交通灯课程设计

数字逻辑课程设计报告姓名：学号：选课号：一、设计题目交通灯控制器二、设计要求1．东西方向为主干道，南北方向为副干道；2．主干道通行40秒后，若副干道无车，仍主干道通行，否则转换；4．换向时要有4秒的黄灯期；5．南北通行时间为20秒，到时间则转换，若未到时，但是南北方向已经无车，也要转换。6．附加：用数码管显示计时。三、设计过程1．交通控制灯总体设计方案整个交通控制灯电路可以用主控电路控制交通灯电路的亮灯顺序，用计数器控制亮灯时间并给译码器输入信号以便数码管显示时间，用函数发生器产生频率为1Hz的矩形波信号以供计数器计数。框图如下：显示器主干道信号灯计数器主控电路信号灯副干道单位脉冲信号灯十字路口车辆运行情况只有4种可能（在副干道有车时）：(1)设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为40s。(2)40s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为4s。(3)4s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20s。(4)20s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为4s。4s后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电路也有4种状态，设这4种状态依次为：S0、S1、S2、S3。即：40S后副干道有车主干道绿灯亮，副干道红灯亮计数器由0到40递增计数（S0）40S后副干道无车20S后副干道有车主干道黄灯亮，支干道红灯亮计数器由0到5递增计数(S1)主干道红灯亮，支干道黄灯亮计数器由0到4递增计数(S3)主干道红灯亮，支干道绿灯亮计数器由0到20递增计数(S2)未过20s但副干道已无车状态转换图如下：这四个状态可以用用一个4进制的异步清零计数器(74LS160)进行控制并作为主控部分，控制亮灯的顺序。再用两片计数器(74LS160)控制亮灯时间，分别计数40、20、4。2．主控电路S0S1S2S340s后4s后20s后4s后状态转换图副干道无车20s未到，但已无车主控电路是由一块74LS160接成的4进制计数器，即当QC为1时用异步清零法立刻将计数器清为零，同时，另外两片74LS160计数器产生的清零信号与主控电路的计数器的计数CLK连接，即当计数器一次计数完成后（一种的状态的亮灯时间过后），计数器清零，同时主控电路CLK接收一个脉冲，跳至下一状态。如此循环变可实现四个状态的轮流转换。3．计数器计数器的作用：一是根据主干道和副干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行40s、20s、4s3种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。计数器除需要单位脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的工作情况为：计数器在主控制器进入状态S0时开始40s计数；若在S0状态的40s过后，副干道没有车，则使主控制器始终清零，保持在S0状态（单刀双掷开关处于高电平），继续保持主干道路灯亮，副干道红灯亮。40s后如果副干道有车，则恢复主控制器正常状态（单刀双掷开关处于低电平），计数器产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S1，计数器开始4s计数，4s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S2，计数器开始20s计数；如果副干道一直有车则20s后也产生归零脉冲，使主控制器进入S3状态，如果在20s内没有车，则给主控制器传送一个脉冲信号（即按下按键开关，此时单刀双掷开关处于低电平），使主控制器直接跳到S3状态，同时计数器清零，计数器又开始4s计数；4s后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态S0，开始新一轮循环。根据以上分析，设40s、4s、20s、4s计数的清零信号分别为A、B、C，D，S0状态时副干道有车信号为P，S2状态时副干道有车信号为Q，则计数器的归零信号S为：S=A+B+C+D+QA=0X·1X·（Q2高位）B=0X·1X·(Q1高位)C=0X·1X·(Q2低位)D=0X·1X·(Q2低位)Q=1主控制器的归零信号为：P=0X·1X·1电路图如下：4．灯控电路主控制器的4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为1，灯灭为0，则交通控制灯的译码电路的真值表如下：交通控制灯的译码电路的真值表主控制器状态主干道支干道X1X0红灯R黄灯Y绿灯G红灯R1黄灯Y1绿灯G1S000S101S210S311001010100100100100001010由真值表可写出六盏等的逻辑式,经化简获的六盏灯逻辑式为：1101011010111RXYXXGXXRXYXXGXX根据灯控函数逻辑表达式,可画出由与门和非门组成的状态译码器电路,如图所示。将状态控制器，与三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路，如图所示：5．交通控制灯原理图元件清单为：元件名称元件个数备注计数器74LS1603块CLK低电平有效与门10块与非门1块非门6块或非门2块按键开关1个按下自动弹回单刀双掷开关1个7段数码管2块自带译码器函数发生器1块频率调至1Hz交通灯6个红、绿、黄灯各2个6．74LS160功能简介74LS160芯片是一个具有清零、置数、保持、十进制计数等功能的计数器。其引脚图如下：CLR是清零端，低电平有效；CLK是脉冲输入端口，低电平有效；（一般情况下CLK为高电平有效，本次实验的CLK是低电平有效，设计电路要特别注意）ABCD数据输入端；LOAD为预置端，低电平有效；QaQbQcQd数据输出端；ENP，ENT使能控制端；RCO为进位输出端。74LS160真值表清零预置使能时钟预置数据输入输出工作模式RDLDEPETCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q001111×0111××××0××011×↑××↑××××d3d2d1d0××××××××××××0000d3d2d1d0保持保持十进制计数异步清零同步置数数据保持数据保持加法计数四、设计结论1．数码管时序图上图是0-18s的时序图，0-10s内，低位从0变到9，高位为0，当低位从9变为0时，高位从0变为1，低位继续计数至输出39。2．主控制器时序图当高位计数至3、低位计数至9，即过了40s，S0状态结束，主控制器由00变为01，同时高位与低位同时清零，进入状态S1的计数，4s后，主控制器由01变为10，进入状态S2，同时高位与低位同时清零，进行20s的计数，之后进入S3状态，最后再回到S0状态，如此循环。3．交通灯时序图当40s时，主控制器由00变为01，则主干道绿灯灭，副干道不变，在主控制器为01的4s内，主干道黄灯一直亮，4s后，主干道黄灯灭，红灯亮，副干道由红灯变为绿灯，进入S2状态；S2状态结束时已经是总第64s，进入S3时，主干道维持不变，副干道绿灯灭，黄灯亮，由S3进入S0时，主干道红灯灭，绿灯亮，副干道黄灯灭，红灯亮，然后重复。4．特殊情况（副干道无车）时序图当主干道通行时，40s后副干道无车，则将单刀双掷开关拨至高电平(图中双掷开关一直处在高电平)，由上图可以看到40s后主控制器仍处在S0状态，两个数码管归零，重新计数。当单刀双掷开关拨至低电平，在S2状态内（总第44-64s内），若副干道无车，则按下按键开关，给一个脉冲（由于时间极短，原图中未能显示，上图中的脉冲式加上去的，便于观察），则主控制器直接跳入S2状态，同时译码管归零，重新开始S2状态的计数。5．结果分析通过以上分析，交通控制灯的要求全部实现。6．设计中遇到的问题（1）交通74LS160的CLK是低电平有效，设计的时候应特别注意；（2）刚开始设计时，把低位74LS160的RCO通过反相器连到高位的CLK上，结果发现当低位数码管显示9时，高位已经变成1，后改成现在的连接方式，即并行级联方式。（3）刚开始总的设计思路总想不出来，后来通过翻阅有关书籍和上脉冲网查询，最终确定了试验总体思路；（4）实验中CLK的产生本应使用555定时器，但没有调出来，由于电子实验课上使用的是1Hz的函数发生器产生脉冲，故本实验也采用这种方式。7．设计心得和体会本次实验采用multisim搭建电路，最后仿真成功。设计过程中出现了不少问题，因为根本就不知道从哪里入手，虽然课本上有很多理论知识，但仅仅有理论的指导而没有实践能力是不行的，自己的动手能力差，对所学知识的理解和灵活运用的能力还远远不够，虽然最后解决了所有的问题，但自己的不足也显现了出来。通过这次实验，我认识到了自己在学习上暴露出来的问题，知道了对知识的理解不能仅仅的停留在书本上，还要在实践中检验，相信通过以后的学习，自己会不断提高自己实践能力。