交通燈設計報告

1、設計要求（1）在十字路口的兩個方向上各設一組紅燈、綠燈、黃燈，顯示順序為： 其中一個方向是綠燈、黃燈、紅燈，另一個方向是紅燈、黃燈、綠燈。（2）設置一組數(shù)碼管，以倒計時的方式顯示允許通行或禁止通行的時間， 其中綠燈、黃燈、紅燈的持續(xù)時間分別為 20s、5s、25s。（3）當各條路中任意一條上出現(xiàn)特殊情況，例如有消防車、救護車或其他 需要優(yōu)先放行的車輛時，各方向上均是紅燈亮，倒計時停止，且顯示數(shù)字在閃 爍。當特殊運行狀態(tài)結(jié)束后，控制器恢復原來狀態(tài)，繼續(xù)正常運行。設計原理及框圖交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，它主要由秒脈沖發(fā)生器，時間顯示 器，倒計時計數(shù)器，計數(shù)控制器，交通燈控制器，交通顯示燈

2、，緊急開關(guān)構(gòu) 成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時器的標準時鐘信號源，同時控制著正常工作 時黃燈與特殊情況下數(shù)碼管數(shù)字的閃爍，倒計時計數(shù)器控制器控制倒計時計數(shù) 器，倒計時計數(shù)器輸出的數(shù)字經(jīng)過時間顯示器顯示在數(shù)碼管上。交通控制器控 制交通顯示燈的亮滅，交通控制燈的輸入信號由緊急開關(guān)和倒計時計數(shù)器共同 提供。 OO OO城態(tài)2甲車道紅燈亮乙車道碌燈亮 00狀態(tài)3甲車逋紅SI亮乙車道就侯 00以志0O妝態(tài)1甲車道綠燈亮O甲車ifiSt丁亮乙車道紅燈亮乙車道紅燈殼兩萬向車道的交通燈的運行狀態(tài)共有 4種，如圖2所示，它們轉(zhuǎn)換到數(shù)字狀 態(tài)如下圖。TF=0TS=0TF=1TF=0TS=1TF=1TF:紅燈,TS:

3、當TF=0時，甲車道為表示甲車道或乙車道紅燈亮的時間間隔為25秒，25秒倒計時；當TF=1時，乙車道為紅燈，25秒倒計時。表示倒計時到5秒和20秒。TY=0倒計時20秒，否則，TY=1倒計時5秒 一般十字路口的交通燈控制系統(tǒng)的工作過程如下：(1) 甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車 道禁止通行。此時TF=O,TS=Q綠燈亮足規(guī)定的時間隔20s，倒計時計數(shù)器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn) 換信號使TS=1,使計數(shù)控制器使TS=1轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（2）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止 通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間間隔5s時，倒

4、計時計數(shù)器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號使TF=1, TS=O,使控制器控制譯碼器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（3）甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車 輛允許通行，綠燈亮足規(guī)定的時間間隔 20s時，倒計時計數(shù)器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信 號使TS=1,使控制器控制譯碼器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（4）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上位過縣停 車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通 行。黃燈亮足規(guī)定的時間間隔5s時，倒計時計數(shù)器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號使 TF=0,TS=0,使計數(shù)控制器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)，即系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作 狀態(tài)。因為在上述轉(zhuǎn)換過程中燈的轉(zhuǎn)換

5、只在計數(shù)器為零的時候發(fā)生且不存在競爭 冒險的問題，所以可設計為當計數(shù)器為 00 時即發(fā)生信號燈的轉(zhuǎn)換，當信號燈 1 為 00 時，交通燈控制器向交通顯示燈發(fā)出轉(zhuǎn)換信號，交通顯示燈由紅燈變 為綠燈；當信號燈 1 再次為 00 時，交通燈控制器向交通顯示燈發(fā)出轉(zhuǎn)換信 號，交通顯示燈由綠燈變?yōu)辄S燈；當信號燈 1 再次為 00 時，交通燈控制器向 交通顯示燈發(fā)出轉(zhuǎn)換信號，交通顯示燈由黃燈變?yōu)榧t燈。信號燈 2 與信號燈 1 轉(zhuǎn)換過程相同，只不過信號燈 2 是由綠燈到黃燈再到紅燈的。器件說明1. 元件清單：（1） 集成元件（2） 數(shù)碼管（3） 電阻（4） 電容（5） 開關(guān)74LS161 四片 N555 一

6、片74LS192四片7447N兩片74LS21四片（與門）74LS04 （非門）三片74LS32五片（或門）74IS27 四片（或非門） 共陽極七段數(shù)碼管四個紅色LED兩個，黃色LED兩個，綠色LED兩個 51K ? 一只， 39K ? 一只10 卩 F 一只，10nF 只三刀雙擲開關(guān)一只2. 主要器件的引腳排列圖和功能表(1) N555引腳圖:(2) 74IS161 引腳圖：GNDTRIGOUTRESETaT65JDISCHTHRESICONTCONNECTION DIAGRAM DIP (TOP VIEW)Vcc TC Qo Qi Q2 中 GET PE nRiRi冋 ntiFi 而 Ri

7、NOTE:The Fidtpak version has the same pinouts (Connection Diagram) as the Dual In-Lne Package.*MRforL3160Aand LS161A *SR for LS162Aand LS163ALubJ IB iniTkJlirLJW CP Pq P1 巴 內(nèi) CEP GMU功能表:Fl TNCTION TABLEInputsOutputsFnnciioiiReserLoadEnable PEnable TClockQOQIQ2Q3LXXXXLLLLResist to-0"HLXX_廠POPlP2

8、Presei D.iLaHHXL_廠No changeNo guiltHHLX_廠No changeNo coimrHHHH_廠Count 叩Con ntHXXX-LNo cliaiigeNo coiuitt carePO,P1T2.?3 = logic kvelofData inputsRipple Carry Out = Enable T QO Ql Q2 * QI(3) 74IS192引腳圖：I”和 H ithjnLTLrLTLn:HM伍UZt7t7Z (t7)p-wE|il 叭*4JQ-fl6r«ij"i JHOaN9 Eq 0 豎 QdO 蟲 怡 同 同 H rn

9、 rnpBeiped euii-u| lenQ eqi se tuejBeiQ uoipsuuoQ) s;nouid 3LUES 刑 seq U0ISJ9A 褲宙 eiT gq 丄 ：3 丄 ONI2J凹凹凹凹凹凹凹Cd Id 羈乜 UN Od 00a(M3IA dOl) dial iniViJ9VIQ NOIA33NNO3叱 C * fl a b c dgo b c d B C LT wm D iLj lij lir Uj liriij 也 血 B C LAMP BiZ RSI D A GND TEST RBO7447四.設計過程4.1.秒脈沖信號發(fā)生器的設計:方案一:本實驗采用555定時器

10、組成秒脈沖信號發(fā)生器。因為該電路的輸出脈沖的周期 T0.7(R 1+2R2) C,若 T=1s，令 C=10卩 f , Ri=39K?,那么艮51K?。取一固定電阻47K?與一個5K?的電位器想串聯(lián)代替電阻艮。在調(diào)試電路時，調(diào)節(jié)電位器R ,使輸出脈沖周期為1s。如圖3.1所示OUTDISTH：30TS.ICOMC1ZZIOnFLM555i；H圖3.1秒脈沖信號發(fā)生器方案二:用石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成秒脈沖信號發(fā)生器,如圖3.2。先用石英晶體振蕩器和若干電阻電容組成頻率為32768Hz的信號發(fā)生器，再用十四位二進制計數(shù)器CD4060 14進行14分頻使其成為2Hz的信號，最后用D觸發(fā)器進行2分

11、頻，使其成為頻率為 1Hz的秒脈沖信號。M也Inulf?鄧Mosso8- ± -4 3 2 血PQ圖3.2石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成秒脈沖信號發(fā)生器方案選擇 ：本設計中由于用秒脈沖信號作為計數(shù)器的計時脈沖，其精度會影響計數(shù) 器的精度，進而影響控制系統(tǒng)的精度，因此要求秒脈沖信號具有比較高的精 度，為提高精度可先做一個頻率比較高的矩形波振蕩器，然后將其輸出信號 分頻，就可以得到頻率較低而精度比較高的脈沖信號發(fā)生器。用石英晶體構(gòu)成秒脈沖信號發(fā)生器不需要外加輸入信號，而且其脈沖頻率很穩(wěn)定，起振 快、時基精度高，它的工作頻率僅決定于石英晶體的振蕩頻率，而與電路中的R、C的數(shù)值無關(guān)。muItiS

12、im11 軟件綜上考慮，在實際應用中秒脈沖信號發(fā)生器的設計選用石英晶體振蕩器 和分頻器構(gòu)成秒脈沖信號發(fā)生器。但由于本次設計是基于的，所以在仿真過程中可以使用時鐘脈沖電源（1HZ，5V）代替。在仿真精度不高的前提下，也可以使用RC多諧振蕩器構(gòu)成的電路來提供秒脈沖。4.2 倒計時計數(shù)器和時間顯示器的設計倒計時計數(shù)器直接控制時間顯示器所顯示的內(nèi)容，因為交通燈都是倒計時的數(shù)字，所以采用可加可減的74IS192，采用倆片74IS192分別對25s, 20s, 5s進行倒計時，采用異步計數(shù)置數(shù)法，當兩片74IS192的BO為0時置數(shù)，即兩片74IS192的QA,QB,QC,Q都為零時置數(shù)，不需要再加入脈沖

13、即可實現(xiàn)置數(shù)。因為74IS192的BO引腳不工作時是高電平，所以加非門后連入第二片74IS192，實現(xiàn)十位的倒計時。兩片74IS192的QA,QB,QC,Q分別與兩片7447N的輸入端A,B,C,D相連接；7447N的輸出分別與七段共陽數(shù)碼管的 A,B,C,D,E,F,G相連接，兩個七段共陽極數(shù)碼管的 CA引腳連接在一起接入緊急開關(guān)，以實現(xiàn)數(shù)字的閃爍功能。倒計時計數(shù)器和時間顯示器如下圖：7447H7447HLZl±XZX 心Of-=31ZE"rWT/nsIB4.3計數(shù)控制器計數(shù)控制器是電路的核心，它主要根據(jù)倒計時計數(shù)器中QA,QB,QC,QD勺信號來輸出信號到倒計時計數(shù)器，

14、從而實現(xiàn)在時間顯示器到00后能夠正確繼續(xù)顯示要倒計時的大小，從而與交通燈的亮滅相對應。觀察交通燈計數(shù)要求，紅燈25S,對應數(shù)字信號為 0010 0101 ;綠燈20S,對應數(shù)字信號為 0010 0000 ;黃 燈5S,對應數(shù)字信號為0000 0101。發(fā)現(xiàn)這三個狀態(tài)數(shù)字信號第2位和第0位始終相同，且第7，6，5，3，1位始終為0;所以只要控制第4位和同時改變 第0位和第2位即可完成對倒計時狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。方案一：兩個交通燈通過秒脈沖聯(lián)系在一起，但它們之間置數(shù)獨立，即第一組 倒計時計數(shù)器倒計時25ST20ST5St25S;第二組倒計時計數(shù)器倒計時20S5Sf 25St 20S。第一組倒計時計數(shù)器的控

15、制電路如下圖:只要在倒計時計數(shù)器在倒計時到00之前將控制置數(shù)的A,B,C,D引腳電平改變?yōu)樾枰碾娖郊纯?，所以可以用D觸發(fā)器或者74IS161接收倒計時計數(shù)器的控制信號使控制電路在倒計時計數(shù)器為 07時（倒計時5S時在05就轉(zhuǎn)變了）轉(zhuǎn)變 74IS192 的 A，B,C,D 電平。上圖74IS161的狀態(tài)圖是0001 1000; OR4的輸入為第一個 74ls192的QC的非，第一個74IS192的QD第二個74IS192的QA和QB當電路處于初始狀態(tài)時，74IS161的QA,QB輸出00,通過兩個非門分別接到第一組倒計時計數(shù)器的第0位第2位和第4位，所以初始狀態(tài)第一組倒計時計數(shù)器的第0位第2位

16、和第4位都是1,即倒計時計數(shù)器從25S倒計時；當?shù)褂嫊r計數(shù)器倒計時到 07S 時，或門OR4由1變?yōu)?, 74LS161接收到一個脈沖，輸出加1使QB QA變?yōu)?01，所以第一組倒計時計數(shù)器的第 0位第2位變?yōu)?而第4位還是1,倒計時 計數(shù)器計數(shù)到00后置數(shù)工作，變成20S倒計時，從而完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當或門OR又由1變?yōu)?時474IS161又接收到一個脈沖，輸出由01變?yōu)?0,從而變成05S倒計時；當或門OR又由1變?yōu)?時474IS161又接收到一個脈沖，輸出由 10變?yōu)?0,從而又變成25S倒計時，完成一個循環(huán)。第二組倒計時計數(shù)器的控制電路如下圖:Ay QCl 阿申Z q&z飛 ；y

17、I h V ML504D74LS161DU0R2* 原理與第一組倒計時計數(shù)器類似，同樣是在倒計時計數(shù)器為07時（倒計時5S時在05就轉(zhuǎn)變了）通過 OR4向74IS161輸入一個脈沖，74ls161狀態(tài)圖也為00T01f 10f 00,不過輸入到倒計時計數(shù)器的第 4位為QA的非，第0位第2位為QA和QB相異或；狀態(tài)圖為：10 01 11 10。方案2:計時控制器是通過控制 TF和TS來控制倒計時計數(shù)器置數(shù)的，置數(shù)結(jié)果如下圖:A=TF+ TSC=TF+TSB=TF+TSD=TF+TS注：A表示第一個74IS192的A和C引腳；B表示第二個74IS192的B引腳；C表示第三個74IS192的A和C引

18、腳；D表 示第四個74IS192的B引腳置數(shù)過程如下:初始狀態(tài)：L tf=o； ts=oA=1 B=1 C=0D=1 1, 2數(shù)碼管倒計時253, 4數(shù)碼管倒計時20狀態(tài)1: TF=1;TS=0A=1>B=1C=1D=0 1,3,2數(shù)碼管倒計時4數(shù)碼管倒計時2505狀態(tài)2: TF=O;TS=1A=0B=14C=1D=1> 1,3,2數(shù)碼管倒計時4數(shù)碼管倒計時2025狀態(tài)3；TF=1;TS=1A=1*B=0C=1D=14 1,2數(shù)碼管倒計時053,4數(shù)碼管倒計時25如下圖，因為TF和TS是由前面的倒計時計數(shù)器控制的，所以可以用D觸發(fā)器或者74IS161接收倒計時計數(shù)器的控制信號。這里

19、我讓TF由第一個74IS161控制，TS由第二個74IS161控制；第一個 74IS161狀態(tài)轉(zhuǎn)換是0-1-0;第二個74IS161狀態(tài)轉(zhuǎn)換是0001-10-00; 初始狀態(tài)時 TF=0, TS=0,倒計時計數(shù)器分別進行25S和20S的倒計時，當?shù)诙M倒計時計數(shù)器計到07時，兩個 74IS192的QA,QB,QC,QD使邏輯電路電平發(fā)生變化（從低電平到了高電平），把這個脈沖接到第一個 74IS161的CLK引腳，使74IS161加一，從而74Is161的QA由0變?yōu)?,使TF=1,完成了由初始狀態(tài)到狀態(tài)一的轉(zhuǎn)換。在狀態(tài)一時，第一組倒計時計數(shù)器依然在倒計時25S,第二組倒計時計數(shù)器倒計時 5S,

20、當?shù)诙M倒計時計數(shù)器計到05時，又會使第一個74IS161的CLK引腳接收到一個脈沖，使TF由1變?yōu)榱?0;而在第一組倒計時計數(shù)器倒計時到03時，兩個74IS192的QA,QB,QC,QD使邏輯電路電平發(fā)生變化（從低電平到了高電平），使第二個74IS161由00變到了 10 （后面解釋為什么不是01），從而使TS由低 電平轉(zhuǎn)換到高電平，完成從狀態(tài)一到狀態(tài)二的轉(zhuǎn)換。狀態(tài)二到狀態(tài)三與上面初 始狀態(tài)到狀態(tài)一類似，TS=1;狀態(tài)三到初始狀態(tài)與前面狀態(tài)一到狀態(tài)二類似,74IS161只在20STF由1變?yōu)?; TS由1變?yōu)? （注：TS通過邏輯門電路控制TF接收第一組倒 計時計數(shù)器還是第二組倒計時計數(shù)器的

21、輸出信號，使第一個倒計時到07時或5S倒計時到05時才會接收到脈沖）。上述兩種方案從模擬中均能實現(xiàn)規(guī)定的倒計時功能，但我考慮到方案一只在秒 脈沖上將兩組倒計時計數(shù)器聯(lián)系在一起，從穩(wěn)定性方面考慮方案二好一些；所 以采用方案二。4.4交通燈控制器與交通顯示燈與緊急開關(guān)QA，QB，QC，QD相連接作為輸 當?shù)褂嫊r計數(shù)器到00時，OR8輸出 輸出數(shù)字信號加一，74LS162的前面交通燈的數(shù)字顯示已經(jīng)設計好，只需將交通燈的亮滅與數(shù)字顯示相對應 即可，考慮到數(shù)字信號到00時交通燈轉(zhuǎn)換一次，所以接收倒計時計數(shù)器的數(shù)字 輸出信號作為交通控制器的輸入信號即可。（1）下圖中OR8與第一組倒計時計數(shù)器的入信號，OR

22、8輸出連接在74IS162的CLK。信號由1變?yōu)?， CLK收到下降沿信號，QA,QB,QC,QD與外面邏輯電路相連接使交通燈輸出改變。下圖交通燈的亮的 順序為紅f綠f黃。邏輯關(guān)系為：紅=QaQbQc'+Qa'Qb Qc+Ka 黃=Qa'QbQc'Ka綠=Qb'Qc'Ka （表示非）（2）下圖中控制另一組交通燈的亮滅，原理與上圖相似，只不過輸入信號是第二組倒計時計數(shù)器的QA,QB,QC,QD紅=QB QC +Ka5V黃=Qa Qb' QcKa綠=QbQC Ka('表示非)AUD2AH>3S VoY5V一上IMorKa臣0La

23、CP匚店Ago主Ld £<»HL占 74L316?h(3) 緊急開關(guān)的設計:緊急開關(guān)采用的是三刀雙擲開關(guān)，可實現(xiàn) Ka控制紅燈亮，Kb實現(xiàn)數(shù)碼管數(shù)字的閃爍，Kc實現(xiàn)倒計時的停止。緊急開關(guān)不工作時 Ka=1,交通燈正常工作；反之，Ka=0,交通燈變?yōu)榧t燈亮。Kb連接到數(shù)碼管的共陽極，當緊急開關(guān)不工作Ka .Ka的非時Kb=1數(shù)碼管正常顯示；當緊急開關(guān)工作時，Kb接入脈沖信號，是數(shù)碼管閃 爍。當緊急開關(guān)不工作時，Kc接脈沖，反之，Kc接入高電平，使秒脈沖停止。o<-NOTKb Kc=_o - :XKey - space : :not : :."1kHz 5

24、V 五 仿真調(diào)試過程在軟件調(diào)試過程中，我遇到以下幾個問題：競爭冒險的問題：74ls192 的置數(shù)工作與 74ls161 不同， 74ls192 在 load 引腳輸入電平為 高電平時不工作，當為低電平時不需 CLK引腳來脈沖就能立即置數(shù)，這就與計數(shù)控制器存在競爭冒險的問題，開始我設置為倒計時計數(shù)器為 00時計數(shù)控制器工作，這使倒計時計數(shù)器不能按照正常要求倒計時。后來 我改成使用或非門，當?shù)褂嫊r計數(shù)器計到 07時也就是 0000 0111，或門電平發(fā)生改變，產(chǎn)生上升沿脈沖，計數(shù)控制器工作，從而使倒計時計數(shù) 器在計到 00 時能到正確置數(shù)到下一狀態(tài)。在顯示譯碼器選擇方面，剛開始選用的是共陰極顯示譯

25、碼器，因為7447N 是取反輸出的，連接正確但無法正常顯示，最終采用共陽極顯示 譯碼器，解決此問題。由于用1HZ的脈沖仿真的時候過程進行的太慢，所以所以仿真時要修改tran 的速度，將時間頻率調(diào)成一秒解決此問題。電路的化簡，之前的電路雖然可以正常工作但有些器件是沒有使用必要 的，如倒計時計數(shù)器的第七位和第六位始終為零，安裝時接地即可。在接計數(shù)控制器的第二個74IS161時總是無法按照要求正確輸出TS的信 號，我使用示波器觀察TS的輸出信號發(fā)現(xiàn)是這樣的:O&cillo scope -XSCLS325抄!）計時到Om時下一次2旳倒計日寸到03時于是我在將示波器接到計數(shù)控制器的第二個74IS161的CLK引腳，波形是這樣的:Osci