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1、1 交通灯控制逻辑电路实验报告 2 福州大学阳光学院 题目：交通灯逻辑控制电路设计系别：电子信息工程系 班级：2011 级通信（二）班 学号：241199196 姓名：蒋联水 指导老师：杨 XX 目录 3 1、设计的目的及任务(1)1.1 设计的目的(1)1.2 设计的任务和要求(1)1.3 扩展的要求(2)2、电路设计总方案及原理框图(2)2.1 电路设计总方案(2)2.2 原理框图(3)2.3 内容摘要(3)3、各单元电路的工作原理(3)3.1 秒脉冲产生电路(3)3.2 倒计时计数器以及显示电路的设计(6)3.2.1 倒计时电路(6)3.2.2 显示电路(7)3.3 信号灯的转换方法(8
2、)3.3.1 四分频电路(8)3.3.2 信号灯的转换电路(9)3.4 倒计时计数器与信号灯转换器的连接(10)3.5 白天夜间模式切换的设计(10)3.6 模拟汽车行驶电路设计(11)4、总设计电路图(11)5、电路的安装及调试(12)6、实验结果检验(12)7、总结及心得体会(13)参考文献(14)附录 1 器件明细表(14)1、设计的目的及任务 1.1 设计的目的 4 这次的数字电路课程设计主要综合了解与运用所学的知识，通过这次课程设计来检查 20122013 上半期的学习状况。通过制作来了解交通灯控制系统，了解 555多谐振荡器、D 触发器、移位寄存器、加减法计数器、译码器、数码管以及
3、各种门电路芯片的作用等。交通灯控制系统主要是实现城市交叉路口红绿灯的控制。在现代化的大城市中，十字交叉路口越来越多，在每一个交叉路口都需要有一个准确的时间间隔和转换顺序，这就需要一个安全、自动的系统对红、黄、绿的转化进行管理。本次的设计就是基于此目的进行的。1.2 设计的任务和要求（1）、满足图 1-1 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，东西方向黄红灯亮
4、。（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 1-2 所示。图 2 中，假设每个单位时间为 4 秒，则南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别 20 秒、4 秒、24 秒，一次循环为 48 秒。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和。图 1-1、交通灯顺序工作流程图 5 图 1-2 交通灯时序工作流程图 （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 计数方式方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯
5、交换，一次工作循环结束，进入下一步某方向地工作循环。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时，数显的值应为 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。1.3 扩展的要求（1）灯的转换可以手动调整，夜间为黄灯闪耀。（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
6、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、电路设计总方案及原理框图 2.1 电路设计总方案 为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制信号灯来进行6 指挥。其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。交通灯控制电路的系 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 NSG t 统框图如图 2-1 所示：图 2-1 交通灯控制器系统框图 2.2 原理框图 2.3 内容摘要 通过分析交通灯控制系统的要求可知，整个系统主要由秒脉冲信号发生器、触发器、寄存器、计数器、译码器、数
7、码管以及各种门电路构成。其中，由 555 定时7 器秒脉冲信号发生器；计数器由四片异步置数计数器 74LS192 芯片组成、显示部分用数码管构成；由两个都 D 触发器构成四分频以控制信号灯的工作，同时置数部分为信号灯提供状态转换信号。主控制器和定时计数器均使用秒脉冲信号。控制电路是系统的主要部分，由它控制定时计数电路和信号灯电路的工作能够实现交通灯四种状态的自动转换。3、各单元电路的工作原理 3.1 秒脉冲产生电路 方案一：由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计 秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以 是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以
8、是用定时器 555和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用555 定时器组成多谐振荡器。振荡周期与频率的计算公式为：T=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C,电源电压为Vcc=12V，其中电路图中C1的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，课程设计中要求输出T=1S，选取电容为 C=10nF，R1=28.86M，根据振荡周期计算，选择电阻 R2=57.72M。电路如图 3-1 所示：图 3-1 多谐振荡器产生秒脉冲电路 8 由此电路就可以产生脉冲频率为 1 赫兹的脉冲。方案二：用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器,如图 3-2。先用石英晶体振荡器
9、和若干电阻电容组成频率为 32768Hz 的信号发生器，再用十四位二进制计数器 CD4060 14 进行 14 分频使其成为 2Hz 的信号，最后用 D 触发器进行 2 分频，使其成为频率为 1Hz 的秒脉冲信号。图 3-2 石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器 方案选择：本设计中由于用秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度会影响计数器的精度，进而影响控制系统的精度，因此要求秒脉冲信号具有比较高的精度，为提高精度可先做一个频率比较高的矩形波振荡器，然后将其输出信号分频，就可以得到频率较低而精度比较高的脉冲信号发生器。用石英晶体构成秒脉冲信号发生器不需要外加输入信号，而且其脉冲频率很稳定，
10、起振快、时基精度高，它的工作频率仅决定于石英晶体的振荡频率，而与电路中的 R、C 的数值无关。综上考虑，在实际应用中秒脉冲信号发生器的设计选用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器。但由于本次设计是要求精度不是很高，所以选择简单，方便使用 555 定时器构成的秒脉冲触发器代替。在仿真精度不高的前提下，也可9 以使用 RC 多谐振荡器构成的电路来提供秒脉冲。3.2 倒计时计数器以及显示电路的设计 3.2.1 倒计时电路：十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们直观的把握时间。具体的工作方式为：当某方向绿灯亮时，时间显示器为某值，然后以每秒减 1 的计数方式工作，直至减到 4 或 0 时，
11、十字路口的红绿灯变换，一次工作结束后进入下一步某方向的工作循环。计数器采用 74ls192 进行设计比较简便。它是双时钟方式的十进制同步加减法可逆计数器，.具有异步并行置数的功能。功能表如图 3-3 所示：表 3-3 74LS192 的功能表 74LS192 具有下述功能：（1）、CPU 为加计数时钟输入端，CPD 为减计数时钟输入端。（2）、LD 为预置输入控制端，异步预置。（3）、CR 为复位输入端，高电平有效，异步清除。（4）、CO 为进位输出：1001 状态后负脉冲输出，（5）、BO 为借位输出：0000 状态后负脉冲输出。利用集成计数器芯片可方便地构成任意（N）进制计数器。因为本设计
12、要求以减数状态计数，所以将 UP 端接在高电平上，使计数器工作在减法状态，因为要计数的数字从 24 开始，所以要预置数为 24。3.2.2 显示电路：显示部分用七段数码管，将 74ls192 二进制输出经过 CD4511 译码器译码成数码10 管上。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED（数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器。具有 BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动共阴 LED 数码管。其引脚功能如图 3-4 所示以及真值表如图 3-5 所示 图 3-4 CD4511 引脚图 A0
13、A3：二进制数据输入端/BI：输出消隐控制端 LE：数据锁定控制端 v/LT：灯测试短 YaYg：数据输出端 VDD：电源正 VSS：电源负 11 图 3-5 CD4511 的真值表 因此显示的电路图设计如图 3-6 所示：12 图 3-6 计数器数字显示电路图 3.3 信号灯的转换方法 信号灯的转换方式由两个D触发器和一个74ls163移位寄存器以及与门和非门逻辑电路连接而得到。3.3.1 四分频电路：在电子技术中，N/2(N 为奇数)分频电路有着重要的应用，对一个特定的输入频率，要经 N/2 分频后才能得到所需要的输出，这就要求电路具有 N/2 的非整数倍的分频功能。CD4013 是双 D
14、 触发器，在以 CD4013 为主组成的若干个二分频电路的基础上，加上异或门等反馈控制，即可很方便地组成 N/2 分频电路。D 触发器的功能表如表 3-7 所示：13 图 3-7 D 触发器的功能表 用 CD4013 双 D 触发器做的脉冲 4 分频器如图 3-8 所示：图 3-8 四分频电路 3.3.2 信号灯的之间的转换电路 信号灯的转换方法采用 74LS164 移位寄存器进行较简便的设计。74ls164 是一个串入并出的 8 位移位寄存器，其引脚图如图 3-9 和功能表 图 3-10 14 图 3-9 74ls164 引脚图 图 3-10 功能表 根据以上功能，选用数据选择器 74LS1
15、63 来实现当 Q4=0，Q5=0 时，经过 4t 南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；当 Q4=1，Q5=0 时，南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；当 Q4=1，Q5=1 时，南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；当 Q4=0，Q5=1 时，南北方向红灯亮，东西方向黄红灯亮。其信号转换如图 3-11 所示：15 图 3-11 信号的转换电路 3.4 倒计时计数器与信号灯转换器的连接 倒计时计数器向信号灯转换提供的定时信号由 74LS164 的 Q5 端来实现信号灯的转换。当 Q5=0 时，此时是南北信号倒计时，当南北黄灯亮时，预西北置数为 24；当 Q5=1 时，通过 74ls04 非门，此时是东西信号
16、倒计时，当西北黄灯亮时，预南北置数为 24,此时给信号灯转换器一个脉冲，是信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。其电路如图 3-12 所示 图 3-12 倒计时计数器与信号灯转换器的连接 3.5 白天夜间模式切换的设计 为了使实验在一次课设时间内完成，本设计中白天与夜间的转换开关为手动开关，在实际应用中可以设计自动转换开关。作为白天与夜间的自动转换开关。这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。第二天天亮后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。在本次课程设计中选择使用手动切换白天与夜晚模式的选择。当晚上工作时只有两个黄灯工作且处于闪烁状态，所以电路中将高电平信号与秒脉冲信号相与之后给黄灯，而绿灯和红灯接收到的一直为低电平信号所以不工作。16 本次的设计简单，通过双控制开关，一边通过接地与门志零，将所有的指示灯先熄灭，另一边通过接脉冲开关，将脉冲直接送给两个黄灯。实现夜间与白天的转换。其电路如图 3-13 所示：图 3-13 手动控制部分 -全文完-