交通灯课程设计.doc
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数字逻辑课程设计报告
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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:
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
主干道黄灯亮,支干道红灯亮计数器由0到5递增计数(S1)
40S后副干道有车
未过20s但副干道已无车
20S后副干道有车
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)
状态转换图如下:
副干道无车
20s未到,
但已无车
S0
S1
S2
S3
40s后
4s后
20s后
4s后
状态转换图
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
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+Q
A=··(Q2高位)
B=··(Q1高位)
C=··(Q2低位)
D=··(Q2低位)
Q=1
主控制器的归零信号为:
P=··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G1
S0 00
S1 01
S2 10
S3 11
0 01
0 10
1 00
1 00
1 00
1 00
0 01
0 10
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:
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74LS160
3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
ØCLR是清零端,低电平有效;
ØCLK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)
ØABCD数据输入端;
ØLOAD为预置端,低电平有效;
ØQaQbQcQd数据输出端;
ØENP,ENT使能控制端;
ØRCO为进位输出端。
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:
74LS160真值表
清零
预置
使能
时钟
预置数据输入
输出
工作模式
RD
LD
EPET
CP
D3D2D1D0
Q3Q2Q1Q0
0
1
1
1
1
×
0
1
1
1
××
××
0×
×0
11
×
↑
×
×
↑
××××
d3d2d1d0
××××
××××
××××
0000
d3d2d1d0
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。
脉冲
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。
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