交通控制器课程设计--数字逻辑课程设计报告

时间：2020-11-13 13:14:01　来源：勤学考试网本文已影响人

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）：

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。

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。

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

40S 后

主干道黄灯亮，支干道红灯亮计数器由 0 到 5 递增计数 (S1)

状态转换图如下：

副干道无

主干道红灯亮，支干道绿灯亮计数

未过 20s

器由 0 到 20 递增计数 (S2)

20S 后副

但副干

主干道红灯亮，支干道黄灯亮计数器由 0 到 4 递增计数 (S3)

40s 后

20s

未

4s 后

S3 S2

20s

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、4s 3 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=X 0 · X 1 ·（Q2高位）

B=X 0 · X 1 ·(Q1 高位 )

C=X 0 · X 1 ·(Q2 低位 )

D=X 0 · X 1 ·(Q2 低位 )

Q=1

主控制器的归零信号为： P= X 0 · X 1 ·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

红灯 R

黄灯 Y

绿

红灯 R1

黄灯 Y1

灯 G

绿灯 G1

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

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

CLR 是清零端，低电平有效；

清零

预置

使能

时

预CLK置数据是输脉入冲输入端口，输出低电平有效工；作（模一式

钟

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

EP ET

Q32

注意）

ABCD 数据输入端；

LOAD 为预置端，低电平有效；

QaQbQcQd 数据输出端；

异步清零

d1 d0

↑

同步置数

保

持

数据保持

保

持

× 0

数据保持

↑

十进制计数

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

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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