十字路口交通灯方案设计

a、十二分频电路，用74LS161集成计数器构成。电路图如下图所示：
b、信号灯控制部分，可通过各种逻辑门的组合实现。步骤如下：
列出真值表
计数脉冲
输入
输出
Q3
Q2
Q1
Q0
NSR
NSG
NSY
EWR
EWG
EWY
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
2
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
3
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
4
0
1
0
4、在完成上述任务后,可以对电路进行以下几方面的电路改进或扩展。
（1）、可以手动切换为夜间工作方式：红、绿灯灭，黄灯闪烁。
（2）、设某一方向(如南北)为十字路口主干道,另一方向(如东西)为次干道；主干道由于车辆、行人多,而次干道的车辆、行人少,所以主干道绿灯亮的时间,可选定为次干道绿灯亮时间的2倍。
（7）、74LS11为3--三输入与门
（引脚图如上右图所示）。
（8）、74LS32为4-2输入或门
（引脚图如右图所示）。
4、分析与总结。
通过三个星期的思考，仿真，终于将此课程设计给完成。本次课程设计给了我一个独立思考，解决问题的机会。通过这次课程设计我学到了很多，从老师的讲解，到书本上自己学习的知识再到上网查找资料去解决这个课程设计，在这些天里，心情的起伏变化比较大，刚开始拿到这个课程设计时比较沮丧，因为看不懂，不知道该怎么写，经过自己的思考和与同学的挑落逐步确定自己如何解决这个课程设计。
b、设某一方向(如南北)为十字路口主干道,另一方向(如东西)为次干道；主干道由于车辆、行人多,而次干道的车辆、行人少,所以主干道绿灯亮的时间,可选定为次干道绿灯亮时间的2倍。
同样，这里只需要改变控制电路部分具体如下：
列出真值表：
计数脉冲
输入
输出
Q3
Q2
Q1
Q0
NSR
NSG
NSY
EWR
EWG
EWY
0
0
二、设计任务和要求
设计一个十字路口交通信号灯控制器,其要求如下:
1、设南北向的红、黄、绿灯分别为NSR、NSY、NSG,东西向的红、黄、绿灯分别为EWR、EWY、EWG。红灯时间为30S，绿灯时间为25S，黄灯时间为5S。
2、两个方向的工作时序:东西向亮红灯时间应等于南北向亮黄、绿灯时间之和，南北向亮红灯时间应等于东西向亮黄、绿灯时间之和。
由卡诺图可得NSR的表达式为：
NSR=（^Q3）（^Q2）+（^Q3）（^Q1）
10
Q3Q2
00
1
1
1
1
01
1
1
0
0
11
x
X
x
x
10
0
0
0
0
NSY
Q1Q0
00
01
11
由卡诺图可得NSY的表达式为：
NSY=Q3Q1Q0
10
Q3Q2
00
0
0
0
0
01
0
0
0
0
11
x
X
x
x
10
0
0
1
0
EWY
Q1Q0
00
01
11
T=T1+T2=1s
令R1=R2
T1为电容电压由1/3Vcc
充到2/3Vcc所需的时间，
即：T1=（R1+R2）CIn2=0.7(R1+R2)C
T2为电容电压由2/3Vcc
降到1/3Vcc所需的时间，即：T2=R2*C*In2=0.7*R2*C
得：R1=R2=47K；C=10uF。
（2）、分频电路
因为控制电路为5秒一个节拍，故需要一个与秒脉冲同步的五分频电路，为控制电路提供脉冲信号。如此才能实现信号灯与时间显示的同步。这里用了一片74LS161集成计数器连接了一个五进制计数器实现秒脉冲的分频。电路图如下图所示：
12
DCD_HEX_GREEN
2个
4输入绿色数码管
13
PROBE_RED
2个
红色信Baidu Nhomakorabea灯
14
PROBE_GREEN
2个
绿色信号灯
15
PROBE_YELLOW
2个
黄色信号灯
（1）、555电路
555电路是一种多用途集成电路，其结构简单，成本低廉，只要在其外部配接少量阻容元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，使用方便、灵活。
《数字电子技术基础》课程设计
课题：交通信号灯控制逻辑电路设计
学号：******、******、******
姓名：曾剑、刘红艳、刘倩
班级：10计控
指导老师：***
设计日期：2012/1/8
一、设计目的
为了确保十字路口的车辆顺利地通过,往往采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。其中红灯（R）亮,表示该条道路禁止通行；黄灯(Y)亮表示准备停车或通行；绿灯(G)亮表示允许通行。
当LD=CR=T=P=1时，电路可实现四位同步二进制加法计数器功能。当此计数器累加到“1111”状态时，溢出进位输出端CO输出一个高电平的进位信号。
（3）、74LS190十进制可逆计数器
右图所示为74190的引脚排布图：
特点：a、74190为高电平触发。即高电平来临时计一个数。
b、74190计数器为异步置数，置数控制端LD=0（低电平有效）时，电路可实现预置数功能。且不需要等待时钟脉冲CP的到来。
NSY=Q3*Q2*Q0
EWR=(^NSR)
EWG=NSR(^EWY)
EWY=(^Q3)Q2(^Q1)(^Q0)
根据表达式画出电路图。如下所示:
3、列出元器件清单，全电路仿真并给出仿真结果；
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
LM555CM
1片
脉冲发生器
2
电阻
47k、100R
2个、1个
脉冲发生器配件
3
电容
74161集成四位同步二进制计数器，也就是模16计数器，用它可构成任意进制计数器。
右图所示为74161的引脚图：
特点：触发脉冲
74161为高电平触发。即高电平来临时计一个数。
异步清零
当CR=0时，计数器为全零状态，因清零不需与时钟脉冲CP同步作用，因此称为异步清零。清零控制信号CR低电平有效。
同步预置
电路图如下所示：
(5)、拓展部分
a、可以手动切换为夜间工作方式：红、绿灯灭，黄灯闪烁。
因为要求到了夜晚红灯和绿灯熄灭，只有黄灯闪烁。所以只用改变控制电路部分，可以利用开关将红、绿信号灯的控制信号连接在一起，并将黄灯控制信号通过一个开关连在秒脉冲发生器的一端。使得白天各信号灯正常工作；而到了夜间，可通过开关，使红绿灯灭、且黄灯闪烁。即信号灯受两路信号控制。具体控制如下图所示：
右图为555电路的逻辑符号：
1脚为接地端。
2脚为低电平触发端。当CON端不外接参考电源，且此端电位低于1/3Vcc时，输出端OUT为高电平。
3脚为输出端。
4脚为复位端。此端输入低电平可使输出端为低电平，
正常工作时应接高电平。
5脚为电压控制端。一般让其无效，接低电平。
6脚为高电平触发端。当CON端不外接参考电源，
10uF、10nF
各1个
脉冲发生器配件
4
74LS161D
2片
计数器
5
74LS190D
4片
可逆计数器
6
74LS00D
2片
4-2输入与非门
7
74LS04D
2片
非门
8
74LS08D
2片
4-2输入与门
9
74LS11D
1片
3-3输入与门
10
74LS32D
1片
4-2输入或门
11
DCD_HEX_RED
2个
4输入红色数码管
三、设计报告
1、方案设计
（1）、控制流程图（状态图）
（2）、控制电路工作周期（节拍）
两个方向的灯亮一遍共需要60秒。即一个周期为60秒，所以我将控制电路一个周期分为12个节拍，一个节拍为5秒。
(3)、原理框图
a、脉冲信号发生器：用于产生秒脉冲，为分频电路与定时器电路提供信号。
b、分频电路：将秒脉冲发生器产生的信号经五分频后用于控制电路。
10
Q3Q2
00
0
0
0
由卡诺图可得EWY的表达式为：
EWY=Q2(^Q1)Q0
0
01
0
1
0
0
11
x
X
x
x
10
0
0
0
0
各信号灯的表达式为：
NSR=(^Q3)(^Q2)+（^Q3）（^Q1）
NSG=(^NSR)(^NSY)
NSY=Q3Q1Q0
EWR=^NSR
EWG=NSR(^EWY)
EWY=Q2(^Q1)Q0
0
0
1
1
0
0
画出卡诺图：
NSR
Q1Q0
00
01
11
由卡诺图可得NSR的表达式：
NSR=(^Q3)(^Q2)+(^Q3)（^Q1）（^Q0）
10
Q3Q2
00
1
1
1
1
01
1
0
0
0
11
0
0
x
x
10
0
0
0
0
NSY
Q1Q0
00
01
11
由卡诺图可得NSY的表达式：
NSY=Q3*Q2*Q0
10
Q3Q2
00
0
0
0
0
当清零控制端CR=1，使能端P=T=1，预置控制端LD=0时，电路可实现同步预置数功能，即在CP脉冲上升沿作用下，计数器输出Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0.
保持功能
当LD=CR=1时，只要P、T中有一个为0，即封锁了四个触发器的J、K端使其全为0，此时无论有无CP脉冲，各触发器状态保持不变。
计数
0
1
0
0
0
1
0
5
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
6
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
7
0
1
1
1
0
1
0
1
0
0
8
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
9
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
10
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
11
1
0
1
1
0
0
1
1
0
0
画出卡诺图（因为绿灯的表达式可通过红灯及黄灯组合实现，故不需要每个卡诺图都画出来，这样可以简化电路。）
NSR
Q1Q0
00
01
11
单元仿真电路从秒信号到最后的交通灯控制电路在自己的设计过程中总会出现这样那样的错误，用555电路构成秒信号时仿真电路的结果不会出现想象中的方波，原因是计算机的仿真结果比较慢最后通过修改电阻和电容的大小终于出现了方波，在数码管显示电路设计这部分刚开始没有考虑74ls190是异步置数，在刚开始不能实现31进制和26进制，通过查找资料知道74ls190的功能后通过改变电路实现了想象中的结果，在设计过程中想使用两片74ls190实现红灯和绿灯都能工作的情况，但没设计成功，最后选用四片74ls190视线31进制和26进制的显示功能。。对于交通灯控制电路这部分设计，刚开始想使用用非门与门和或门来实现其功能，但为了避免使用的逻辑门种类过多，所以在实际过程中全部使用与非门来实现相应的功能，所以设计的电路逻辑门的个数比较多。
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计数方式工作,直至减到数为“0”,十字路口红、绿灯交换,一次工作循环结束,再进入下一步某方向的工作循环。
例如：当南北向从红灯转换成绿灯时,置南北向数字显示为“30”,并使数显计数器开始减“1”计数,当减到绿灯灭而黄灯亮(闪耀)时,数显的值应为5,当减到“0”时,此时黄灯灭,而南北向的红灯亮；同时,使得东西向的绿灯亮,并置东西向的数显为“30”。
分频前与分频后的波形如下所示;
（3）、控制电路
控制电路是整个设计最核心的部分，它由十二分频计数器和信号灯控制两部分构成。控制电路一个周期分为十二个节拍，红灯占六个节拍、绿灯占五个节拍、黄灯占一个节拍。其中0~4表示NSR和EWG亮，5表示NSR和EWY亮，6~10表示NSG和EWR亮，11表示NSY和EWR亮。于是就需要连接一个十二进制计数器来作为信号源。
01
0
0
0
0
11
0
1
x
x
10
0
0
0
0
EWY
Q1Q0
00
01
11
由卡诺图可得EWY的表达式：
EWY=(^Q3)Q2(^Q1)(^Q0)
10
Q3Q2
00
0
0
0
0
01
1
0
0
0
11
0
0
x
x
10
0
0
0
0
各信号灯的表达式为：
NSR=(^Q3)(^Q2)+(^Q3)(^Q1)(^Q0)
NSG=(^NSR)(^NSY)
且此端电位高于2/3Vcc时，输出端OUT为低电平。
7脚为放电端。当电路内部的三极管VT导通时外电路
电容上的电荷可以通过它释放。
8脚为电源端。
本设计采用555电路构成多谐振荡器
来产生连续脉冲，因为它简单方便。但缺点是不够精确也不够稳定。右图为555集成电路的引脚图：
（2）、74LS161集成计数器。
根据表达式画出电路图。如下所示：
(4)、定时器电路
定时器电路可实现南北红绿灯亮时的时间显示，由三十进制倒计时计数器和二十五进制倒计时计数器构成。我用的是74LS190十进制可逆计数器。注：74LS190为异步置数可逆计数器。
a、实现三十进制计数器与南北红灯同步。
电路如下所示：
b、实现二十五进制计数器与南北绿灯同步。
c、控制电路：用于对交通信号灯的控制，使其按照规定的顺序点亮。
d、定时器电路：实现南北红、绿信号灯亮时的时间提示。
2、单元电路设计
（1）秒脉冲发生器
脉冲信号发生器用于产生秒脉冲，为控制电路与定时器电路提供信号。使用的是555定时器构成多谐震荡器，震荡频率为：1HZ。电路图如下图所示：
参数计算：多谐振荡器的振荡周期
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
2
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
3
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
4
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
5
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
6
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
7
0
1
1
1
0
1
0
1
0
0
8
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
9
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
10
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
11
1
0
1
1
0
1
0
1
0
0
12
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
13
1
1
0
1
c、CT为使能输入端，当CT=1时禁止计数。
d、可逆输入端D/^U=1时，电路进行减计数；当D/^U=0时，电路进行加计数。
e、RC、CO/BO均为进位端。
（4）、74LS00为4-2输入与非门（引脚图如下左图所示）。
（5）、74LS04六输入非门（引脚图如上右图所示）。
（6）、74LS08为4-2输入与门（引脚图如下左图所示）。