交通灯课程设计8

简易交通灯控制逻辑电路设计

一、设计任务与要求

1．东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间 15s。 2．东西方向与南北方向黄灯亮，时间 5s。 3．南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间 l0s。 4．如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。

二、方案设计与论证

根据设计任务与要求，我们可以知道这个交通灯的设计是分主次干道的，两个方面的时 间是不同的，东西方向通行 15s，南北方向 10s，这就要求我们要有两个计数器，根据我自己 的经验，东西方向通行 15s 完，倒计时数字显示器会显示到 0，然后切换到南北方向通行 10s 完之后， 倒计时数字显示器也会显示到 0 之后然后切换到东西方向，这样如此循环，这样的 话我们就要设计一个 16 进制和一个 11 进制的计数器， 根据我们所学和知识， 可以用两片 74192 芯片来构成对应进制的计数器， 由于是 15 和 10 之间循环切换， 我们可以用利用 JK 触发器的 翻转功能来实现两种进制计数器之间的切换；当然还有每个方向倒计时只有 5s 时，黄灯闪， 一直到 0 为止，由于黄灯是当两个计数器倒计时到 5 时开始闪，我们就可以在这时发出一个 脉冲然后一直保持到 0，或者是接收 0~5 这段时间的脉冲都可以控黄灯只在到了这段时间才 亮；还有就是一个紧急开关，我们可以控制在出现紧急情况时使用清零端使之清零，并且红 灯直接接到电源，使之一直处于亮的状态。

方案一：

交通灯控制原理图：

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秒脉冲源

倒计时 计数器

计数进制 转换器

黄灯控 制器

时间显 示 器

紧急开关 图1

交通显 示灯

1) 正常运行时 首先倒计时预置数，通过秒脉冲源给倒计数器发送秒脉冲，倒计时器开始倒计时，驱动 时间显示器显示，并且交通灯也正常运行，当倒计时器计到 5s 时，我们当然同时可以在时间 显示器上看到，这时倒计时器驱动黄灯控制器，使正在亮绿灯方向的黄灯闪烁，当倒计时器 计到 0 时，驱动计数进制转换器，使倒计时器预置为另一个进制，并同时控制和改变交通灯 的显示，其实就是计数进制转换器既可以完成进制转换，也同时充当了交通灯的转换功能。 如此往复循环。

2) 紧急情况时 当按下紧急开关时，倒计时器一直处于清零状态，车辆通行的交通灯四个方向的红灯同 时亮起。并且在出现紧急情况后恢复正常时通过紧急开关可以切换哪个方向先通行。

方案二： 方案二：

交通灯控制原理图：

555 定 时 器

计数进制 转换器

通道选择器

交通灯选择器

交通显 示灯 图2

紧急开关

2

1) 正常运行时 由 555 定时器计时，驱动交通灯选择器控制交通灯的显示，当一个方向的计数完成

之后 会产生一个脉冲，给通道选择器， 然后通道选择器驱动计数进制转换器转换到另一个进制， 由计数进制转换器预置 555 定时器的定时时间， 然后再驱动交通灯选择器控制交通灯的显示， 如此往复，其中 555 定时器是由电阻和电容来控制定时时间，其中的计数进制转换器就可用 一个数据分配器 74138 来选择所需电阻的大小来控制， 通道择器就可用两个 JK 触发器构成一 个四进制的计数器，其中两个输出端就可以来作为计数进制转换器 74138 的输入，并且这两 个输出端还可作为交通灯选择器 74138 的输入。 2) 紧急情况时 当按下紧急开关时，使交通灯选择器的使能端为 0，各个方向的红灯直接接到电源，这 样可以使车辆通行的交通灯四个方向的红灯同时亮起。

选择：

通过这两个方案的对比，由第二个方案用的是 555 定时器来计时，所以无法显示倒计时 的时间， 并且在出现紧急情况后恢复正常时也不能通过紧急开关切换哪个方向先通行。我觉 得第一个方案更符合我们的实际要求，所以我选择了第一个方案。

三、单元电路设计

1．倒计时计数器 这里是采用两片 74192 两片芯片构成 16 和 11 进制计数器，控制个位数字的 74192 的 减计数控制端接 1HZ 的脉冲输入，其中输入端 A、C 是接在一起并接在进制控制器的输出 端。其中两个 74192 的置数端是由控制十位数字的 74192 一个高位输出端 QD 通过一个非 门接过来的，并且低位输入端 A 接高电平，控制十位数字的 74192 的减计数控制端接控制 个位数字的 74192 的借位输出端 BO。两个 74192 的清零端都接在紧急开关的一端。如下 图：

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图3

2．黄灯控制电路 这里是采用数据分配器 74138，该芯片的输入端 A、B、C 分别接倒计时计数器中的控制 个位数字的 74192 的输出端 QA、QB、QC，为了保证是在显示器只是在显示 0~5s 时黄灯亮， 应把此 74138 的使能端 G1 由倒计时计数器中的控制十位数字的 74192 的输出端 QA 与由倒 计时计数器中的控制个位数字的 74192 的输出端 QD 通过一个或门再经过一个非门接过去。 然后 6 输出端 Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5 都分别经过一个非门然后都接入一个或门，那么 或门的输出端就是接黄灯的，也即黄灯控制器的输出端。如下图：

图4

3．信号灯转换电路（计数进制转换器） 信号灯转换器其实就是由计数进制转换器来实现，即一个 JK 触发器，其中 J、K 端都同

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时接高电平，即构成了一个 T 触发器，目的就是实现翻转功能，其时钟输入端是由倒计时计 数器中的两片 74192 的八个输出端经过一个或门然后经过一个非门接入。如下图：

图5

4．交通灯显示电路 一个方向的红灯由信号灯转换电

路的反向输出端~Q 和一个紧急开关的输出端经过一个 或门接入，黄灯是由信号灯转换电路的正向输出端 Q 和一个紧急开关的输出端经过一个非门 以及一个黄灯控制电路的输出端经过一个 1HZ 的脉冲源， 这三个输出端再经过一个与门接入， 绿灯由信号灯转换电路的正向输出端 Q 和一个紧急开关的输出端经过一个非门，这两个输出 端再经过一个与门接入；另一个方向的红灯由信号灯转换电路的正向输出端 Q 和一个紧急开 关的输出端经过一个或门接入， 黄灯是由信号灯转换电路的反向输出端~Q 和一个紧急开关的 输出端经过一个非门以及一个黄灯控制电路的输出端经过一个 1HZ 的脉冲源，这三个输出端 再经过一个与门接入， 绿灯由信号灯转换电路的反向输出端~Q 和一个紧急开关的输出端经过 一个非门，这两个输出端再经过一个与门接入。其中还加入一人行道的信号灯，这些灯的接 法就是红灯接在相邻车辆信号灯的绿灯上，绿灯接在相邻车辆信号灯的红灯上即可，也就是 该方向上的车辆通行，人行道就禁通行，反之，人行道通行。如下图：

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图6

5．紧急开关 该开关这里用的是单刀双掷开关，一端就是接入每个交通灯，直接接红灯，其它灯是经 过了一个非门接入，该端还接入到倒计时计数器两片 74192 的清零端。另一端是不起作用， 其实也可以用一个单刀单掷开关，该开关不仅能够在发生紧急事件，可以手动控制四个方向 红灯全亮。在处理完紧急事件后，第一次开始进入正常运行状态时还可以通过它控制切换选 择哪个方向开始先通行。

图7

四、总原理图及元器件清单

1．总原理图

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图8

2．元件清单

元件序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 型号 PM5771 74LS192 CL-5161 74LS112 CD4078 CD4073B 7HC08N CC4071 74LS04D 74138 LH61RGY17 主要参数 1HZ/50% 数量 2 2 4 1 2 2 2 3 10 1 28 备注 脉冲发生器 计数器 四输入红色数码管 JK 触发器 8 输入或门 3 输入与门 2 输入与门 2 输入或门 非门 数据分配器 模拟交通灯

五、仿真调试与分析：

1．在 EWB 软件中打开设计好的仿真电路，点击开启运行，刚开始是南北方向绿灯亮，东西 方向红灯亮； 分析：由于倒计时计数器中控制个位数字的 74192 的输入输入端 A、C 是同时接在计数进制 转换器中的 JK 触发器的正向输出端 Q，而在电路刚启动时 JK 触发器的现态为 O，所以刚开 始是 11 进制的计数器，控制的就是南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮。 效果如下图：

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图9

2．5s 过后数码管显示为 05 时，黄灯就开始闪烁，一直闪到数码管显示为 00 为止，其中红绿 灯状态是不变的； 分析：当数码管显示为 05 时，说明倒计时计数器已经计数到了只有 5s

的状态，此时驱 动黄灯控制电路，并不影响其他电路的工作，由于黄灯控制电路是由一个 74138 构成的，该 芯片的输入端 A、B、C 分别接倒计时计数器中的控制个位数字的 74192 的输出端 QA、QB、 QC，为了保证是在显示器只是在显示 0~5s 时黄灯亮，应把此 74138 的使能端 G1 由倒计时计 数器中的控制十位数字的 74192 的输出端 QA 与由倒计时计数器中的控制个位数字的 74192 的输出端 QD 通过一个或门再经过一个非门接过去，这样就只有当 QA 为 0，并且 QD 也为 0 时才开启此块芯片。由于 74138 的输出端是低电平有效，所以 6 输出端 Y0、Y1、Y2、Y3、 Y4、Y5 都分别经过一个非门然后都接入一个或门，那么或门的输出端就是接黄灯的。

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效果如下图：

图 10

图 11

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3．然后切换到东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，10s 过后开始黄灯闪烁， ，一直闪到数码管 显示为 00 为止，其中红绿灯状态是不变的； 分析：当 11 进制倒计数完成之后，到数码管显示为 00 时，就马上驱动计数进制转换器 也即信号灯转换电路，因为它就是一个下降沿触发的 JK 触发器构成的，其中 J、K 端都同时 接高电平，即构成了一个 T 触发器，实现翻转功能，其时钟输入端是由倒计时计数器中的两 片 74192 的八个输出端经过一个或门然后经过一个非门接入，在不需要翻转的时间段里，时 钟输入端一直输入的是低电平， 一旦当 11(15)进制倒计数到 00 时， 会使得时钟输入端输入 1， 从 0－>1，即产生了一个下降沿，使 JK 触发器翻转，使得次态为 1，由以上单元电路设计中 的倒计时计数器可知，此时控制个位数字的 74192 的输入端 A、C 都为 1，则此时个位的二进 制编码是 0101 即十进制的 5，并且同时置数，这样就实现了进制转换，并且在转换的同时， 由交通灯显示电路的输入端可知同时也转换了交通灯的显示；效果如图 11。 4．在任何时候都可以按下紧急开关，一旦按下紧急开关，四个方向的交通灯只有红灯全亮， 并且同时数码显示管都显示为 00，当需要恢复正常通行就可以弹开紧急开关，就一切显示都 会恢复正常，并且我们可以注意到，在按下紧急开关时如果是东西方向通行的话，弹开紧急 开关后，是首先恢复南北方向通行，反之，是首先恢复东西方向通行； 分析：由以上单元电路设计中紧急开关交通灯显示电路的设计可知，当按下紧急开关倒计时 计数器一直处于清零状态，所以显示 00；并且紧急开关的有效端就是直接接到了红灯，其它 灯是通过了一个非门才接入，所以只有红灯亮；由于在按下紧急开关时， 信号灯转换电路也即计数进制转换器中的 JK 触发器保持了按下紧急开关

之前的次态， 当弹开 紧急开关时， 由于倒计时器是处于 00 状态， 这时就会给计数进制转换器一个下降沿， 使得 JK 触发器翻转一次，如果原来是 1，现在就是 0，反之，现在就为 1， 这样就可以通过紧急开 关来控制恢复通行的第一次是哪个方向首先通行。 效果如下图：

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图 12

六、结论与心得

课程设计诚然给了我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门 辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。至于建议，一言以蔽之，大学 教育当如此。

七、参考文献

[1]高吉祥。 数字电子技术。 北京：电子工业出版社 [2]梁宗善。 电子技术基础课程设计[M]。 武汉：华中理工大学出版社 [3]李玲远，范绿蓉，陈小宇。 电子技术基础实验。 北京：科学出版社 [4]彭介华。 电子技术课程设计指导[M]。 北京：高等教育出版社

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