数电课程设计最终定稿.docx
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数电课程设计最终定稿
数字电子技术课程设计报告
设计课题：
交通灯控制逻辑电路设计
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
设计时间：
题目交通灯控制逻辑电路设计
设计者
指导教师
摘要
数字电子技术是一门实践性很强的课程，而数电课程设计是实践环节的重要组成部分，它给我们提供了一个理论联系实际、检验知识、加深认识、开拓思维、汲取新知识的机会。
书店课程虽然只是一个简单的数字系统，但在思考问题、提出问题、解决疑难、排除障碍的过程中，却能达到升华所学的知识、训练综合、创新能力及团队合作能力的目的。
Summary
Digitalelectronictechnologyisaverypracticalcourse,andseveralelectricalaspectsofcurriculumdesignisanimportantpartofpractice,itgivesusatheorywithpractice,testingknowledge,deepenunderstanding,developideas,opportunitiestolearnnewknowledge.Althoughthebookisjustasimplecourseofdigitalsystems,butinthinkingaboutproblems,askquestions,solveproblemsandremoveobstaclestotheprocessofsublimationofthestudywasabletoachievetheknowledge,training,integration,innovationandteamworkpurposes.
关键词：
控制器；计数器；译码器
Keywords:
controller;counter;decoder
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，信号灯在人们的生活中起着越来越重要的作用。
当前，大量的信号灯控制电路正向着数字化、小功率、多样化，方便人、车、路三者关系的协调，多值化方向发展。
随着社会经济的发展，交通问题越来越引起人们的关注。
随着社会的发展和城市规模的不断扩张，城市交通成为制约城市发展的一大因素。
因此，许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多种方案，而大多数都为交通指挥灯。
本电路也是基于前人设计的基础上进行改进的，全部采用数字电路组成，较以往的方案更为精确。
1设计任务与要求
1.1设计一个十字路口交通信号灯控制器，其要求如下：
满足如图3.2顺序工作流程。
图中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR、NSY、NSG，东西方向的红、
黄、绿灯分别为EWR、EWY、EWG。
它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。
图3.2交通灯顺序工作流程图
1.2应满足两个方向的工作时序：
即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和，南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。
时序工作流程图见图3.3所示。
图3.3中，假设每个单位时间为3秒，则南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别为15秒、3秒、18秒，一次循环为36秒。
其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。
图3.3交通灯时序工作流程图
1.3十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。
具体为：
当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿等交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。
例如：
当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为18，并使数显计数器开始减“1”计数，当减到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数显得值应为3，当减到“0”时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为18。
1.4可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。
1.5.1在完成上述任务后，可以对电路进行以下几方面的电路改进或扩展。
在某一方向（如南北）为十字路口主干道，另一方向（如东西）为次干道；主干道由于车辆、行人多，而次干道的车辆、行人少，所以主干道绿灯亮的时间可以选定为次干道绿灯亮时间的2倍或3倍。
1.5.2用LED发光二极管模拟汽车行驶电路。
当某一方向绿灯亮时，这一方向的发光二极管接通，并一个一个向前移动，表示汽车在行驶；当遇到黄灯亮时，移位发光二极管就停止，而过了十字路口的移位发光二极管继续向前移动；红灯亮时，则另一方向转为绿灯亮，那么，这一方向的LED发光二极管就开始移位（表示这一方向的车辆行驶）。
2方案设计与论证
根据设计任务和要求，参考交通灯控制器的逻辑电路主要框图3.1，设计方案从以下几部分进行考虑。
1.秒脉冲和分频器
因十字路口每个方向绿、黄、红灯所亮时间比例分别为5:
1:
6，所以，若4
秒（也可以3秒）为一单位时间，则计数器每计4秒输出一个脉冲。
这一电路就很容易实现，逻辑电路参考前面有关课题。
2.交通灯控制器
由波形图可知，计数器每次工作循环周期为12，所以可以选用12进制计器。
计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。
这里我们选用中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。
扭环形计数器的状态表如表3.1所示。
表3.1状态表
t
计数器输出
南北方向
东西方向
Q0Q1Q2Q3Q4Q5
NSGNSYNSR
EWGEWYEWR
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
000000
100000
100000
111000
111100
111110
111111
011111
001111
000111
000011
000001
100
100
100
100
100
00
001
001
001
001
001
001
001
001
001
001
001
001
100
100
100
100
100
00
根据状态表，我们不难列出东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式：
东西方向绿：
黄：
红：
南北方向绿：
黄：
红：
由于黄灯要求闪耀几次，所以用时标1s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。
3.显示控制部分
显示控制部分实际上是一个定时控制电路。
当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。
译码显示可用74LS248BCD码七段译码器，显示器用LC5011-11共阴极LED显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。
3.手动/自动控制，夜间控制
这可用一选择开关进行。
置开关在手动位置，输入单次脉冲，可使交通在某一位置上，开关在自动位置时，则交通信号灯按自动循环工作方式运行。
夜间时，将夜间开关接通，黄灯闪亮。
4.汽车模拟运行控制
用移位寄存器组成汽车模拟控制系统，即当某一方向绿灯亮时，则绿灯“G”
信号使该路方向的移位通路打开，而当黄、红灯亮时，则使该方向的移位停止。
如图3.4所示，为南北方向汽车模拟控制电路。
图3.4汽车模拟控制电路
3单元电路设计与参数计算
3.1秒脉冲和分频器
由于定时控制电路工作需要稳定的准确的时间脉冲，各部分电路也是在时间脉冲作用下进行有序的工作，设计好脉冲发生器就显得尤为重要，所以在此将脉冲发生器的设计作为整个电路设计的第一步。
用555定时器组成多谐振荡器：
555定时器是一种应用极为广泛的中规集成电路。
该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。
同时，555定时器用来定时时输出稳定，驱动能力强。
电路图如下。
定时器由与系统秒脉冲同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从30开始进行减1计数。
用555定时器构成的多谐振荡器可以调出频率为1的时钟脉冲，然后再通过分频器4分频就得到要求的时钟脉冲。
具体电路图如下：
3.2单次手动/自动控制脉冲电路
单次手动脉冲电路是由两个与非门组成的RS触发器产生的，当按下K1键时，有一个脉冲输出使74LS164移位计数，实现手动控制。
K2在自动位置时，由秒脉冲电路分频（4分频）后输入给74LS164，这样，74LS164为每4秒向前移一位（计数一位）。
3.3控制器部分
它是由74LS164组成扭环形计数器，然后经译码后输出十字路口南北、东西两个方向的控制信号灯，其中黄灯要满足夜间闪耀，此时红、绿灯灭。
电路图如下：
选用两个D触发器做为时序寄存器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1=00状态时，如果TL=0，则控制器保持在00状态，否则控制器转换到Q1n+1Q0n+1状态，其余情况依次类推。
如表1所示：
根据表1可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：
将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中“1”用原变量表示，“0”用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：
根据以上方程，选用74LS74实现每个D触发器的输入函数，用减法计数器的输出，通过逻辑电路控制双D触发器Q0和Q1在4种状态图间跳变。
3.4数字显示部分
当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS192以减法计数方式工作，计数器选用集成电路74LS192进行设计较简单。
74LS192是4位十进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。
工作时从数字“24”开始往下减，当减法计数到“4”时，南北方向绿灯灭，黄灯闪耀，当计数到“0”时，南北方向绿灯灭。
红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。
由于东西方向红灯灭的信号（EWR=0）,使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮，使东西方向的减法计数器开始工作。
工作电路如下：
在减法计数开始之前，有黄灯亮信号使减法计数器先置入数据，图中接入U/D和LD的信号就是有黄灯亮（为高电平）时，置入数据。
黄灯灭（Y=0），而红灯亮（R=1）开始减计数。
译码显示选用BCD码七段译码器74LS248，显示器选用LC5011-11共阴级LED显示器，计数器选用可预制加减法计数器74LS168，计数器做成二十四进制减法计数器。
在减法计数器开始之前，由红灯亮信号使减法计数器先置如数据，图中接入U/D和LD的信号就是由黄灯亮（Y=1）时，置入数据。
黄灯灭（Y=0），而红灯亮（R=1）时，开始计数。
4总原理图及元器件清单
4.1总原理图
4.2元件清单
7结论与心得
通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和PCB连接图，和芯片上的选择。
这个方案总共使用了74LS248,74LS168,74LS04,74LS00,74LS74,NE555定时器等。
但在设计过程中也遇到了各种各样的问题，经常会遇到这样那样的情况，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解的不够透彻，掌握的不够牢固，因此耗费在这上面的时间用去很多。
在做课程设计同时也是对课本知识的共苦和加强，由于课本上的只是太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
同时通过这次课程设计使我们懂得了理论与实际相结合是很重要的。
只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计过程中遇到了很多专业只是问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。
同时，在老师的身上我们也学到了很多使用的知识，再次表示感谢。
8参考文献
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高等教育出版社，2006
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高等教育出版社，2004
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华中理工大学出版社，2009
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机械工业出版社，2007
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