电子技术课程设计—交通灯控制系统设计
目錄
摘要
1 設計目的及要求
1.1設計目的
1.2 題目與要求
2 總體方案設計
2.1 提出原理方案
方案（1）：基于同步模型的電路設計
方案（2）：基于異步模型的加法計數電路設計
方案（3）：基于異步模型的減法計數電路設計
2.2 原理方案的確定
3 單元電路設計及仿真
3.1 秒脈沖電路
3.2 定時系統電路
3.2.1 計數器的構成
3.2.2 T30、T4信號的引出
3.2.3 譯碼顯示模塊
3.3主控系統電路
3.4顯示系統電路設計
3.4.1 普通顯示系統
3.4.2 帶強制通行的顯示系統
4 總體電路連接與測試
4.1 總體電路及仿真測試
4.1.1 總體電路圖
4.1.2 電路調試
4.2 元件清單
5 總結
參考文獻
摘要
本設計通過采用數字電路設計一種交通燈控制系統,設計了一種用數字信號自動控制十字路口南北和東西方向紅、黃、綠交通燈的狀態轉換的方法,并且具有某一方位強制通行的功能。本設計使用555定時器構成多諧振蕩器產生秒脈沖，兩片74LS190可逆十進制計數器級聯作為計數器使用，使用74LS191可預置的四位二進制加/減法計數器用來作為狀態轉換控制器，最終通過Multisim實現了真實情況的模擬。
關鍵詞：交通燈控制系統；74LS190；74LS191；Multisim
1 設計目的及要求
1.1設計目的
本次課程設計要完成全流程的電子線路設計工作。課程設計分為選題、方案設計、電路設計和仿真、PCB文件制作等幾個環節。
1.2 題目與要求
本次課程設計題目的具體要求為：
簡易十字路口紅綠黃信號燈控制器，基本定時功能。
2 總體方案設計
2.1 提出原理方案
（1）南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮(30秒)
（2）南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮(4秒)
（3）南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮(30秒)
（4）南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮(4秒)
（5）如果出現緊急事件，可以手動分別控制兩個方位紅燈全亮
Q1Q0是對四種狀態的編碼，對應關系如表2-1所示。
表2-1 狀態編碼表
| Q1Q0 | 南北 | 東西 |
| 00 | 紅燈亮 | 綠燈亮 |
| 01 | 紅燈亮 | 黃燈亮 |
| 10 | 綠燈亮 | 紅燈亮 |
| 11 | 黃燈亮 | 紅燈亮 |
各個狀態的轉換關系如圖2-1所示，圈中的數字為四種狀態對應的編碼，箭頭上的數字代表各種狀態轉換的條件，‘T30’代表30s計時結束的信號，‘T4’代表4s計時結束的信號，‘1’代表該條件到來，‘0’代表該條件未到來，X代表該條件隨機（‘0’狀態或‘1’狀態都可以）
?圖2-1 狀態轉換圖
經過上述的分析，可知本課題的關鍵在于四種狀態的轉換以及各個狀態保持固定時間功能的實現。經過查閱相關資料，本報告提出三種可以實現上述功能的電路設計方案：
方案（1）：基于同步模型的電路設計
該模型的系統框架圖如圖2-2所示，使用的芯片有兩片74LS160十進制計數器，兩個JK觸發器.主控系統和定時系統都以秒發生器的信號作為時鐘源
?圖2-2 同步模型系統框架圖
用Q1Q0代表交通燈的原態，Q*1Q*0代表新態表2-2為同步模型下的真值表。
表2-2 同步模型真值表
| Q1 | Q0 | T30 | T4 | Q*1 | Q*0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
通過卡諾圖化簡，可以得到兩個JK觸發器的J、K的表達式：
方案（2）：基于異步模型的加法計數電路設計
該模型系統框架圖如圖2-3所示，使用的芯片有兩片74LS160作為計數器，一片雙四選一數據選擇器，以及一片74LS161用來切換狀態。秒脈沖信號只接定時系統，主控系統接收來自定時系統的信號作為時鐘信號，這樣可以減少變量的個數簡化電路，具體分析在方案對比中體現。
?圖2-3 異步模型系統框架圖
方案（3）：基于異步模型的減法計數電路設計
該模型系統框架圖如圖2-3所示，該方案為減法計數，使用的芯片有兩片可逆十進制計數器74LS190，一片四位二進制計數器74LS191。秒脈沖信號只接定時系統，主控系統接收來自定時系統的信號作為時鐘信號。
2.2 原理方案的確定
方案一中的同步模型最容易理解，但是計算量較大，使用芯片最多，電路連接較為復雜，該方案中新態
Q*=f(Q0,Q1,T30,T4)
在方案二的異步加法計數模型中，新態
Q*=f(Q0,Q1)
方案一新態與四個量有關，方案二新態與兩個量有關，由此可見方案二的電路連接比方案一更加簡潔，但是加法計數與真實情況不符合。
相對于方案一和方案二，方案三使用的芯片最少，計算量很少，并且減法計數更加符合真實道路的情況，因此本設計采用方案三。
3 單元電路設計及仿真
3.1 秒脈沖電路
秒脈沖信號發生器由555組成的多諧振蕩器電路產生。
該電路的輸出脈沖的頻率：
秒脈沖信號發生器如圖3-1所示， 秒脈沖波形圖如圖3-2。
?圖3-1 秒脈沖電路原理圖
?圖3-2 秒脈沖波形圖
3.2 定時系統電路
3.2.1 計數器的構成
計數器包括兩片74LS190芯片，74LS190的引腳及功能如表3-1所示，兩個芯片的CLK接統一的時鐘源信號，兩片的D/正在上傳…重新上傳取消引腳均接高電平，低位的RCO引腳接高位的CTEN引腳，用來傳遞借位信號，完成芯片之間的級聯。
表3-1 74LS190功能表
3.2.2 T30、T4信號的引出
如圖3-3所示，74LS190的RCO、LOAD均為低電平有效，兩個芯片的RCO引腳通過或門與各自的LOAD以及主控芯片的CLK相接，當兩個計數芯片同時產生借位信號，RCO引腳發出低電平信號（此信號對應T30或T4信號），該低電平信號會使計數芯片進行置數，相應的置數輸入由主控芯片進行控制，產生的上升沿信號會使主控芯片切換到下一個狀態，有關主控芯片的具體控制方式會在主控模塊詳細分析。
?圖3-3 計數器電路圖
3.2.3 譯碼顯示模塊
譯碼顯示模塊功能是將計數器的計數狀態進行顯示，選用兩個BCD_HEX數碼管作為顯示器，將數碼管的四個引腳直接與計數芯片的輸出引腳相接，分別顯示高位和低位的數字。
3.3主控系統電路
主控系統的設計是整個系統的關鍵，不僅要實現狀態的轉換還要實現相應的置數。本設計的處理方法時在切換狀態的同時完成下一個狀態的置數準備，這樣就可以實現狀態保持相應時間并且完成切換的目的，使用的芯片為一片74LS191，狀態編碼與要完成的置數對應關系如表3-2所示。00狀態應該保持30s，在00狀態就應置數4s，其他的以此類推。
表3-2 狀態與置數對應關系
| Q1Q0 | D1C1B1A1 D0C0B0A0 |
| 00 | 0000 0100 |
| 01 | 0011 0000 |
| 10 | 0000 0100 |
| 11 | 0011 0000 |
通過分析發現置數只與Q0的值有關，因此表3-2可以簡化為表3-3
表3-3 狀態與置數對應關系簡化
| Q0 | D1C1B1A1 D0C0B0A0 |
| 0 | 0000 0100 |
| 1 | 0011 0000 |
由表3-3可得如下特性方程：
通過上述分析，主控系統的電路連接如圖3-4所示，Q0直接與高位的B、A相連，通過非門與低位的C相連，由74LS191的低兩位進行狀態輸出，還可選用其他十六進制的芯片，但是不可選用十進制芯片。接于74LS191的數碼管用于顯示狀態，便于分析，實際情況中將此數碼管取下即可。
?圖3-4 主控系統電路圖
3.4顯示系統電路設計
3.4.1 普通顯示系統
以Q1Q0代表四種編碼狀態，下角標‘1’代表南北向，下角標‘2’代表東西向，R、G、Y代表紅、綠、黃燈，狀態‘1’代表該燈亮，則其對應關系如表3-4所示。
表3-4 信號燈顯示真值表
| Q1Q0 | R1 G1 Y1 | R2 G2 Y2 |
| 00 | 1 0 0 | 0 1 0 |
| 01 | 1 0 0 | 0 0 1 |
| 10 | 0 1 0 | 1 0 0 |
| 11 | 0 0 1 | 1 0 0 |
表達式如下：
如圖3-5所示，將Q1直接與東南向紅燈相接、通過非門接南北向紅燈，Q1和Q0的非相與接南北向綠燈，Q1非和Q0非相與接東南向綠燈，Q1、Q0相與接南北向黃燈，Q1的非和Q0相與接東南黃燈。
?圖3-5 顯示系統電路圖
3.4.2 帶強制通行的顯示系統
考慮到日常生活中的緊急狀況，比如有一個方位發生交通事故，此時需要該方向禁止通行。基于此，本設計中加入了兩個強制通行開關，分別強制南北和東南方向交通燈一直保持紅燈狀態，電路圖如圖3-6所示。
一個方位用一個開關控制，兩個方位的綠燈和黃燈直接在原來的信號上接與門即可，當雙向開關接高電平信號與原來相同，當雙向開關接低電平信號全部為低，該方向綠燈和黃燈保持熄滅狀態。
當開關接低電平紅燈要保持常亮，先對原來的信號取非，再與開關處信號取與非，假設原來的信號為QX，通過與非后的信號為Q*X，開關處信號為E。
?當E為高電平時，最終的信號只取決于原來的信號，當E為低電平時，無論原信號是高電平還是低電平，最終的信號都為高電平，及就是紅燈常亮。通過上述的邏輯組合電路就可以實現對任一方位的強制通行功能。
?圖3-6 帶有強制通行的顯示電路
4 總體電路連接與測試
4.1 總體電路及仿真測試
4.1.1 總體電路圖
使用Multisim軟件進行仿真，最終整體電路圖如圖41所示。
?圖4-1 整體電路仿真圖
4.1.2 電路調試
對于初始狀態的理解
每次開始仿真時，顯示狀態的數碼管為‘1’，定時系統為4s，顯示系統為南北紅、東西黃。
在仿真開始前，即沒有上電時，Q1Q0=00，低位計數器置數端輸入0100，在仿真開始，即整體上電后，RCO由低電平變為高電平，此過程中就會產生一個上升沿，74LS191會計一個數，因此狀態為01，同時定時系統開始計時，此狀態保持4s，和編碼中的01狀態對應。
4.2 元件清單
本設計所用元器件如表4-1所示。
表4-1?元器件列表
| 元件 | 參數/規格 | 數量 |
| 74LS190 | 十進制可逆計數器 | 2片 |
| 74LS191 | 四位二進制計數器 | 1片 |
| 555_VIRTUAL | 555定時器 | 1片 |
| 7432 | 二輸入或門 | 1片 |
| 74LS04 | 非門 | 3片 |
| 74LS00 | 二輸入與非門 | 2片 |
| 74LS08 | 而輸入與門 | 8片 |
| DCD_HEX | 數碼管 | 3個 |
| 紅燈 | 2.5V | 4個 |
| 綠燈 | 2.5V | 4個 |
| 黃燈 | 2.5V | 4個 |
| 雙向開關 | 2個 | |
| 電阻 | 1K | 2個 |
| 電容 | 30uf、0.01uf | 各一個 |
5 總結
經過兩周的努力終于完成了關于交通燈控制電路的電子課程設計，通過不斷的查資料讓我積累了許多實際操作經驗，已初步掌握了數電的應用技術。鞏固了數電課程知識，加深對基本器件、時序電路、邏輯電路的理解。
深刻體會到數字電子技術對當今現代社會的重要作用。經過這次設計，學會了嚴密的思考，構想及怎樣把計劃付諸于實際行動中。同時與社會的不斷高速發展的步伐相比我認識到自己所學的知識和技能還遠遠不足，有些實際問題還不能解決，很多更好的設想也無法實現，缺少很多有實際運用價值的知識儲備，缺乏應有的動手解決實際問題的能力，缺乏高效利用及篩選大量資料的能力，有待在今后的學習實踐中進一步提高。經過這次課程設計，我更加認識到要學好自己的專業知識以適應不斷發展的社會。
參考文獻
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[3]謝自美.電子線路設計·實驗·測試. [M]武漢：華中理工大學出版社，2000:60-63.
[4]康華光. 電子技術基礎（數字部分.[M]北京：高等教育出版社,1998:143-151.
[5]王毓銀. 數字電路邏輯設計. [M]北京：高等教育出版社,1995:173-179.
[6]余孟嘗. 數字電子技術基礎. [M]北京：高等教育出版社,1998:114-118.
聲明：
本設計的主要思路參考b站 簡楓葉 的教學，大家去看一遍會有很多啟發。
本人新手，參考了許多大佬的設計成果，最終的設計比較簡單，但也想把自己的成果分享一下，可能設計中存在許多問題，歡迎大家共同探討！！！
仿真文件見鏈接
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提取碼：wdww
總結
以上是生活随笔為你收集整理的电子技术课程设计—交通灯控制系统设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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