简易逻辑交通灯控制电路.docx
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简易逻辑交通灯控制电路
重庆信息技术职业学院
毕业设计
题目简易逻辑交通灯控制电路
选题性质：
设计□报告□其他
院系电子工程学院
专业电子信息工程技术
班级10级
（1）班
学号1020090122
学生姓名邓成义
指导教师王芳莉
教务处制
2012年9月1日
2013届电子工程学院
毕业设计选题审批单
年级专业班级
学生姓名
学号
选题
选题性质
□设计□报告□其他
选题论证：
指导教师初审意见：
签名：
年月日
毕业设计工作领导小组审批意见：
签名：
年月日
2013届电子工程学院
毕业设计开题报告及进度要求
年级班级
学生姓名
学号
指导教师
选题性质
□设计□报告□其他
选题
选题的目的和意义：
选题研究的主要内容和技术方案：
毕业设计工作时间
2012年9月1日至2012年10月20日
毕业设计工作日程安排
时间段
工作内容
9月1日-9月8日
选题、开题、制定任务、开题
10月20日
完成毕业设计
指导教师意见：
成果要求：
签字：
年月日
摘要
交通灯在日常生活中随处可见，它为城市道路中车辆的有序通行提供有力的保证。
74系列集成电路设计的模拟交通灯系统由四个部分构成：
秒脉冲产生单元电路，显示单元电路，定时单元电路以及电源单元电路。
秒脉冲产生单元电路采用频率为32768Hz的高精度晶振为电视电路提供频率为1Hz的标准脉冲电路J-K触发器在定时器产生的时序脉冲的下，对交通灯的熄亮进行有序控制。
定时单元电路中，即实现了定时的功能，又实现了将时间输出到数码管上的功能。
电源单元电路则为整个电路提供所有需要的电压。
可以利用单片中的的知识进行绘制单元电路，利用仿真软件进行仿真测试。
目录
摘要1
目录2
绪论3
第一章设计方案分析4
一、设计任务与要求4
1．东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s。
4
2．东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s。
4
3．南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l0s。
4
4．如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。
4
二、方案设计与论证4
1.正常运行时5
2.紧急情况时5
3.正常运行时5
4.紧急情况时5
第二章、单元电路设计7
2.1．倒计时计数器7
2.2．黄灯控制电路10
2.3．信号灯转换电路（计数进制转换器）11
2.4．交通灯显示电路11
2.5．紧急开关12
第三章仿真调试与分析14
3.1．如何使用仿真软件进行设计14
3.2．记时监测14
3.3监测交通灯切换16
3.4、紧急开光的作用16
结论与心得19
参考文献20
绪论
简易逻辑交通灯控制电路，是现实中比较常用的，在道路交通中我们常常能够看到交通灯红灯，黄灯，绿灯，这些交通灯根据不同的控制方式，车流量的不同，开放车辆和行人时间在不同场景均不相同，交通灯无非两种方式实现交通灯的功能，使用逻辑电路控制或是使用接口技术。
在这次设计中，我采用逻辑电路设计方式，在设计过程中采用三大步走的方式，第一大步设计总体方案，第二大步电源电路的设计，第三大步就是调试和运行。
在第一大步中主要对采用的不同方案进行论证，采用一种最佳的方式进行从而达到最佳效果；在第二大步的单元电路设计中，使用到74192加减计数器，555定时器，T’触发器，JK触发器等，采用合适器件搭配实现电路要求能使电路工作时达到最佳效果。
第一章设计方案分析
一、设计任务与要求
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
根据设计任务与要求，我们可以知道这个交通灯的设计是分主次干道的，两个方面的时间是不同的，东西方向通行15s，南北方向10s，这就要求我们要有两个计数器，根据我自己的经验，东西方向通行15s完，倒计时数字显示器会显示到0，然后切换到南北方向通行10s完之后，倒计时数字显示器也会显示到0之后然后切换到东西方向，这样如此循环，这样的话我们就要设计一个16进制和一个11进制的计数器，根据我们所学和知识，可以用两片74192芯片来构成对应进制的计数器，由于是15和10之间循环切换，我们可以用利用JK触发器的翻转功能来实现两种进制计数器之间的切换；当然还有每个方向倒计时只有5s时，黄灯闪，一直到0为止，由于黄灯是当两个计数器倒计时到5时开始闪，我们就可以在这时发出一个脉冲然后一直保持到0，或者是接收0~5这段时间的脉冲都可以控黄灯只在到了这段时间才亮；还有就是一个紧急开关，我们可以控制在出现紧急情况时使用清零端使之清零，并且红灯直接接到电源，使之一直处于亮的状态。
方案一：
交通灯控制原理图：
图1
1.正常运行时
首先倒计时预置数，通过秒脉冲源给倒计数器发送秒脉冲，倒计时器开始倒计时，驱动时间显示器显示，并且交通灯也正常运行，当倒计时器计到5s时，我们当然同时可以在时间显示器上看到，这时倒计时器驱动黄灯控制器，使正在亮绿灯方向的黄灯闪烁，当倒计时器计到0时，驱动计数进制转换器，使倒计时器预置为另一个进制，并同时控制和改变交通灯的显示，其实就是计数进制转换器既可以完成进制转换，也同时充当了交通灯的转换功能。
如此往复循环。
2.紧急情况时
当按下紧急开关时，倒计时器一直处于清零状态，车辆通行的交通灯四个方向的红灯同时亮起。
并且在出现紧急情况后恢复正常时通过紧急开关可以切换哪个方向先通行。
方案二：
交通灯控制原理图：
图2
3.正常运行时
由555定时器计时，驱动交通灯选择器控制交通灯的显示，当一个方向的计数完成之后会产生一个脉冲，给通道选择器，然后通道选择器驱动计数进制转换器转换到另一个进制，由计数进制转换器预置555定时器的定时时间，然后再驱动交通灯选择器控制交通灯的显示，如此往复，其中555定时器是由电阻和电容来控制定时时间，其中的计数进制转换器就可用一个数据分配器74138来选择所需电阻的大小来控制，通道择器就可用两个JK触发器构成一个四进制的计数器，其中两个输出端就可以来作为计数进制转换器74138的输入，并且这两个输出端还可作为交通灯选择器74138的输入。
4.紧急情况时
当按下紧急开关时，使交通灯选择器的使能端为0，各个方向的红灯直接接到电源，这
样可以使车辆通行的交通灯四个方向的红灯同时亮起。
选择：
通过这两个方案的对比，由第二个方案用的是555定时器来计时，所以无法显示倒计时的时间，并且在出现紧急情况后恢复正常时也不能通过紧急开关切换哪个方向先通行。
我觉得第一个方案更符合我们的实际要求，所以我选择了第一个方案。
第二章、单元电路设计
2.1．倒计时计数器
2.1.1集成74192加、减计数器
74192上升沿触发，由ＵＰ，ＤＯＷＮ两管脚控制加减计数，有异步置数端ＬＯＡＲ和异步复位端ＣＬＲ，ＢＯ’和ＣＯ’分别输出高电平表示加进位和减进位。
由于74192没有保持脚，故需要外围电路实现保持功能。
因为74192上升沿触发，所以把ＵＰ，ＤＯＷＮ强制置低电平即可实现保持功能。
2.1.2JK触发器
边沿型JK触发器的状态转移真值表、特征方程、状态转移图及激励表与主从JK触发器完全一致，只不过在画工作波形图时，不用考虑一次变化现象。
脉冲工作特性
该触发器无一次变化现象，输入信号可在CP触发沿由1变0时刻前加
入。
由图7.6.1可知，该电路要求J、K信号先于CP信号触发沿传输到G3、G4的输出端,为此它们的加入时间至少应比CP的触发沿提前一级与非门的延迟时间。
这段时间称为建立时间test。
输入信号在负跳变触发沿来到后就不必保持，原因在于即使原来的J、K信号变化,还要经一级与非门的延迟才能传输到G3和G4的输出端,在此之前，触发器已由G12、G13、G22、G23的输出状态和触发器原先的状态决定翻转。
所以这种触发器要求输入信号的维持时间极短，从而具有很高的抗干扰能力，且因缩短tCPH可提高工作速度。
从负跳变触发沿到触发器输出状态稳定，也需要一定的延迟时间tCPL。
显然,该延迟时间应大于两级与或非门的延迟时间。
即tCPL大于2.8tpd。
综上所述，对边沿JK触发器归纳为以下几点：
1.边沿JK触发器具有置位、复位、保持（记忆）和计数功能；2.边沿JK触发器属于脉冲触发方式，触发翻转只在时钟脉冲的负跳变沿发生；3.由于接收输入信号的工作在CP下降沿前完成，在下降沿触发翻转，在下降沿后触发器被封锁，所以不存在一次变化的现象,抗干扰性能好，工作速度快。
电路结构
主从JK触发器是在主从RS触发器的基础上组成的。
在主从RS触发器的R端和S端分别增加一个两输入端的与门G11和G10，将Q端和输入端经与门输出为原S端，输入端称为J端，将Q端与输入端经与门输出为原R端，输入端称为K端。
工作原理
由上面的电路可得到S=JQ,R=KQ。
代入主从RS触发器的特征方程得到:
当
J=1，K=0时，Qn1=1；
J=0，K=1时，Qn1=0；
J=K=0时，Qn1=Qn；
J=K=1时，Qn1=-Qn；
由以上分析，主从JK触发器没有约束条件。
在J=K=1时,每输入一个时钟脉冲，触发器翻转一次。
触发器的这种工作状态称为计数状态，由触发器翻转的次数可以计算出输入时钟脉冲的个数。
工作特性
建立时间：
是指输入信号应先于CP信号到达的时间，用tset表示。
由图7.5.5可知,J、K信号只要不迟于CP信号到达即可，因此有tset=0。
保持时间：
为保证触发器可靠翻转，输入信号需要保持一定的时间。
保持时间用tH表示。
如果要求CP=1期间J、K的状态保持不变，而CP=1的时间为tWH，则应满足：
tH≥tWH。
传输延迟时间：
若将从CP下降沿开始到输出端新状态稳定地建立起来的这段时间定义为传输时间，则有：
tPLH=3tpdtPHL=4tpd最高时钟频率：
因为主从触发器都是由
两个同步RS触发器组成的,所以由同步RS触发器的动态特性可知,为保证主触发器的可靠翻转，CP高电平的持续时间tWH应大于3tpd。
同理,为保证从触发器能可靠地翻转，CP低电平的持续时间tWL也应大于3tpd。
因此，时钟信号的最小周期为：
Tc（min）≥6tpd最高时钟频率fc（max）≤1/6tpd。
如果把图7.5.5的J、K触发器接成T触发器使用（即将J和K相连后接至高电平），则最高时钟频率还要低一些。
因为从CP的下降沿开始到输出端的新状态稳定建立所需要的时间为tPHL≥4tpd，如果CP信号的占空比为50%，那么CP信号的最高频率只能达到fc（max）=1/2tPHL=1/8tpd
集成JK触发器的产品较多，以下介绍一种比较典型的高速CMOS双JK触发器HC76。
该触发器内含两个相同的JK触发器,它们都带有预置和清零输入,属于负跳沿触发的边沿触发器,其逻辑符号和引脚分布如下图7.5.6所示。
其功能表如表7.5.1所示。
如果在一片集成器件中有多个触发器，通常在符号前面（或后面）加上数字，以表示不同触发器的输入、输出信号，比如C1与1J、1K同属一个触发器。
综上所述
对主从JK触发器归纳为以下几点：
1.主从JK触发器具有置位、复位、保持（记忆）和计数功能；
2.主从JK触发器属于脉冲触发方式，触发翻转只在时钟脉冲的负跳变沿发生；
3.不存在约束条件，但存在一次变化现象。
JK触发器电路图
4.产生一次变化的原因是因为在CP=1期间，主触发器一直在接收数据，但主触发器在某些条件下（Q=0，CP=1期间J端出现正跳沿干扰或Q=1，CP=1期间K端出现正跳沿干扰），不能完全随输入信号的变化而发生相应的变化，以至影响从触发器状态与输入信号的不对应。
JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元。
JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能，在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。
在实际应用中，它不仅有很强的通用性，而且能灵活地转换其他类型的触发器。
由JK触发器可以构成D触发器和T触发器。
边沿型JK触发器的状态转移真值表、特征方程、状态转移图及激励表与主从JK触发器完全一致，只不过在画工作波形图时，不用考虑一次变化现象。
该触发器无一次变化现象，输入信号可在CP信号促发沿由1变为0时刻加入。
由图7.6.1可知，该电路要求J\K信号先于CP信号触发沿传输到G3、G4的输出端,为此它们的加入时间至少应比CP的触发沿提前一级与非门的延迟时间。
这段时间称为建立时间test。
输入信号在负跳变触发沿来到后就不必保持，原因在于即使原来的J、K信号变化,还要经一级与非门的延迟才能传输到G3和G4的输出端,在此之前，触发器已由G12、G13、G22、G23的输出状态和触发器原先的状态决定翻转。
所以这种触发器要求输入信号的维持时间极短，从而具有很高的抗干扰能力，且因缩短tCPH可提高工作速度。
从负跳变触发沿到触发器输出状态稳定，也需要一定的延迟时间tCPL。
显然,该延迟时间应大于两级与或非门的延迟时间。
即tCPL大于2.8tpd。
这里是采用两片74192两片芯片构成16和11进制计数器，控制个位数字的74192的减计数控制端接1HZ的脉冲输入，其中输入端A、C是接在一起并接在进制控制器的输出端。
其中两个74192的置数端是由控制十位数字的74192一个高位输出端QD通过一个非门接过来的，并且低位输入端A接高电平，控制十位数字的74192的减计数控制端接控制个位数字的74192的借位输出端BO。
两个74192的清零端都接在紧急开关的一端。
如下图：
图3
2.2．黄灯控制电路
2.2.1数据译码器74138
74138，是一个3到8的译码器，下图是其逻辑符号及管脚排布，下表中列出了该器件的逻辑功能，从表中可以看出其输出为低电平有效，使能端G1为高电平有效，/G2,/G3为低电平有效，当其中一个为高电平，输出端全部为1！
在中规模集成电路中译码器有几种型号，使用最广泛！
例 试用74138实现函数F（X,Y,Z）=∑m（0,2,4,7）
用74138实现函数与前面讲到的译码器实现逻辑函数的方法相同，但须注意两点：
1.74138的输出是低电平有效，故实现逻辑功能时，输出端不可接或门及或非门（因为每次仅一个为低电平，其余皆为高电平）；
这里是采用数据译码器74138，该芯片的输入端A、B、C分别接倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QA、QB、QC，为了保证是在显示器只是在显示0~5s时黄灯亮，应把此74138的使能端G1由倒计时计数器中的控制十位数字的74192的输出端QA与由倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QD通过一个或门再经过一个非门接过去。
然后6输出端Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5都分别经过一个非门然后都接入一个或门，那么或门的输出端就是接黄灯的，也即黄灯控制器的输出端。
如下图：
图4
2.3．信号灯转换电路（计数进制转换器）
2.3.1T’触发器
T’触发器,什么是T触发器在数字电路中，凡在CP时钟脉冲控制下，根据输入信号T’取值的不同，具有保持和翻转功能的电路，即当T＝0时能保持状态不变，T’＝1时一定翻转的电路，都称为T’触发器。
T’触发器的特性表逻辑符号T’触发器电路特点①主从JK触发器采用主从控制结构，从根本上解决了输入信号直接控制的问题，具有CP＝1期间接收输入信号，CP下降沿到来时触发翻转的特点。
②输入信号J、K之间没有约束。
③存在空翻现象。
信号灯转换器其实就是由计数进制转换器来实现，即一个JK触发器，其中J、K端都同时接高电平，即构成了一个T’触发器，目的就是实现翻转功能，其时钟输入端是由倒计时计数器中的两片74192的八个输出端经过一个或门然后经过一个非门接入。
如下图：
图5
2.4．交通灯显示电路
一个方向的红灯由信号灯转换电路的反向输出端~Q和一个紧急开关的输出端经过一个或门接入，黄灯是由信号灯转换电路的正向输出端Q和一个紧急开关的输出端经过一个非门以及一个黄灯控制电路的输出端经过一个1HZ的脉冲源，这三个输出端再经过一个与门接入，绿灯由信号灯转换电路的正向输出端Q和一个紧急开关的输出端经过一个非门，这两个输出端再经过一个与门接入；另一个方向的红灯由信号灯转换电路的正向输出端Q和一个紧急开
关的输出端经过一个或门接入，黄灯是由信号灯转换电路的反向输出端~Q和一个紧急开关的输出端经过一个非门以及一个黄灯控制电路的输出端经过一个1HZ的脉冲源，这三个输出端再经过一个与门接入，绿灯由信号灯转换电路的反向输出端~Q和一个紧急开关的输出端经过一个非门，这两个输出端再经过一个与门接入。
其中还加入一人行道的信号灯，这些灯的接法就是红灯接在相邻车辆信号灯的绿灯上，绿灯接在相邻车辆信号灯的红灯上即可，也就是该方向上的车辆通行，人行道就禁通行，反之，人行道通行。
如下图：
图6
2.5．紧急开关
2.5.1单刀双掷开关
单刀双掷开关由动端和不动端组成，动端就是所谓的“刀”，它应该连接电源的进线，也就是来电的一端，一般也是与开关的手柄相连的一端；另外的两端就是电源输出的两端，也就是所谓的不动端，它们是与用电设备相连的。
它的作用，一是可以控制电源向两个不同的方向输出，也就是说可以用来控制两台设备，或者也可以控制同一台设备作转换运转方向使用。
家庭等场所常用两个开关控制同一盏灯，一般进门一个开关，床头一个开放，方便开关灯。
此处2个开关必须都是单刀双掷的开关才行。
用导线将2组单刀双掷的开关的控制线分别连接，公共端则一端连到火线进线上，另一端串接负载灯泡后连到零线进线上。
这样，操作任一开关，都能控制负载灯的亮和灭。
该开关这里用的是单刀双掷开关，一端就是接入每个交通灯，直接接红灯，其它灯是经过了一个非门接入，该端还接入到倒计时计数器两片74192的清零端。
另一端是不起作用，
其实也可以用一个单刀单掷开关，该开关不仅能够在发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。
在处理完紧急事件后，第一次开始进入正常运行状态时还可以通过它控制切换选择哪个方向开始先通行。
图7
第三章仿真调试与分析
3.1．如何使用仿真软件进行设计
在EWB软件中打开设计好的仿真电路，点击开启运行，刚开始是南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮。
分析：
由于倒计时计数器中控制个位数字的74192的输入输入端A、C是同时接在计数进制转换器中的JK触发器的正向输出端Q，而在电路刚启动时JK触发器的现态为O，所以刚开始是11进制的计数器，控制的就是南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮。
效果如下图：
图9
3.2．记时监测
5s过后数码管显示为05时，黄灯就开始闪烁，一直闪到数码管显示为00为止，其中红绿灯状态是不变的。
分析：
当数码管显示为05时，说明倒计时计数器已经计数到了只有5s的状态，此时驱动黄灯控制电路，并不影响其他电路的工作，由于黄灯控制电路是由一个74138构成的，该芯片的输入端A、B、C分别接倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QA、QB、QC，为了保证是在显示器只是在显示0~5s时黄灯亮，应把此74138的使能端G1由倒计时计数器中的控制十位数字的74192的输出端QA与由倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QD通过一个或门再经过一个非门接过去，这样就只有当QA为0，并且QD也为0时才开启此块芯片。
由于74138的输出端是低电平有效，所以6输出端Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5都分别经过一个非门然后都接入一个或门，那么或门的输出端就是接黄灯的。
效果如下图：
图10
图11
3.3监测交通灯切换
然后切换到东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，10s过后开始黄灯闪烁，，一直闪到数码管显示为00为止，其中红绿灯状态是不变的。
分析：
当11进制倒计数完成之后，到数码管显示为00时，就马上驱动计数进制转换器也即信号灯转换电路，因为它就是一个下降沿触发的JK触发器构成的，其中J、K端都同时接高电平，即构成了一个T触发器，实现翻转功能，其时钟输入端是由倒计时计数器中的两片74192的八个输出端经过一个或门然后经过一个非门接入，在不需要翻转的时间段里，时钟输入端一直输入的是低电平，一旦当11（15）进制倒计数到00时，会使得时钟输入端输入1，从0－>1，即产生了一个下降沿，使JK触发器翻转，使得次态为1，由以上单元电路设计中的倒计时计数器可知，此时控制个位数字的74192的输入端A、C都为1，则此时个位的二进制编码是0101即十进制的5，并且同时置数，这样就实现了进制转换，并且在转换的同时，由交通灯显示电路的输入端可知同时也转换了交通灯的显示；效果如图11。
3.4、紧急开光的作用
在任何时候都可以按下紧急开关，一旦按下紧急开关，四个方向的交通灯只有红灯全亮，并且同时数码显示管都显示为00，当需要恢复正常通行就可以弹开紧急开关，就一切显示都会恢复正常，并且我们可以注意到，在按下紧急开关时如果是东西方向通行的话，弹开紧急开关后，是首先恢复南北方向通行，反之，是首先恢复东西方向通行；
分析：
由以上单元电路设计中紧急开关交通灯显示电路的设计可知，当按下紧急开关倒计时计数器一直处于清零状态，所以显示00；并且紧急开关的有效端就是直接接到了红灯，其它灯是通过了一个非门才接入，所以只有红灯亮；由于在按下紧急开关时，
信号灯转换电路也即计数进制转换器中的JK触发器保持了按下紧急开关之前的次态，当弹开紧急开关时，由于倒计时器是处于00状态，这时就会给计数进制转换器一个下降沿，使得JK触发器翻转一次，如果原来是1，现在就是0，反之，现在就为1， 这样就可以通过紧急开关来控制恢复通行的第一次是哪个方向首先通行。
效果如下图：
图12
附录、总原理图及元器件清单
附录总原理图
附录元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
PM5771
1HZ/50%
2
脉冲发生器
2
74LS192
2
计数器
3
CL-5161
4
四输入红色数码管
4
74LS112
1
JK触发器
5
CD4078
2
8输入或门
6
CD4073B
2
3输入与门
7
7HC08N
2
2输入与门
8
CC4071
3
2输入或门
9
74LS04D
10
非门
10
74138
1
数据分配器
11
LH61RGY17
28
模拟交通灯
结论与心得
通过这大学三年的学，我学到了很多东西，专业方面、文化和方面都是我人生的基石，面对众多的可选毕业设计，我选择了这门课来进行设计和答辩，本科有论文，专科有设计，这是每位大学生都必须完成的课程，是对自己几年来学习结果的的一个反馈，对老师的一个交代，也是大学三年来我所积累应用，电子技术应用时一门较为广泛的专业，集成电子器件和设计生产与一体，这需要我们花更多的时间来完善，通过这做毕业课程设计，
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