数字电路交通信号灯的自动控制设计报告.docx
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数字电路交通信号灯的自动控制设计报告
课程设计报告
课程:
数字电路
题目:
交通信号灯的自动控制
院系:
淮北师范大学信息学院
专业:
2012级电子信息科学与技术
学号:
201218052034
姓名:
***
指导老师:
**
完成日期:
2014年06月06日
一、课程设计题目：
交通信号灯的自动控制
背景：
随着经济建设的发展，交通日益繁忙，事故时有发生为了保障行人和行车的安全，在十字路口上，都增设了交通灯控制器。
而且大道通常有车，小道很少有车。
设计要求：
1、通常情况下，大道绿灯亮，小道红灯亮。
2、若小道来车，大道经6秒由绿灯变为黄灯；再经过4秒，大道由
黄灯变为红灯，同时，小道由红灯变为绿灯。
3、小道变绿灯后，则经过10秒钟后自动由绿灯变为黄灯，在经过4
秒变为红灯，同时，大道由红灯变为绿灯。
设计说明和提示:
1、灯的变化出现四个状态，用“1”表示灯亮，“0”表示灯灭，其状
态表如下：
表一
大道
小道
绿（G大）
黄（Y大）
红（R大）
绿（G小）
黄（Y小）
红（R小）
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0
2、原理图
分析：
控制器：
信号灯有四个状态，所以可以用两位二进制数控制这四个状态。
信号灯的四个状态可以用74ls161的两个输出端Q0Q1作为控制信号，Q0Q1通过与非门芯片控制交通灯，信号灯的状态作计时器的选通信号。
计时器：
74ls161通过同步置数构成四秒、六秒、十秒计时器，置数端作为通过门电路做控制器的时钟信号。
秒信号：
NE555可构成秒脉冲发生器，做计时器的控制信号。
检测信号：
当小道来车时使计时器和控制器选通端选通。
2、设计原理：
1、主控电路的设计：
由表1可知道路信号灯的亮灭可由两位二进制数Q1Q0的状态表示，
则可以写出信号灯的状态表达式：
G大=
；Y大=
Q0；R大=Q1
+Q1Q0=Q1
G小=Q1
；Y小=Q1Q0；R小=
+
Q0=
表达式中Q1Q0的状态可有计数器74LS161的Q1和Q0的两个输
出端来表示。
因此由以上表达式可以画出主控电路图如下：
注：
在此电路中，交通灯只有四个状态，所以用161芯片Q0和Q1
两个输出端控制其四个状态。
0000：
G大与R小0001：
Y大与R小0010：
R大与G小0011：
R大与
Y小如图：
大道
小道
状态
绿（G大）
黄（Y大）
红（R大）
绿（G小）
黄（Y小）
红（R小）
（Q3Q2）
Q1Q0
1
0
0
0
0
1
（00）00
0
1
0
0
0
1
（00）01
0
0
1
1
0
0
（00）10
0
0
1
0
1
0
（00）11
2、计时器的设计：
（这里的选通端未表示出，选通端的输入见总电路）
说明：
均采用74ls161同步置数法，置入0000构成所需进制的计时器，此构成的计时器比用异步置零构成的计数器稳定，可靠性高，但是没有进位信号，所以控制器的时钟信号为计时器的置数信号。
6秒计时电路：
注：
运用74LS161同步置数功能，74LS161计时为5时当下个时钟信号到来时
计时器被置为0.所以当EPET控制端输入高电平时实现从0到5的计数。
4秒计时电路：
注：
运用74LS161同步置数功能，74LS161计时为3时当下个时钟信号到来时
计时器被置为0.所以当EPET控制端输入高电平时实现从0到
3的计数。
10秒计时电路：
注：
运用74LS161同步置数功能，74LS161计时为9时当下个时钟信号到来时
计时器被置为0.所以当EPET控制端输入高电平时实现从0到
9的计数。
注意：
本设计中采用计时器的置数端信号作为控制器的时钟信号，之所以不采用计时器的进位信号是因为按照此接法构成的计时器进位端一直是低电位（即没有进位信号），不能作为时钟信号，而置数端会产生高→低→高的信号，可以作为控制器的时钟信号。
3、脉冲发生器：
说明：
作六秒、四秒、十秒计时器的时钟信号。
4、小道检测信号：
使用74ls74芯片（双D触发器），有置0和置1的功能。
功能及
管脚图如下：
CLK1,CLK2时钟信号；D1,D2数据输入端：
Q1,
Q2,
:
输出端
CLR1,CLR2直接复位端（置0端，低电平有效）
PR1,PR2直接置位端（置1端，低电平有效）
本设计中只使用其中一个D触发器，接法如下图：
说明：
开关J2作小道来车信号，本设计中通常情况下J2接高电位，在1Q初态为1，1Q非为0情况下，控制器不选通,大道绿灯亮，小道红灯亮。
当J2产生个由高→低→高的脉冲（再到高的原因是通常情况下J2接高电平）时，当1CLR接收到低电平瞬间，1CLR置0有效，1Q为0，1Q非端为1，控制器被选通，且六秒计时器选通，大小道信号灯才允许切换。
当大道红灯，小道黄灯四秒执行结束，大道绿灯亮小道红灯亮，此时控制器的置数信号加到1PR端，1Q被置1，1Q非为0，控制器不选通，保持大道绿灯小道红灯，等待下次小道的来车信号。
3、实验器材：
NE555一片
74ls161五片
74ls48四片七段共阴极数码管四个（或者74ls47四片七段共阳极数码管四个）、
74ls00六、七片（或者其他与门、非门）
74ls20一片
74ls74一片
10uf电容两个
红、绿、黄LED各两个
开关一个
导线、电阻若干
4、总的设计电路：
说明：
LED组与其相连的排阻、控制电路输入端两个LED、NE555输出端LED等均为检测电路时的检测器件，在设计电路中可以省去。
当其中一个计时器的置数信号来临，置数端进行高→低→高状态转变，其他计时器的置数端均为高电位，所以总的计时器置数端经过与门（本设计中是先经过与非们，再经过非门）作为控制器的时钟信号时，顺序产生的上升沿使控制器中的计时器计数，进而改变信号灯的状态。
5、心得与体会：
通过这次课程设计我学到了很多，同时也收获了很多。
当时之所以选择交通信号灯这个课程设计，是因为在现实生活中交通信号灯一直是很普遍的，但是却不知道它是如何实现自动控制的，为了满足我的好奇心和探索其中的奥秘，我选择了交通信号灯的自动控制的设计。
刚拿到设计内容时我感到无从下手，因为在《数字电路》课程的学习中我们只是注重理论，并没有进行实践或数字电路的设计，但是有句话说得好“既然选择了远方，便只顾风雨兼程”。
所以我又认真的复习了上学期的《数字电路》课程，这里着重复习了第四章的组合逻辑电路，第六章的时序逻辑电路和第五章的触发器。
通过复习对我的设计有很大的帮助：
1、我明白到对于设计首先要将其分为若干个简单的模块，然后将这几个模块设计好并连接起来，这也就是“自顶向下”与“自底向上”两种方法（参167页），这让我对这次的设计有了开头的想法；2、我加深了对组合逻辑电路和时序逻辑电路（状态机）区别的理解，例如74ls161芯片是由时序逻辑电路构成的芯片，而74ls47、74ls48、半加器等是组合逻辑电路构成的芯片；3、我加深了对同步，异步区别的理解。
例如同步时序电路即所有的触发器均在同一时钟信号下工作，而异步时序电路并不是仅在一个时钟信号控制下工作的。
最重要的是我加深了对计数器同步置数与异步清零的认识，这对我设计计时器帮助很大——同步置数是当置数信号来临时，计时器并不立即被置数，而是等待下一个时钟信号到来时与其同步变化。
而异步清零不与时钟信号同步，当清零信号到来时计时器立刻被清零，与时钟信号是异步的。
当然我在书本上获得的并不仅仅只有这些，还有更多。
在用Multisim仿真软件对设计的电路进行仿真时，也是采用结构化的仿真。
首先是对秒脉冲发生器进行仿真；其次是对六进制、四进制、十进制计时器进行仿真；再次是对控制电路进行仿真。
进行一系列的结构仿真，让我更好的组合成完整的电路仿真。
当仿真正确时，我开始动手在面包板上连电路图，连电路图的过程中也是按照仿真的步骤进行的，而且每完成一个结构都会进行验证。
中间出现了一系列问题，我也都一一克服了。
比如：
忘记接高电位、导线连接错误等。
当每结构验证都正确时才动手进行各个结构之间的连接，这时候也会出现一系列问题。
比如：
初态条件下，控制电路和六进制计时器均选通时，六进制计数器不计数，这时我又认真检查了计时器选通端及选通端的的输入，计时器的时钟信号，最终解决了问题。
当然，在课程设计过程中帮助我的人很多，我们组成员的合作对成功设计有很大帮助,一些解决不了的问题我请教了指导老师和教我AltiumDesigner课的老师，他们都给了我详细的解答，在此对他们表示感谢。
说明：
本设计由于实验器材的局限性，采用的是加法器计时，而且秒脉冲的产生需要选取合适的555定时器外接电容和电阻。
限于时间仓促，设计的不是很完美，还请见谅。
二零一四年六月六日
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