简易交通灯控制逻辑电路设计.docx
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简易交通灯控制逻辑电路设计
简易交通灯控制逻辑电路设计
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：
555定
时器
计数进制转换器
交通显示灯
紧急开关
交通灯选择器
通道选择器
图2
1）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。
2）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。
三、单元电路设计
1．倒计时计数器
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．黄灯控制电路
这里是采用数据分配器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
3．信号灯转换电路（计数进制转换器）
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
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
5．紧急开关
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
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图
图8
2．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
五、仿真调试与分析：
1．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
2．5s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．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。
4．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
六、结论与心得
课程设计诚然给了我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。
至于建议，一言以蔽之，大学教育当如此。
七、参考文献
[1]高吉祥。
数字电子技术。
北京：
电子工业出版社
[2]梁宗善。
电子技术基础课程设计[M]。
武汉：
华中理工大学出版社
[3]李玲远，范绿蓉，陈小宇。
电子技术基础实验。
北京：
科学出版社
[4]彭介华。
电子技术课程设计指导[M]。
北京：
高等教育出版社
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