十字路口红绿灯控制系统

课 程 设 计
2015 年 7 月 30 日
设计题目
学 号 专业班级 学生姓名指导教师
十字路口自动红绿灯指挥系统
目录
一、主要指标及要求 (1)
二、方案选择 (1)
三、工作原理分析 (1)
四、单元模块设计及分析 (2)
4.1时钟信号脉冲发生器设计 (2)
4.2定时器设计 (4)
4.3 延时电路设计 (5)
4.4状态转换电路设计 (6)
4.5置数组合逻辑设计 (7)
五、总电路图 (9)
六、设计心得 (9)
七、参考文献 (10)
十字路口自动红绿灯指挥系统
班级：指导老师:
学生：
学号：
一、主要指标及要求
1.自动完成绿－黄－红－绿－……工作循环；
2.每种信号灯亮的时间不等，如：绿灯亮20秒－黄灯亮5秒－红灯亮15秒，如此循环；
3.用倒计时的方法，数字显示当前信号的剩余时间，提醒行人和司机；
4．(*) 信号灯的时间分别可调，以适应不同路口，不同路段交通流量的需求。

二、方案选择
三、工作原理分析
本电路分为五个模块，即时钟信号脉冲发生器、定时器、延时电路、状态转换电路、置数组合逻辑电路。

其中由555定时器组成的时钟信号脉冲发生器为由两片74LS192计数器组成的定时器电路提供1Hz的脉冲信号，使计时器能够正常计数。

由三片双四选一数据选择器组成的置数组合逻辑电路分别为计数器置
19s、4s、14s和0s等不同的数。

当计数归零时，计数器的溢出信号使双D触发器的状态发生跳转，同时控制着绿黄红灯的亮灭，使得绿黄红灯亮时，定时器分别置19s、4s、14s。

延时电路起到延时作用，当计数器计数归零时，溢出信号通过延时电路先使触发器状态发生翻转，再加载LD信号，使计数器置一个新数。

四、单元模块设计及分析
4.1时钟信号脉冲发生器
时钟信号脉冲发生器选用555定时器主要用来产生秒脉冲信号。

脉冲信号的频率可调，所以可以采用555组成多谐振荡器，其输出脉冲作为下一级的时钟信号。

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

555定时器的电源电压范围宽，可在5~16V工作，最大负载电流可达200mA。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

555定时器构成多谐振荡器，组成信号产生电路接通电源后，VCC通过电阻R1、R2给电容C充电，充电时间常数为（R1+R2），电容上的电压vC按指数规律上升，当上升到VREF1=2VCC/3时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，RS=10，触发器被复位，放电管T28导通，此时v0输出低电平，电容C开始通过R2放电，放电时间常数约为R2C，vC下降，当下降到VREF2=VCC/3时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，RS=01，触发器被置位，放电管T28截止，v0输出高电平，电容C又开始充电，当vC上升到时VREF1=2VCC/3，触发器又开始翻转。

如此周而复始，输出矩形脉冲。

其电路原理图如下：
电路的振荡周期为：
2ln )2(2121C R R T T T +=+= 振荡频率为
=f C
R R C R R T )2(43
.12ln )2(112121+≈
+= 脉冲的占空比为： 2
12
112R R R R T T q ++==
要产生1Hz 的脉冲信号，选取电路参数Ω==k R R 1021，F C μ471=，
F C μ01.02=，代入公式得：s T Hz f 1,1≈≈。

下图是输出端out 接示波器后的仿真波形图：
4.2定时器
定时器选用可逆计数器74192，置数组合逻辑为定时器提供19、4、14秒的定时信号分别控制控制器状态的转换，当倒计数到零时，计数器产生的回零信号
0B 提供给双D 触发器的CLK 端，使触发器翻转，从而使不同颜色交通灯状态发
生跳转。

计数器由两片74192构成，由双D 触发器的输出Q 1Q 0决定预置时间，Q 1Q 0=00时，预置时间为19秒，Q 1Q 0=01时，预置时间为4秒，Q 1Q 0=10时，预置时间为14秒,Q1Q0为11时，预置时间为0。

第一片74192控制十位数字，第二片74192控制个位数字，由于进行的是减法计数，所以CLK 端接地，两个LD 端和两个CP U 端均接高电平，低位的CP D 端接555定时器的输出脉冲信号，每当上升沿到来时，计数器记一次数；低位的0B 端与高位的CP D 端相连，当低位的计数器计到零时，高位计数器开始计数。

当最高位的Q D 计到零时，将它与LD 端通过一个非门相连，使LD 端变为高电平，从而重新计数。

定时器选用的是74LS192,74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能,其引脚排列图及功能表如下：
74LS192功能表
R LD CP U CP D 功能 H X X X 复位 L
L X X 预置 L H ↑ H 加计数 L
H
H
↑
减计数
192 为可预置的十进制同步加/ 减计数器， 共有54192/74192，54LS192/74LS192 两种线路结构形式。

其主要电特性的典型值如下：
192 的清除端是异步的。

当清除端（LR ）为高电平时，不管时钟端（CPD 、CPU ）状态如何，即可完成清除功能。

192 的预置是异步的。

当置入控制端（LD ）为低电平时，不管时钟CP 的状态如何，输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（A ～D ）相一致的状态。

192 的计数是同步的，靠CPD 、CPU 同时加在4 个触发器上而实现。

在CPD 、CPU 上升沿作用下Q0～Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。

当进行加计数或减计数时可分别利用CPD 或CPU ，此时另一个时钟应为高电平。

4.3延时电路
倒计时归零后，必须先使双D 触发器的状态发生翻转，然后才能发出LD 信
号，使计数器重新计数，所以必须让溢出信号0B 通过一个延时电路输出给LD ，用可调的RC 延时电路，既方便又简单。

具体电路如下：
1
2
3
4
6
7
5
15
13
12
10
9
11
14
Vcc GND
16
8
74LS192
可逆双时钟BCD计数器
Q C
Q A
Q B
Q D B
A C D
R
LD BO CO
CP D
CP U
4.4状态转换电路
由于有绿黄红三种状态，所以状态转换电路选用双D 触发器，第一个触发器的CLK 端接时钟信号，第二个触发器的CLK 端接第一个触发器的Q 端，当上升沿到来时，触发触发器的状态翻转一次，但双D 触发器总共有4种状态：00、01、10和11，其中00、01和10状态分别控制绿灯、黄灯和红灯，将11状态设置为绿黄红灯全灭，且置0秒，状态转换表如下：
灯 状态 次态
要置的数
十位 个位 Q 1
Q 0
Q 1*
Q 0*
D 1 C 1 B 1 A 1 D 0 C 0 B 0 A 0 绿G 0 0 0 1 19 0 0 0 1 1 0 0 1 黄Y 0 1 1 0 4 0 0 0 0 0 1 0 0 红R 1 0 1 1 14 0 0 0 1 0 1 0 0 1
1
由状态转换表可设计出控制绿黄红灯亮灭的组合逻辑电路，其方程如下：
G=*1Q *0Q Y=*1Q *0Q R=*1Q *0Q
触发器次态*1Q *0Q 或*1Q *0Q 通过7408与门芯片和500 限流电阻与分别于红黄绿小灯相连，触发器的1Q 0Q 端分别于置数组合逻辑的AB 端相连，当1Q 0Q 为00，*1Q *0Q 为01时，绿灯亮，且置19秒；当1Q 0Q 为01，*1Q *0Q 为10时，黄灯亮，且置4秒；当1Q 0Q 为10，*1Q *0Q 为11时，红灯亮，且置14秒；当1Q 0Q 为11，*1Q *0Q 为00时，绿黄红灯全灭，且置0秒。

双D 触发器74LS74及四二输入与门7408的芯片引脚图如下：
状态转换电路如下：
4.5置数组合逻辑
置数组合逻辑选用三片双4选1数据选择器74LS153，其中第一片74LS153的1Y端接高位74LS192的A端，控制十位数字；第二片74LS153的1Y和2Y和第三片74LS153的1Y和2Y分别接低位74LS192的A、B、C、D端，控制个位数字，三片74LS153的A、B端连在一起，并分别与两个触发器的Q端相连，每当触发器的状态翻转一次，就置一个新的数，置数组合逻辑真值表如下：
灯
状态次态
要置的数
十位个位
Q
1
Q
Q
1
*Q
*D
1
C1B1A1D0C0B0A0
绿G 0 0 0 1 19 0 0 0 1 1 0 0 1 黄Y 0 1 1 0 4 0 0 0 0 0 1 0 0 红R 1 0 1 1 14 0 0 0 1 0 1 0 0
1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
置数组合逻辑电路图如下：
双4选1数据选择器引脚图如下：
五、总电路图
六、设计心得
对于此次课程设计，总的来说，我们成功了。

我们小组三个人绞尽脑汁，同心协力，共同完成了我们的课程设计。

我们的设计共分设计仿真电路和实际电路搭建两部分。

在设计仿真电路的过程中，我们采取一部分一部分的分析，查阅各种资料，参考了许多相关书籍，可是还是遇上了不少困难，我们不仅要搞清楚各种芯片的使用方法，还要考虑它们之间的连接能达到什么功能，为了实现仿真，我们废寝忘食，我们通过在草稿纸上画真值表、卡诺图以及状态转换图等来将功能要求表示清楚，更加直观方便。

在最后连好总电路图仿真的时候，基本功能可以实现了，就是绿红黄按相应要求跳转后，第四个空状态不能置零，总是置成四秒，我们经过讨论后加上了延时电路，然后电路就正常了，仿真电路就此完成。

在实际电路搭建的时候碰到的问题就更多了，由于电路连线较多，很容易连错，再加上实验电路箱和面包板以及芯片和线路接触不良等问题，我们小心翼翼的连好了各部分电路，将各部分分开调试，发现计数器的数码显示管总是每隔2倒计时计数，而且计数不稳定，我们仔细的检查了电路连线，发现没有错误，我们就怀疑是面包板的问题，所以我们换了面包板后，计数器就正常了，但是我们
调试了每个模块都没有发现错误，把整个电路连起来功能总是实现不了，我们很是焦急，曾有放弃的想法，但是我们想了一会，决定换实验箱，将总的电路重新连了一遍，可是这一次各个模块的功能都实现不了了，我们就立刻崩溃了，眼看好多同学已经完成了，我们还看不到黎明的曙光在哪里，顿时感觉成功已经与我们告别了。

不过我们看到剩下的同学也都没放弃，我们顿时又激起了斗志，我们不会被击败，就算看不到希望也要坚持走下去，也许下一步我们就能看到希望的光芒。

于是我们又重新连接电路，各个模块好了，但总电路还是不行，此时我们发现我们用的一块芯片型号与仿真的不同，我们尝试换一个，顿时电路就好了，我们激动地热泪盈眶，几天的不懈奋斗，终于迎来了成功，那天下午验收完回去的路上，感觉天真的好蓝，这种感觉，真好。

通过这次课程设计，我们对数字电路有了更清晰的认识，我们明白了，理论与实际总是有差距的，在实际没有证实前，再好的理论它终究还是理论，但是我们最大的收获是体验了从失望到希望的过程，坚持到底，我们总会成功，人不能轻易言败，坚持不懈，永远抱有着希望，同时课程设计也是个需要耐心的事，心急吃不了热豆腐，只有一步一个脚印，才能将它做好！只要你肯付出，总会有回报。

最后感谢老师们给我们的提点与指导，帮助我们走向了成功。

七、参考文献
1.罗杰、彭容主编·数字电子技术基础（第3版）北京：高等教育出版社，2014
2.阎石主编·数字电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006
3.王冠华编著·Multisim10电路设计及应用北京：国防工业出版社，2008
4.林红、周鑫霞编著·数字电路与逻辑设计第2版，清华大学出版社，2004。