王高建19交通灯控制电路设计.docx
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王高建19交通灯控制电路设计
数字电子技术课程设计
题目:
交通灯控制电路设计
学生学号：
320608030212
学生姓名：
欧阳宇
专业班级：
电信06（专升本）-02班
起止日期：
07.01.15—07.01.26
河南理工大学
交通灯控制电路
一、设计任务与要求
1．设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；
2．要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；
3．黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。
二、实验预习要求
1．复习数字系统设计基础。
2．复习多路数据选择器、二进制同步计数器的工作原理。
3．根据交通灯控制系统框图，画出完整的电路图。
三、设计原理与参考电路
1．分析系统的逻辑功能，画出其框图
交通灯控制系统的原理框图如图12、1所示。
它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。
图中：
TL:
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到，TL=1，否则，TL=0。
TY：
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到，TY=1，否则，TY=0。
ST：
表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。
由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
图12、1交通灯控制系统的原理框图
2．画出交通灯控制器的ASM（AlgorithmicStateMachine，算法状态机）
（1）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。
表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。
（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。
表示甲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，乙车道禁止通行。
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）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙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）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙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。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表12、1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：
表12、1控制器工作状态及功能
控制状态信号灯状态车道运行状态
S0（00）甲绿，乙红甲车道通行，乙车道禁止通行
S1（01）甲黄，乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行
S3（11）甲红，乙绿甲车道禁止通行，甲车道通行
S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，甲车道缓行
AG=1：
甲车道绿灯亮；
BG=1：
乙车道绿灯亮；
AY=1：
甲车道黄灯亮；
BY=1：
乙车道黄灯亮；
AR=1：
甲车道红灯亮；
BY=1：
乙车道红灯亮；
由此得到交通灯的ASM图，如图12、2所示。
设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。
依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。
3．单元电路的设计
（1）定时器
定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）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，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。
74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。
74LS163的外引线排列图和时序波形图如图12、3所示，其功能表如表12、2所示。
图中，是低电平有效的同步清零输入端，是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTT是计图12、2交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。
由两片74LS163级联组成的定时器电路如图12、4所示。
电路的工作原理请自行分析。
图12、374LS163的外引线排列图和时序波形图
（2）控制器
控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表12、3所示。
选用两个D触发器FF1、FFO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；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝01状态。
这两种情况与条件TY无关，所以用无关项"X"表示。
其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。
表12、274LS163功能表
表12、3控制器状态转换表
根据表12、3、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的项所对应的输人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，选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（）加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。
控制器的逻辑图如图12、5所示。
图中R、C构成上电复位电路。
图12、5控制器逻辑图
（3）译码器
译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。
控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表12、4所示。
实现上述关系的译码电路请读者自行设计。
四、实验仪器设备
1．数字电路实验箱
2．集成电路74LS741片，74LS101片，74LS002片，74LS1532片，74LS1632片，NE5551片
3．电阻51KΩ1只，200Ω6只
4．电容10Uf1只
5．其它发光二极管6只
五、实验内容及方法
表12、4控制器状态编码与信号灯关系表
状态
AGAYAR
BGBYBR
00
1 0 0
0 0 1
01
0 1 0
0 0 1
10
0 0 1
1 0 0
11
0 0 1
0 1 0
1．设计、组装译码器电路，其输出接甲、乙车道上的6只信号灯（实验时用发光二极管代替），验证电路的逻辑功能。
2．设计、组装秒脉冲产生电路。
3．组装、调试定时电路。
当CP信号为1Hz正方波时，画出CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL．、TY的波形，并注意它们之间一的时序关系。
4．组装、调试控制器电路。
5．完成交通灯控制电路的联调，并测试其功能。
总结
由于我们刚学习过了数字电子电路对电子技术有了进一步的了解，但那都是一些理论的东西。
通过这次交通灯的课程设计，我们才把学到的东西与实践相结合。
从中对我们学的知识有了更进一步的理解。
在此次的课程设计过程中，还参考一些电子设计书籍和互联网上的有关器件及集成电路等方面的资料和借鉴了一些电子钟的设计方法。
通过这一系列的步骤使我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。
也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。
虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。
设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。
至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想和设计电路中的每一个环节，电路中各个部分的功能是如何实现的。
各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。
同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。
另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。
虽然我们现在作的不可能到市场上去销售，但我们要为以后作设计培养出好的习惯。
在这次设计过程中，我也对word、ptotel99、画图板等软件有了更进一步的学习，这将给我在以后的工作中和学习中带来一定的帮助。
十、参考文献；
1、《数字电路逻辑设计》，王毓银主编,（第三版）高等教育出版社
2、《数字系统设计》，高书莉主编,北京邮电大学出版社
3.《数字电路实验报告书》，张亚婷编，西安邮电学院
4.《数字电子技术》,李中发主编,中国水利水电出版社
ProtelDXP电路设计教程/李东生等编电子工业出版社出版20047
数字电子技术基础（第四版）/阎石主编高等教育出版社出版199812
TTL高速CMOS手册/科林孙人杰编著电子工业出版社出版20045
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