数字电子技术：交通灯控制电路设计.pdf

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1、数字电子技术：数字电子技术：设计设计交通灯控制电路交通灯控制电路课程设计报告课程设计报告课程名称：课程名称：设计题目：设计题目：院院系：系：班班级：级：设设 计计 者：者：学学号：号：指导教师：指导教师：数字电子技术数字电子技术交通灯控制电路设计交通灯控制电路设计数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计1 1定定秒秒控控译译甲甲乙乙图图 1 1 系统的原理框图系统的原理框图设控制器的初始状态为设控制器的初始状态为 S0S0，当，当 S0S0 的持续时间小于的持续时间小于 2525 秒时，秒时，TL=0,TL=0,控制器保持控制器保持 S0S0不变。只有当不变。只有当S0S0 的持续时间等于的持

2、续时间等于 2525 秒时，秒时，TL=1TL=1，控制器发出状态转换信号，并转换到，控制器发出状态转换信号，并转换到下一个工作状态。如图下一个工作状态。如图 2 2 所示：所示：AGAGTLTLSTSTAYAYTYTYSTSTARARTYTYSTSTSTSTAGAGTLTL图图 2 2 交通灯的交通灯的 ASMASM 图图数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计3.1.23.1.2 总原理图总原理图V V5 5+ +7 710102 29 91 16 65 5V V5 5+ +7 710102 29 91 1U7:CU7:C74LS0474LS04U6:AU6:A121213132 21 1

3、74LS1074LS10U3U3U1U13 34 45 56 6D0D0D1D1D2D2D3D3Q0Q0Q1Q1Q2Q2Q3Q3RCORCO14141313121211111515ENPENPENTENTCLKCLKLOADLOADMRMR7 71 12 26 64 45 53 3A AB BC CD DBI/RBOBI/RBORBIRBILTLT74LS4874LS4874LS16074LS160QAQAQBQBQCQCQDQDQEQEQFQFQGQG13131212111110109 915151414U4U4U2U23 34 45 56 6D0D0D1D1D2D2D3D3Q0Q0Q1Q1

4、Q2Q2Q3Q3RCORCO14141313121211111515ENPENPENTENTCLKCLKLOADLOADMRMR7 71 12 26 64 45 53 3A AB BC CD DBI/RBOBI/RBORBIRBILTLTQAQAQBQBQCQCQDQDQEQEQFQFQGQG74LS4874LS48V V5 5+ +13131212111110109 91515141474LS16074LS1602 21 1U5:AU5:A74LS0074LS003 3U7:BU7:BU7:AU7:A3 34 4+5V+5V2 21 174LS0474LS0474LS0474LS045 51

5、 1 1 1 2 24 41 1E E E E B B A A2 2 1 13 31 12 21 11 11 10 01 13 3 4 4 5 5 6 65 51 1 1 1 2 24 41 13 31 12 21 11 11 10 01 13 3 4 4 5 5 6 63 3 2 2X X1 1 0 0X X X XX X2 2 2 2 2 2 2 2Y Y2 23 3X X2 2 1 1X XX X0 0X X1 1 1 1 1 1 1 1Y Y1 1R8R868k68kU9U974LS15374LS153E E E E B B A A2 2 1 13 3 2 2 1 1X X X X X

6、 X0 0X X2 2 2 2 2 2 2 2Y Y2 23 3X X2 2X X1 1X X0 0X X1 1 1 1 1 1 1 1Y Y1 1U8U874LS15374LS153R9R99 97 79 97 7C1C110nF10nFV V5 5+ +R3R32002001 11 12 21 1D DC CU10:BU10:B3 32 2U10:AU10:AB BA AK KL LC CD DK KL LC CD D1313R RS S10101 1R RS S4 4V V5 5+ +RSTRSTCECECLKCLK15k15kC3C310uF10uFC2C20.01uF0.01uF1

7、1U12U122 26 6D DTHTHN NG GTRTRCVCV5 57 73 3DCDCQ QC CC CV VR R4 48 8NE555NE555+5V+5VQ QQ QQ QQ QR2R22002008 89 974LS7474LS74V V5 5+ +6 65 574LS7474LS74? ?3 31 12 21 10 01 19 95 54 42 21 1U11:DU11:D74LS0874LS08U11:CU11:C74LS0874LS08U11:BU11:B74LS0874LS08U11:AU11:A74LS0874LS081 11 18 86 63 3D2D2R4R4D4

8、D4R5R5D6D6R6R6D5D5R7R7D3D3D1D1LED-REDLED-RED200200LED-GREENLED-GREEN200200LED-YELLOWLED-YELLOW200200LED-YELLOWLED-YELLOW200200LED-GREENLED-GREENLED-REDLED-REDR1R12002001 1数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计图图 3 3 总原理图总原理图3.23.2 单元电路的设计单元电路的设计3.2.13.2.1 脉冲信号发生器脉冲信号发生器脉冲信号发生器由脉冲信号发生器由 NE555NE555 电路及外围电路组成，其中电路及外围电路组

9、成，其中 R8R8、R9R9、C3C3 的电阻电容值决的电阻电容值决定了脉冲宽度。既定了脉冲宽度。既 T=(R8+2R9)C2ln2T=(R8+2R9)C2ln2 当当 T=1ST=1S，即可凑出，即可凑出 R8R8、R9R9、C3C3 其中其中 C3=0.01uFC3=0.01uF 是是为了保持输出的波形的稳定。为了保持输出的波形的稳定。如图如图 4 4 所示，所示，R9R9、C3C3 组成一个串联组成一个串联 RCRC 充放电电路，在充放电电路，在NE555NE555 的的 7 7 脚上输出一个方脚上输出一个方波信号，波信号，C3C3 上得到一个三角波，此三角波送到上得到一个三角波，此三角

10、波送到 NE555NE555 的的 2 2 脚输入端，由脚输入端，由 NE555NE555 内部的内部的比较器和门电路共同作用，维持比较器和门电路共同作用，维持 7 7 脚上的方波信号和脚上的方波信号和 3 3 脚上的输出方波。脚上的输出方波。C3R868k1C20.01uF10uFU12TR2THR915k73DCVCCGND6CV5QR48NE555+5V图图 4 4 脉冲信号发生器原理图脉冲信号发生器原理图3.2.23.2.2 定时器定时器定时器由与系统脉冲信号（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，定时器由与系统脉冲信号（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成， 要求计数要求计数器在

11、状态信号器在状态信号 STST 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进行增 1 1 计数，向控制器提供模计数，向控制器提供模 5 5 的定时信号的定时信号 TYTY 和模和模 2525 的定时信号的定时信号 TLTL。2 2数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计计数器选用集成电路计数器选用集成电路 74LS16074LS160 进行设计。进行设计。74LS16074LS160 是十进制同步加法计数器，它具是十进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。设计图如图有异步清零、同步置数的功能。设计图

12、如图 5 5 所示：所示：U43456710291D0D1D2D3ENPENTCLKLOADMR74LS160261U2Q0Q1Q2Q3RCO14131211157126453ABCDBI/RBORBILT+5VQAQBQCQDQEQFQG131211109151474LS48+5VU7:C74LS045U5:AU6:A12132174LS10374LS00U7:B374LS044+5V2U7:A174LS04图图 5 5 交通灯定时器交通灯定时器其工作原理为：其工作原理为： 由秒脉冲发生器产生的秒脉冲由秒脉冲发生器产生的秒脉冲 CLKCLK 分别送给两个分别送给两个 74LS16074LS1

13、60 的清零端的清零端9 9 处。如图所示：输入端处。如图所示：输入端4 4，4 4，5 5，6 6 分别接地。分别接地。U1U1 的的 7 7 和和 1010 由由 U2U2 的的 1111、1414 经过与门经过与门相与后相连。即：只有当时相与后相连。即：只有当时 1111、1414 处产生一个高电平脉冲时才能触发处产生一个高电平脉冲时才能触发 U1U1 中的中的 1414 产生产生脉冲。当脉冲。当 U13C74LS04U13C74LS04 的的 STST 信号分别送给信号分别送给 U1U1 和和 U2U2 的的 LOADLOAD。就可以得到。就可以得到 TYTY 和和 TYTY 非是非是

14、秒脉冲的秒脉冲的 5 5 倍：倍：TLTL 和和 TLTL 非的结果是秒脉冲的非的结果是秒脉冲的 2525 倍。倍。3.2.33.2.3 译码电路译码电路译码器的主要任务是将控制器的输出译码器的主要任务是将控制器的输出 Q Q1 1、Q Q0 0的的 4 4 种工作状态，翻译成车道上种工作状态，翻译成车道上6 6 个信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 1 1 所示。所示。3 3数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计表表 1 1 控制器状态编码与信号灯关系表控制器状态编码与信号灯关系表Q Q1 1

15、Q Q0 00 00 00 10 11 01 01 11 1由秒脉冲发生器产生了周期性变化的由秒脉冲发生器产生了周期性变化的 CLKCLK 脉冲，脉冲， 一部分送给了定时器的一部分送给了定时器的 74LS16074LS160 芯芯片，片，另一部分送给了控制器的另一部分送给了控制器的 74LS7474LS74 芯片。芯片。在脉冲在脉冲 STST 同时加到定时器同时加到定时器 74LS16074LS160 芯片的芯片的情况下，通过芯片情况下，通过芯片 74LS1074LS10 将会输出将会输出 TYTY、TYTY 非。即非。即 TYTY 和和 TYTY 非放大的结果是秒脉冲的非放大的结果是秒脉冲的

16、 5 5倍；倍；TLTL 和和 TLTL 非放大的结果是秒脉冲的非放大的结果是秒脉冲的 2525 倍。前者输出的信号是后者的倍。前者输出的信号是后者的1/51/5。将定时器将定时器输出的输出的 TYTY、TYTY 非、非、TLTL、TLTL 非分别作用于控制器的芯片非分别作用于控制器的芯片 74LS15374LS153 中，在中，在 CLKCLK 脉冲置于芯脉冲置于芯片片 74LS7474LS74 中会输出高低变化的电平。中会输出高低变化的电平。 控制器中的信号在送给由芯片控制器中的信号在送给由芯片 74LS0874LS08 组成的译码组成的译码器后再通过电路中的指示灯和器后再通过电路中的指示

17、灯和 200200 欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路， 这种电路的结这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。电路设计如图果最终通过小灯的正常闪烁来实现。电路设计如图 6 6：AGAG 绿灯绿灯1 10 00 00 0AYAY 黄灯黄灯0 01 10 00 0ARAR 红灯红灯0 00 01 11 1BGBG 绿灯绿灯0 00 01 10 0BYBY 黄灯黄灯0 00 00 01 1BRBR 红灯红灯1 11 10 00 01312109542U11:D74LS08U11:C74LS08U11:B74LS081U11:A74LS081186R3200D2LE

18、D-RED200R4D4LED-GREEN200R5D6LED-YELLOW200R6D53LED-YELLOW200R7D3LED-GREEND1LED-REDR1200图图 6 6 译码器部分原理图译码器部分原理图4 4数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计3.2.43.2.4 控制器控制器控制器是交通管理的核心，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。列出控制器的状态转换表，如表换。列出控制器的状态转换表，如表 2 2 所示。选用两个所示。选用两个 D D 触发器触发器 74LS7474LS74 作为

19、时序寄存作为时序寄存器产生器产生 4 4 种状态，控制器状态转换的条件为种状态，控制器状态转换的条件为 TLTL 和和 TYTY，当控制器处于，当控制器处于 Q1n+1Q0n+1=00Q1n+1Q0n+1=00 状状态时，如果态时，如果 TL=0TL=0，则控制器保持在，则控制器保持在 0000 状态；否则控制器转换到状态；否则控制器转换到 Q1n+1Q0n+1=01Q1n+1Q0n+1=01 状态。状态。这两种情况与条件这两种情况与条件 TYTY 无关，所以用无关项“无关，所以用无关项“X X”表示。其余情况依次类推，就可以列出”表示。其余情况依次类推，就可以列出了状态转换信号了状态转换信号

20、 STST。表表 2 2 控制器状态转换表控制器状态转换表输输入入现现态态Q Q1 1Q Q0 00 00 00 00 01 10 00 01 11 11 1n nn n输输出出次次态态Q Q1 1n+1n+1状态转换条件状态转换条件T TL L T TY Y0 X0 X1 1X X状态转换信号状态转换信号S ST T0 01 10 01 10 01 10 01 1Q Q0 0n+1n+10 00 00 10 10 10 11 11 11 11 11 01 01 01 00 00 0X 0X 0X 1X 10 X0 X1 X1 XX 0X 0X 1X 11 11 11 01 01 01 0根据

21、上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将 Q Q1 1n+1n+1、Q Q0 0n+1n+1和和 STST 为为 1 1的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中“的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中“1 1”用原变量表示，”用原变量表示， “0 0”用反变量”用反变量表示，然后将各与项相或。表示，然后将各与项相或。选用数据选择器选用数据选择器 74LS15374LS153 来实现每个来实现每个 D D 触发器的输入函数，触发器的输入函数， 将触发器的现态值加到将触发器的现态值加到74LS15374LS153 的数据选择输入

22、端作为控制信号，即可实现控制器的功能。的数据选择输入端作为控制信号，即可实现控制器的功能。控制器原理图如图控制器原理图如图 7 7 所示。图中所示。图中 R R、C C 构成上电复位电路。由两个双多路转换器构成上电复位电路。由两个双多路转换器74LS15374LS153 和一个双和一个双 D D 触发器触发器 74LS7474LS74 组成控制器。触发器记录组成控制器。触发器记录 4 4 种状态，多路转换器与种状态，多路转换器与触发器配合实现触发器配合实现 4 4 重状态的相互交换。重状态的相互交换。5 5数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计+5V151 2 1413121110151 2

23、 14131211103 4 5 62E1E B A2X32X22X12X01X31X21X11X02E1E B A2X32X22X12X074LS1531X31X21X11X0D2U93 4 5 6U874LS1532Y1Y2Y9791112CLKC11310nFRQCLKD3U10:BU10:A71YSQ101RQSQ4+5V89620074LS745R274LS74+5V+5V图图 7 7 交通灯控制器交通灯控制器其原理为：其原理为：CLKCLK 分别送给分别送给 U6AU6A 和和 U6BU6B 的的 3 3 和和 1111 的清零端。将的清零端。将 TYTY 接入接入 U4U4 的的

24、 5 5 和和 U5U5的的 4 4 和和 5 5；TYTY 非接入非接入 U4U4 的的 4 4。如上图所示：。如上图所示：74LS7474LS74 两个两个 D D 触发器作为时序寄存器产生触发器作为时序寄存器产生4 4 种状态。选用数据选择器种状态。选用数据选择器 74LS15374LS153 来实现每个来实现每个 D D 触发器的输入函数，将触发器的现态触发器的输入函数，将触发器的现态值加到值加到 74LS15374LS153 的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。3.2.53.2.5 显示部分显示部分显示部分由显示部分由 74

25、LS4874LS48 的共阴极七段数码管组成，的共阴极七段数码管组成，74LS4874LS48 作为译码器，对作为译码器，对 74LS16074LS160 的的输出信号进行译码，输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出然后通过七段数码管显示出 74LS16074LS160 的计数。的计数。即交通灯需要显示的即交通灯需要显示的时间。其设计图如图时间。其设计图如图 8 8：6 6数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计U17126453ABCDBI/RBORBILT74LS48QAQBQCQDQEQFQG1312111091514U27126453ABCDBI/RBORBILT74LS48QAQ

26、BQCQDQEQFQG1312111091514+5V图图 8 8 由由 74LS4874LS48 和数码管组成的电路和数码管组成的电路3.33.3 仿真结果与分析仿真结果与分析首先连接调试秒脉冲电路。首先连接调试秒脉冲电路。其次进行定时电路的连接和调试。其次进行定时电路的连接和调试。当输入当输入 1Hz1Hz 的时钟脉的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到 2525 秒时，能输电有效的定时时间到信秒时，能输电有效的定时时间到信号。号。 判断各部分电路之间的时序配合关系，判断各部分电路之间的时序配合关系， 然后检查各部分的功能，然后检查各部

27、分的功能， 使其满足设计要求。使其满足设计要求。当电路检查无误后，当电路检查无误后，开始播放，便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通开始播放，便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间定为车时间定为 2525 秒。时间显示器从预置的秒。时间显示器从预置的 0 0 秒，以每秒增秒，以每秒增 1 1，增到，增到 2525 时换为时换为 0 0 时，红灯时，红灯转换为黄灯，其余灯都不变。从增至转换为黄灯，其余灯都不变。从增至5 5 秒又到秒又到 0 0 时，甲车道又由黄灯转换为红灯，乙车时，甲车道又由黄灯转换为红灯，乙车道的红灯转换为绿灯。由此循环下去。道的红灯转换为绿灯。由此循环下去

28、。四、总结四、总结刚开始拿到题目时，真的是无从下手，因为自己对这门课不是那么的熟悉，学的也刚开始拿到题目时，真的是无从下手，因为自己对这门课不是那么的熟悉，学的也7 7数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计不是很好，做课程设计时，只能不断的翻书或查资料。这次课程设计，加强了我动手、不是很好，做课程设计时，只能不断的翻书或查资料。这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力，由于时间比较紧，所以控制器控制信号灯不是很好，但也学到思考和解决问题的能力，由于时间比较紧，所以控制器控制信号灯不是很好，但也学到了很多东西，了很多东西，增强了自己对知识的理解和巩固，增强了自己对知识的理解和巩固，很多

29、以前不是很懂的东西现在也都一一很多以前不是很懂的东西现在也都一一解决了。还好有同学们的帮助和老师的指导，才能使我成功的完成这次课程设计，非常解决了。还好有同学们的帮助和老师的指导，才能使我成功的完成这次课程设计，非常感谢同学和老师的帮助。感谢同学和老师的帮助。五、主要参考文献五、主要参考文献1.1.数字电子技术基础教程阎石主编数字电子技术基础教程阎石主编清华大学出版社清华大学出版社2.2.中国集成电路大全编写委员会编中国集成电路大全编写委员会编国防工业出版社国防工业出版社3. 3.电子电路测试与实验朱定华主编电子电路测试与实验朱定华主编清华大学出版社清华大学出版社4.4.数字逻辑电路设计与实验绳广基编数字逻辑电路设计与实验绳广基编上海交通大学出版社上海交通大学出版社8 8