数字电路交通灯设计

二、设计内容

设计一个十字路口交通灯定时控制系统：

①主、支干道交替通行，主道每次放行30秒，支道每次放行20秒。 ②绿灯亮表示可以通行，红灯亮表示禁止通行。

③当绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒，此时另一干道上的红灯不变。

④主、支路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。

⑤黄灯亮时，红灯按1HZ的频率闪烁。

⑥要求主、支干通道通行时间及黄灯亮的时间均可在0～99S内任意设定。 三、设计方案

该交通灯定时控制系统的组成框图如图1所示。由状态控制器、状态译码器、减法计数器、秒脉冲发生等组成。

状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过状态译码器分别点亮相应状态的信号灯。

秒信号发生器产生整个定时系统的时基脉冲，通过减法计数器实现减计数，控制每一种工作状态的持续时间。

减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态决定计数器下一次减计数的初始值。减法计数器的状态由BCD译码器译码、数码管显示。在黄灯亮期间，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制电路，使红灯闪烁。

译码、显示 主干道信号灯 支干道信号灯 减法计数器 置数控制 状态译码器 红灯闪烁控制 状态控制器 秒脉冲发生器 图1 交通灯控制系统原理框图

四、单元电路设计

1．状态控制器设计

（1）交通灯顺序工作流程图如图2所示。

主干道绿灯亮 支干道红灯亮 （30进制计数器减一） 30秒末到

主干道黄灯亮 支干道红灯闪烁 （5进制计数器减一）

5秒末到

主干道红灯亮 20秒末到

支干道绿灯亮 （ 20 进制计数器减一） 主干道红灯闪烁 支干道黄灯亮 （5进制计数器减一）

5秒末到

图2 交通灯顺序工作流程图

(2)状态控制器

信号灯四种不同的状态分别用（主绿灯亮，支红灯亮）、S1（主黄灯亮，支红灯闪烁）、S2（主红灯亮，支绿灯亮）、S3（主红灯闪烁，支黄灯亮）表示，其状态编码及状态转换图3所示。

S0=00 S1=01 S2=10 S3=11 图3 交通灯状态转换图

S0状态用Q1Q0=00表示，S1状态用Q1Q0=01表示，S2状态用Q1Q0=10表示，S3状态用Q1Q0=11表示，显然，这是一个二位二进制计数器。可采用中规模二进制计数器CD4029

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或74LS161等实现，这里我们可以应用74 LS162来实现，74 LS162是同步四位十进制计数器，功能表如表1所示，具有同步清零功能。当CLR=0，在CLK脉冲的上升沿到来时，将输出端QA QB QC QD 清为低电平。

表1 74162的功能表 输入 CLK CLR’LOAD ENP ENT A B C D ↑ 0 × × × × × × × ↑ 1 0 × × a b c d × 1 1 0 1 × × × × × 1 1 × 0 × × × × ↑ 1 1 1 1 × × × × 输出 QA QB QC QD 0 0 0 0 a b c d 保持 保持(C=0) 计数 根据需要对照功能表连接电路，用反馈归零法设计二位二进制加法计数器，74162的输出端QA、QB经与非门接同步清零端CLR’，交通灯状态控制电路如图4所示。A代表Q1，B代表Q2，A’代表Q1，B’代表Q2。

图4 交通灯状态控制器

2.状态译码器设计

主、支干道红上黄、绿、黄信号（我们用蓝灯表示）灯的状态主要取决状态控制器的输出状态。他们之间的关系见真值表如表2所示。对于信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。

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表2 信号灯信号真值表 状态控制器输出 Q2 0 0 1 1 Q1 0 1 0 1 主干道信号灯 R（红） 0 0 1 1 Y(黄) 0 1 0 0 G(绿) 1 0 0 0 支干道信号灯 r（红） 1 1 0 0 y(黄) 0 0 0 1 g(绿) 0 0 1 0

根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为：

RQ2Q1Q2Q1Q2 RQ2

YQ2Q1 YQ2Q1

GQ2Q1 GQ2Q1

rQ2Q1Q2Q1Q2 rQ2 yQ2Q1 yQ2Q1

gQ2Q1 gQ2Q1

交通灯状态显示电路如图5所示，根据设计任务要求，当黄灯亮时，红灯应按1HZ的频率闪烁。从状态译码器真值表中看出，黄灯亮时，Q1必为高电平；而红灯点亮信号与Q1无关。现利用Q1信号去控制一三态门电路（或模拟开关），当Q1为高电平时，将秒信号脉冲引到驱动红灯的与非门的输入端，是红灯在黄灯亮期间闪烁；反之将其隔离，红灯信号不受黄灯信号的影响。

根据信号灯真值表及逻辑函数表达式，设计交通灯状态译码器电路。

两个状态控制信号A、B分别应该接图4中的A、B，仿真时临时选用两个手动开关健入。秒信号发生器暂时选择1HZ的时钟源。

输出端我们用彩色指示灯表示，彩色指示灯是单端高电平输入有效，这样选择简化了电路结构。双击彩色灯弹出对话框，选择“Choose Probe”中的“Green Probe”点确定， 当电路中它的输入是高电平时，他就会变成绿色。因为没有黄色指示灯，我们用蓝灯代表黄色指示灯。

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图5 交通灯状态显示电路

3.定时系统的设计

根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，来完成30秒、20秒、5秒的定时任务。采用同步十进制加/减计数器74LS190，它可进行加法、减法计数，它有计数使能控制输入，有级联脉动时钟输出，有预置数，禁止计数等功能，但无清零功能。

（1）74LS190的功能

表3 74LS190功能

输入 LOAD CTEN U/D CLK A B C D 1 0 0 ↑ × × × × 0 × × ↑ a b c d 1 0 1 ↑ × × × × 1 1 × × × × × × 输出 QA QB QC QD 加法计数 a b c d 减法计数 保持

74LS190的主要功能如表3所示，下面作简要说明。

1）预置数：当置数端（LOAD）为低电平时，当时钟上升沿到来时，数据输入端

信号A、B、C、D将对内部触发器直接置位或复位，结果使QA=A、QB=B、QC=C、QD=D，而与其他控制端的电平无关。

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2）计数：在允许端CTEN为低电平，置数端无效（LOAD=1）的条件下，若加／

减输入端U/D 为低电平，则可进行加计数，若加／减输入端U/D 为高电平，可进行减计数。

3）禁止计数：当允许端CTEN为高电平时，计数被禁止。值得注意的是，允许

端的电平应在CP为高电平时发生变化。

4）级联：为了便于进行级联，采用了两个输出：脉动时钟输出（RCO）和最大/最小（MAX/MIN）计数输出。当计数器发生溢出或下溢时，脉动时钟输出将产生一个低电平输出脉冲，其宽度为时钟输入的低电平部分，而最大/最小计数输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度为时钟脉冲的整个周期。

[附：级联方法①若使用并行时钟脉冲，则把脉动时钟输出送到下一级计数器的使能输入。②若使用并行使能，则把脉动时钟输出送到下一级计数器的时钟输入。③高速应用时，可用最大/最小计数输出进行超前进位。]

（2）五进制减法计数器设计

五进制减法计数器设计电路如图6所示，4个开关分别接74190芯片的D、C、B、A端，假如把时间设为5秒，开关DCBA分别接0101，当数据输入端信号DCBA=0101时，置数端（LOAD）为低电平时，当时钟上升沿到来时，结果使QD QC QB QA= DCBA=0101，把开关space接到高电平，74190从5开始进行减法计数。

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图6 五进制减法计数器 （3）二十或三十进制减法计数器

二十或三十进制减法计数如图7所示，先选用两个74190芯片级联成一个从可任意设定时间00～99倒计至00的计数器，其中作为个位数的74190芯片的CLK接秒脉冲发生器（频率为1），再把个位数74190芯片输出端的MAX/MIN用一个非门连起来，再接在十位数74190芯片的CLK端。8个开关H、G、F、E、D、C、B、A分别接十位数和个位数74190芯片的D、C、B、A端，如把时间设为20秒，十位数74190芯片的开关HGFE=0010，个位数74190芯片的开关DCBA=0000，置数端（LOAD）为低电平时，当时钟上升沿到来时，结果使十位数74190芯片QD QC QB QA=0010，个位数74190芯片QD QC QB QA=0000，把开关space接到高电平，计数器从20开始进行减法计数。如把时间设为30秒，十位数74190芯片的开关HGFE=0011，个位数74190芯片的开关DCBA=0000，置数端（LOAD）为低电平时，当时钟上升沿到来时，结果使十位数74190芯片QD QC QB QA= 0011，个位数74190芯片QD QC QB QA= 0000，把开关space接到高电平，计数器从30开始进行减法计数。

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图7 二十或三十进制减法计数器

4．预置控制电路设计

预置到减法计数器的时间通过三片74244或74LS244三态八缓冲器/线驱动器/线接收器来实现，74244功能表如表4所示，G’是使能控制输入端，接低电平时工作，接高电平输出高阻。

（a） (b) (c)

图8 三片74LS244的输入数据 表4 74LS244功能表

输入 G’ 0 0 1 A 0 1 × 输出 Y 0 1 高阻

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三片74LS244的输入数据分别接入30、20、5三个不同的数字，任一输入数据到减法计数器的置入由状态译码器的输出信号控制不同74LS244的选通信号来实现如图8。例如当状态控制器在S1(Q2Q1=01)或在S3(Q2Q1=11)时，要求减法计数器按初值5开始计数，故采用Q2Q1为逻辑变量而形成的控制信号Q1去控制输入数据接数字为5的74LS244的选通信号。由于74LS244选通信号要求低电平有效，故Q1经一级反相器后输出接相应74LS244的选通信号，同理，输入数据接30的三态门74LS244的选通信号接干道绿灯信号G。输入数据接20的三态门74LS244的选通信号接干道绿灯信号

g。电路如图9所示。

将秒信号引入定时系统电路脉冲输入端，在秒脉冲作用下，将三个74LS244的置数选通端依次接地，计数器以三个不同的置数输入为进制体制，完成减法计数，两位数码管应有相应的显示。否则应查找原因。

图9 预置控制电路

5.秒信号产生器电路设计

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产生秒信号的电路由多种形式，现利用555定时器组成秒信号发生器，如图10所示。R1、R2和C是外接定时元件，将555定时器的高电平触发端THR与低电平触发端TRI连接在一起，接到R2和C的连接处，将放电端DIS接到R1、R2的连接处，CON端接有0.01μF的滤波电容，以提高电路的稳定性，也可不接。

因为该电路输出脉冲的周期为： T=0.7（R1+2R2）C

若T=1s，令C=12μF，R1=47KΩ，则R2=39KΩ，使输出脉冲周期为1S。

图10 秒信号发生器

用示波器作为上图的输出，打开右上脚的按钮，然后双击示波器，我们可观察到图11所示的秒信号。如果产生的波形有误差，可以稍微调节左边电容的大小以便信号更逼真。

因为需要产生秒信号，所以“Time base”选项卡应该改为1s，点击“expand”，可以放大观察。

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图11 秒信号显示波形

首先调试秒信号发生器。用示波器监视秒信号发生器的输出，使输出信号的周期为1s。

6．译码和显示电路

由7448和七段数码管组成。各计数器的输出端输出的BCD编码，分别送给对应7448，经过7448译码输出的七段LED数码管的十进制数显示代码，使共阴阳七段LED数码管，显示出对应的十进制数，一个7448和七段数码管组成的电路如图12所示。

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图12 译码和显示电路

五、整机电路

把各个单元电路互相连接起来，整机电路如图13所示。

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图13整机电路

六、调试要点

1．先调试秒信号发生器。可用示波器或指示灯来监视秒信号发生器的输出，输出信号的周期应为1S。

2．直接将秒信号接入状态控制器脉冲输入端，在该脉冲作用下，模拟主、支干道的三色信号灯应按要求依次转换。

3．将秒信号接入定时系统电路脉冲输入端，在该脉冲作用下将74LS244的置数选通端依次接地，计数器应以三个不同的置数输入为进制体制，完成减法计数，数码管应有相应的显示。

4．把各个单元电路互相连接起来，进行系统通调。

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