灯
各2
9
电阻150
、4.7
、
限流
各1
10
电阻100
11
电容4.7
、10
整流
各1
12
实验板
安装电路
13
导线
连接电路
若干
三、设计原理及实现方案
.工作状态如下
一个十字路口主道方向的红、黄、绿灯分别用G、R、Y；
支道方向的红、黄、绿灯分别为g、r、y.表示。
十字路口要有数字显示装置，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。
具体要求为：
当某方向绿灯亮时，置计数器为某一个数值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数为“0”。
状态图：
整个流程为：
（1）主车道绿灯亮，支道红灯亮。
表示主道上的车辆允许通行，支道禁止通行。
绿灯时间到时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。
（2）主车道黄灯亮，支车道红灯亮。
表示主车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，支车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
（3）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。
表示主车道禁止通行，支车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
（4）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。
表示主车道禁止通行，支车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第
（1）种工作状态。
.实现方案
（1）.方案一
根据状态图，得到交通灯的设计原理图
实现原理：
如图，通过一个驱动三个计时电路。
这时译码电路和数码管只有一个对应同步显示计时内容。
当这个时间段计完后，给状态控制电路输出格的脉冲。
这时状态向后变化一个。
同时又通过控制器的输出端控制红绿灯电路，又根据状态确定那个计时器工作。
这样就完成了一计数单位的工作周期。
方案总结：
优点就是原理上易于实现，因为计数器分为3个，在原理逻辑上更直接。
但缺点也很明显，就是浪费了大量的元器件，来重复实现一个模块功能，这是一种浪费。
在工程上是绝不允许的。
而切元器件多了，连接电路时易发生错误。
（2）方案二
根据状态图，得到交通灯的设计原理图
如图：
秒脉冲提供电源让计时电路工作。
计时电路的作用是实现40秒、20秒、和5秒等三个计时，同时用译码器和数码管组成的显示电路来显示时间。
在计完一个时段后计时器发出一个脉冲，驱动状态控制电路，使之状态发生改变。
进而红、绿、黄灯亮暗改变，又完成了对计数器的置数。
从而进行40秒、20秒、和5秒的自动切换。
到此一个工作状态结束。
进入下一个状态。
这是对方案一的优化：
把三个计数器合为了一个，换句话就是用一个计数器实现三个计数功能。
这是利用置数智能的对电路进行计数选择。
尤其是在主模块的设计上，更多的利用了计数模块。
如下：
这样做的好处就是能更好的利用原有电路的元器件和设计模块。
使系统高度集成化。
如此既能节约成本，又可降低连接时的错误概率。
在置数方面是利用灯的亮暗，会更直接。
这完全符合设计思想和工程的设计原则。
所以我们选择这种方案。
（3）方案三
还有一种方案就是利用循环一个周期的时间。
如本实验是70秒，做一个计数器。
把它截为4个时间段：
40秒、20秒和两个5秒。
这样在整个周期上单独的分离每个状态所需的时间、状态以及红绿灯的变化。
进而完成一个周期，而循环工作。
这种方案虽然原理上更简单。
但是在实现起来会使用很多的器件来实现其工作。
因为在整个时间段上截取，就必须加上状态判断部分。
所以这种方案就没有过多的考虑。
四、单元电路的设计
.秒脉冲电路
它是整个电路的动力输入，设计如下：
参数由老师提供。
.状态控制部分
该电路共有4个状态，具体如下：
控制状态
信号灯状态
红绿灯显示
S0（00）
主绿，支红
主道绿灯40秒
S1（01）
主黄，支红
主道黄灯5秒
S3（11）
主红，支绿
支道绿灯20秒
S2（10）
主红，支黄
支道黄灯5秒
因为电路只有4个状态：
00、01、11、10。
所以我选择用D触发器来实现状态的转换。
电路如下：
状态控制电路是整个设计的核心部分。
它是控制红、绿、黄灯的枢纽部分。
而的工作顺序直接决定了整个电路的工作顺序。
但它需要计时电路的反馈信号来驱动。
.计时和显示电路
它负责了整个电路的计时和状态控制是整个电路用的最多的部分。
它采用两块74LS161实现，译码电路采用74LS47实现。
具体如下：
.红、绿、黄灯的亮暗控制及置数电路：
.利用灯的真值表：
Q2
Q1
主红（R）
主黄（Y）
主绿（G）
支红（r）
支黄（y）
支绿（g）
0
得到各个灯的如下关系：
转换位电路图为：
.置数电路是控制计时时间的电路，实现40秒、20秒、和5秒的自动转换。
利用灯的亮暗代表的1、0.来实现对计数器的控制。
由于，要求的是倒计时，所以在置数时，置进去的是反码。
这样经过161和47后出来的数字是倒计时的。
但实际上161的计数器还是相加的，即161是逐加而非逐减的。
实现电路如下：
.选作部分
要求在出现紧急情况时，能保持主、支路的状态不变，计时也停止。
方案：
可以在秒脉冲的输入电路上，接入一个开关。
当一个道，例如支道出现意外时，直接断开这个开关，系统循环就会停止。
对于灯的亮暗，如果不能等到主道的绿灯亮，支道的红灯暗时，可以直接给灯状态控制电路置数，强制变为这个状态。
这个方法也的道老师的认可。
五、设计的总体电路图
整个电路连接图
设计原理图
六、实验结果及分析
1.实际测量的各个单元电路的输入、输出信号波形（每个矩形脉冲周期是10秒）：
2.高位片输出波形（部分）（每个矩形脉冲周期为1秒）：
3.低位片输出波形（部分）（每个矩形脉冲周期为1秒）：
实验板插好后，可以直观地观察到结果：
状态稳定，显示正确。
4.时间上：
主道方向的时间变化为：
40—>
5—>
25—>
40……；
支道方向的时间变化为：
45—>
19—>
45……；
5.灯的变化：
主道方向的灯的状态为：
绿—>
黄—>
红—>
绿……；
支道方向的灯的状态为：
红……；
结果分析：
结果完全符合设计要求，达到了实验目的。
说明实验分析正确，设计思路无误。
七、实验中遇到的问题、解决方法及注意事项
.实验中遇到的一些问题及其解决方法：
1.在从555接出脉冲时，发现显示灯一直在亮，也就是电路并不原来预计的那样产生秒脉冲，多次检查了电路，并没发现没有错误。
断定是元件位置有错位，于是把两个4.7微法的电容和0.1微法的电容给对换了，秒脉冲就出现了，显示灯一闪一闪的。
而且对于4.7微法的电容若政府接错了也出不来脉冲。
2.把555接出的脉冲接到74LS74时，发现状态变化正确，但不稳定。
断定接线不牢，重新插接后，故障排除
3.当把交通灯部分接上时，发现显示不正常。
灯显示的顺序没有错，但是显示的时间并不按设计的那样，红灯偏长，黄灯偏短，检查了电路多遍，完全正确。
请教了老师断定是那个74LS161接入电路可能接触不好，结果把那部分先拔了再接，一切都回复正常。
4.最后的问题就是计数器出现乱码，很明显这是复位问题。
把控制部分用脉冲复位一下计数就正常了。
最重要的一个也是最难解决的问题，就是在整个电路搭建好后。
老是循环主道绿灯的40秒，而且状态变化也不对。
开始认为是乱码，但经测试长时间也不能进入循环。
所以检查电路，发现是高位片的CO端在计完数后没发出进位脉冲。
这样置数端低点位有效，当然不能重新置数了。
而控制74的脉冲连接如下：
我们清楚看到高、低位片的CO端，在经过一个与门后仍为“0”低电位，所以状态不发生变化。
怀疑是实验板坏了，造成短路，所以就把47拔下来，直接在管脚上直接连，发现好了。
似乎问题找到了，但我老感觉这不是问题的根源。
待74插回原来的地方后，也没问题了。
这就更坚信了我的想法，但问题出在哪呢？
最后想到高位片的输入D3、D4接的高电位，而对应的输出Q3、Q4接地了。
会不会是这两个状态的对应状态都强制置数。
影响161的工作呢，于是将Q3、Q4接在了47上。
这样改变后，经测试没有出错，为防意外。
对整个电路断电又加电反复测试，一切都正常了。
在接下来的时间里，很多同学也出现了这个问题。
我如法炮制，问题也得解决，但每个人的进入正常循环的时间还是不一样。
看来问题出在了161上，低位片的正常工作更印证了这一点。
也让我对电路理论与实际的关系上理解更深刻了。
.注意事项：
为防止集成电路芯片受损，在插入和拔出芯片时要非常小心。
插入时应使器件的方向一致，使所有引脚均对准插座板上的小孔，均匀用力按下；
拔出时，须用小起子对撬，以免使其引脚因受力不匀而弯曲或断裂。
正确合理布线:
在电子电路中，由于布线错误而引起的故障占有很大比例。
1.器件和连线要排列整齐，一般按电路顺序直线排列，输入与输出线要远离。
元器件插脚和连线要尽量短而直，以防止分布参数影响电路性能。
2.布线时要注意在器件周围走线，不从导线在集成块上方跨过，以免妨碍排除故障或调换器件，而且漂亮、整洁。
3.布线的时候先布电源线和地线，再布固定使用的规划线（如固定接地线或接高电平、或接时钟脉冲的连线等），最后再逐级连接控制线及各种逻辑线。
必要时可以边接线边测试，逐级进行。
走线应尽可能少遮盖其它插孔，以免影响其它导线的插入。
这样避免漏插和错差。
八、实验分析和总结
本次实验，让我学到很多，也懂得很多。
一切都是在自我摸索中学习进步。
虽然我们有事先准备，但不够充分。
比如说，我们都在设计中使用了74LS161，而实际学习中是以74LS163居多的，因为实验室只有74LS161而没有74LS163，所以我们就没有74LS161的管脚图。
也就无法检查其功能，和连接电路图，还的在实验时间上花时间去找，造成实验时间的浪费。
按以上步骤设计好电路以后，在实验中也出现很多问题，如把电容调换了导致不能产生秒脉冲。
线路没接牢导致的接触不良，出现了两次。
而复位没做好使得计数不是从零开始等。
但由于我们实验还算相对小心以及认真的思考，所以出现的问题也能及时的解决，使得实验及时的完成。
本次实验最大的感触是，做实验遇到问题要耐心，有毅力，冷静沉着的思考，才会发现问题的根源以及找到解决的途径。
特别是我们做计数部分时，出现的计数不正常的时候，很容易出现浮躁。
但是那是解决不了问题的，认真的盯着计数器看，还真让我找到了规律。
也幸亏老师鼓励我们坚持到底，不要放弃，不然的话，我们就会停留不前，不去思考。
由于努力，提前完成了实验，比较圆满，甚为欣慰，也更加明白成果是靠努力的、靠思考和及时请教老师而获得帮助，而解决问题是靠冷静思考的。
九、参考文献
1、《数字电路逻辑设计》（脉冲与数字电路第三版）
王疏银主编高等教育出版社
2、《数字电路实验指导书》
张亚婷王利杨乐周丽娟郭华编（西安邮电学院电子与信息工程系）
3．《数字系统设计---数字电路课程设计指南》
高书莉编著北京邮电出版社
4.《数字逻辑电路设计与实验》
绳广基编著上海交通大学出版社1989．
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