数电设计-交通灯控制系统「建议收藏」

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一、课程设计的内容

题目：交通灯控制系统
交通灯控制系统是典型的数字电路系统，通过该系统的设计、仿真、制板、答辩和报告等环节，同学可得到数字电路及系统的综合训练。本课程要求设计一个十字路口的交通灯控制器，控制A、B两条交叉道路上的车辆通行。

具体要求如下：
（1）在十字路口，主、支干道分别设置一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿等表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通信，未过停车线的车辆停止通行。
（2）主、支干道交替通行，主干道每次放行30s，支干道每次放行20s。
（3）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5s（此时另一干道上的红灯不变）。
（4）在黄灯亮时，原红灯按1Hz的频率闪烁。
可合理拓展其他功能，如要求主、支道通行时间及黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定。

可选用的主要元器件：74LS163、74LS153、74LS74、74LS00、74LS04，74LS47、74LS244，NE555、发光二极管、电阻、电容等

二、方案的论证和设计

交通灯系统
系统由秒脉冲信号发生器、计数器、控制器、时间显示器、信号灯显示器五大部分组成。交通灯控制系统原理图如图1 所示。

按要求实现状态转换如表1所示。
在这里插入图片描述

方案（3）：

1. 秒脉冲信号发生器
秒脉冲信号发生器由555电路组成。
由于该电路的输出脉冲的周期T=(R1+2R2)C1ln2=0.69(R1+2R2)C1,
当T=1s时，R2=51KΩ、C1=10uF，取一个固定电阻47KΩ与一个5KΩ的电位器作为R1。通过电位器调节电阻，使脉冲周期为1s。秒脉冲信号发生器如图14所示。
在这里插入图片描述
2. 计数器
计数器由两个同步十进制可逆计数器74LS190组成，根据74LS190的原理，将两片级联成100进制的减法计数器。由于四种红绿灯的状态对应着不同的时间，故计数器需要通过在不同的情况下实现不同的置数，而不同的置数数据由数据选择器和QA决定。并且秒脉冲信号和反馈是用或门，所以控制器的脉冲输入从高电平开始，则QBQA在01、10、11、00循环。
比如5秒倒计时：4S—>0S ； 20秒倒计时：19S—>0S；30秒倒计时：29S—>0S。
在这里插入图片描述
由表6可知，
第一个计数器的置数端的高两位都是0A，将其接地即可，
第2位置数分别为0—>1—>0—>0, 由双4选1的数据选择器的输出端Y1依次选择输出。
第1位置数分别为0—>0—>0—>1，由双4选1的数据选择器的输出端Y2依次选择输出。
第二个计数器的置数端的第4位、第3位、第1位分别对应QA、QA’、QA的状态变换，将其分别接QA与QA’即可。
第2位置数全为0，故接地。
利用双4选1数据选择器74LS153控制Y1、Y2，
Y1Y2在10—00—01—00循环，
B=QB，A=QA其中QB、QA是控制器的输出端，
QBQA在01—10—11—11循环。Y1=B’A’C0+B’AC1+BA’C2+BAC3；
Y1=B’A’C4+B’AC5+BA’C6+BAC7；
当Y1Y2=10、BA=01时，对应C1=1,C5=0；
当Y1Y2=00、BA=10时，对应C2=C6=0；
当Y1Y2=01、BA=11时，对应C3=0,C7=1；
当Y1Y2=00、BA=00时，对应C0=C4=0。
所以C0=C1=C2=C4=C6=C7=QA,C3=C5=QA’。
计数器原理图如图5所示。
在这里插入图片描述
74LS190原理：引脚排列 LOAD 为置数端， UD=0为加计数，UD=1为减计数， RCO为进位输出，A、B、C、D为计数器输入端，CLEAR 为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
74LS153原理：双4选1数据选择器74LS153，所谓双4选1数据选择器就是在一块集成芯片上有两个4选1数据选择器。74LS153引脚图排列如图16所示，功能如表1所示。
1G、2G为两个独立的使能端；B、A为公用的地址输入端；1C0～1C3和2C0～2C3分别为两个4选1数据选择器的数据输入端；Y1、Y2为两个输出端。
① 当使能端1G（2G）＝1时，多路开关被禁止，无输出，Y＝0。
② 当使能端1G（2G）＝0时，多路开关正常工作，根据地址码B、A的状态，将相应的数据C0～C3送到输出端Y。
在这里插入图片描述
3. 控制器
通过计数器在4—0s置数，又从29—0s置数，在4—0s置数，又从19—0s置数,这四种发生使计数器反馈置数端输出高电平，作为控制器的脉冲信号的输入端，因此，这四种高低电平位构成脉冲周期，因此QBQA在01 →10→11 →00循环。控制器如图17所示。

4. 交通灯显示器
显示系统的真值表如下（灯亮为1，不亮为0）：
在这里插入图片描述
由真值表可以得出它们的逻辑表达式：
R1 = Q1’ R2 = Q1
G1 = Q1Q0’ G2 = Q1’Q0’
Y1 = Q1Q0 Y2 = Q1’Q0
由于黄灯亮时，原红灯要以1HZ的频率闪烁，故当Y1=1时即主干道的黄灯亮起时，支干道的红灯应该闪烁，此时它的逻辑表达式应为R2 = 秒脉冲Y1 + G1。
同理可知，R1 = 秒脉冲Y2 + G2。