交通灯(红绿灯)设计实验报告

东南大学电工电子实验中心
实验报告
课程名称：数字逻辑设计实践
第四次实验
实验名称：小型数字系统设计（红绿灯）
院（系）：吴健雄学院专业：电班
姓名：李博文学号：61010116
实验室: 实验组别：
同组人员：实验时间：2011 年11 月28 日
评定成绩：审阅教师：
一、实验目的
①综合前面所学的各项内容
②掌握数字系统设计的流程和方法
③培养复杂电路连接和调试技能
二、实验原理（简要写出这个综合设计用到哪些实验原理）
本实验使用74LS161级联实现模60的计数，并用74LS161进行状态计数，用74LS138进行状态译码，并使用一些门电路从而达到控制电路的效果。

本实验需要掌握74LS161、74LS138的具体使用方法和各端口在不同状态下对应的功能，以及通过表达式的化简从而使用尽量简单的门电路（尽量使用与非门和反相器）。

具体过程在实验内容中将进行详细的阐述。

三、实验内容
实验要求（分基本要求和提高要求）：
基础要求：
设计一个十字路口交通信号灯控制器，在每个入口处设置红，绿，黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，在绿灯转红灯之间，黄灯亮
每次放行60秒，其中绿灯55秒，黄灯5秒，红灯60秒
用4个数码管显示时间，其中2个显示东西方向时间，另2个显示南北方向时间，显示采用加计数模式
用6个LED显示两个方向的红灯、绿灯和黄灯
提高要求：
分主次干道，主干道绿灯55秒，黄灯5秒，红灯30秒；次干道绿灯25秒，黄灯5秒，红灯60秒
4个数码管显示，其中2个显示主干道方向的时间，另2个显示次干道时间
原理框图为:
2011/12/4东南大学电工电子实验中心12
流程图（基础部分）可表示为：
思路：若将两个方向看成一个整体，用一个状态机控制，则本电路应该有四个状态（此处仅
讨论基础部分），状态表如下：
状态南北东西S2 S1 R Y G 计数R Y G 计数
0 0 0 1 0 0
60 0 0 1 55
1 0 1 1 0 0 0 1 0 5
2 1 0 0 0 1 55 1 0 0
60 3 1 1 0 1 0 5 1 0 0
变思路，采用两个状态机。

这个方法的核心思想就是将两个方向完全分开，只共用同一个时钟信号，这样每个方向只有三个状态，即红绿黄三种灯对应三种状态，每种状态的时间分别为60s，55s，5s。

这个部分可通过两个74161级联达到模60的计数功能（至于怎么让电路在55s和5s改变状态取决于计数器后面的门电路和状态机的计数）。

下面给出74161的功能表：
CLR’LOAD’ENT ENP CLK A B C D Q
0 ××××××××置零
1 0 ××↑ a b c d 置数
1 1 1 1 ↑××××计数
1 1 0 ××××××保持
1 1 ×0 ×××××保持
Y1为绿灯，共计55秒，第三个状态Y2为黄灯，共计5s。

当计数器74161计到59s（因为是从0开始计数的）或计到54s且状态为Y1时十位的LOAD’端变为低电平，完成十位的置数（其实此时恰好也是置零的效果）；当个位计到9或计到54且为状态Y1或个位计到4且为状态Y2时个位的LOAD’端变为低电平，完成个位的置数。

且个位计到9时十位的ENT，ENP才变为高电平，开始计数，其他情况下十位处于保持状态；而个位的ENT，ENP接到VCC上，始
终处于计数状态。

LED的接口均接到74161的输出端；灯则通过反相器接到74138的输出端（因为输出是低电平有效，而实验箱中的灯是高电平有效）。

用作状态计数的74161的ENT 和ENP端，只要三个状态的临界状况满足一个即置为高电平，完成状态的计数，且状态计到11（即第四个状态）刚出现时即使用置数功能。

对于南北方向，思路大致与东西方向相同，因为要使两方向的灯亮情况相协调，所以只需改变状态的顺序，即南北方向第一个状态Y0表示绿灯共计55s，第二个状态Y1表示黄灯共计5s，第三个状态Y2表示红灯共计60s。

对于门电路部分，其主要工作其实就是表达式的化简，尽量采用与非表达式（方便搭试电路），由于其难度不大，且属于本课程初期内容，此处就不详细写出化简过程（注意：本实验中列写表达式时注意电路中的高低电平，即明确是低电平有效还是高电平有效）。

综上所述，基础版的电路图大致如下：
2.5 V
提高部分：
对于提高部分，电路并无太大的改动。

只是东西方向的红灯变为30s，南北方向的绿灯变为25s。

故只需将门电路的部分做些改动，使之在状态临界处改变。

电路图为：
验证（静态验证和动态验证）：
静态验证：
两个方向状态的真值表（低电平有效）：
EW为东西方向，SN为南北方向。

某一个方向三个灯的输出波形（因为逻辑分析仪的问题，有一个方向始终调不出来，故此图不好反映两个方向的对比），其中绿灯线表示红灯，白色线表示绿灯，蓝色线表示黄灯（以低电平有效为标准）。

下面是南北方向上三个计数器（74LS161）的真值表（只采了部分数值）
下面是某个方向上三个计数器的动态输出波形（对应上表的12个输出）。

（此图可能有问题）
下面是两个方向的状态机（74138）输入值的真值表：
（不慎将南北和东西方向弄颠倒了，左面四列应为EW，右面四列应为SN）
东西（EW）方向的0000对应Y0即红灯，0001对应Y1即绿灯，0010对应Y2即黄灯；南北（SN）方向的0000对应Y0即绿灯，0001对应Y1即黄灯，0010对应Y2即红灯。