简易交通灯控制逻辑电路设计报告

一、设计任务和要求
二、设计目的
三、设计方案选择
- 方案一
- 方案二
- 方案一、优点：状态转换简单；
- 方案二、优点：下降脉冲触发，与时钟信号匹配；
- 方案框图
四、单元电路的选择设计
- - 1.秒脉冲电路原理图：
  - - 电路仿真图：
  - 2、计时系统电路的选择设计
  - 3、状态控制器电路的选择设计
  - 4、时钟、状态控制判断系统电路的选择设计
  - 5.状态翻译电路的选择设计
  - 6.输出调整电路的选择设计
  - 7.紧急开关设计
  - 8.信号灯系统电路设计
- 五、系统的调试与仿真
- - 1、调试软件：采用Multisim10软件进行仿真。
  - 2、仿真电路的联成
  - 3、电路的调试
- 六、心得体会
- 七、元件列表
- 八、参考书

一、设计任务和要求

设计一个简易交通灯控制逻辑电路，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10s。
4、如果发生紧急事件，可以动手控制四个方向红灯全亮。

二、设计目的

1、进一步熟悉和掌握数字电子电路的设计方法和步骤
2、进一步将理论和实践相结合
3、熟悉和掌握仿真软件的应用

三、设计方案选择

任务要求实际上就是4个状态，不妨设：
S1：东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s；
S2：东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s；
S3：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l0s；
S4：如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。
【表1】主电路状态与指示灯状态转换

主电路状态	东西方向绿灯G1	南北方向红灯R2	黄灯Y	东西方向红灯R1	南北方向绿灯G2
S1	1	1	0	0	0
S2	0	0	1	0	0
S3	0	0	0	1	1
S4	1	0	0	1	0

主电路要实现S1→S2→S3状态的循环转换，而且可以在任何一个状态进入S4，并能恢复正常工作状态。S1=15s；S2=5s；S3=10s。

方案一

①、S1-S3使用2个SR锁存器，设置00，01，10三个状态。
②、S4使用触发器，当出现紧急情况，触发器由“0”进入S4状态“1”后，在解除紧急时，恢复“0”，进入S1状态。
③、使用4个JK触发器，实现16位计数。

方案二

①、S1-S3使用2个7473替代的T触发器。JK触发器包含SR触发器和T触发器的功能，J=K=T，则得到T触发器。
②、S4使用或门、非门实现，从【表1】可知：
G1=S3+S4
R2=S1·~S4
Y=S2·~S4
R1=S3+S4
G2=S3·~S4
③、使用74192同步可逆10进制计数器（8421码）2个

方案一、优点：状态转换简单；

          解除紧急（S4）后指定回到S1；缺点：电平触发，与时钟信号不匹配；

方案二、优点：下降脉冲触发，与时钟信号匹配；

          容易处理，可显示数值；缺点：解除紧急（S4）后回到S1/S2/S3任一状态，不固定；

综合考虑，为使电路简化、运行稳定，选用方案二。

方案框图

计时器：使用上升时序，个位、十位两片74192。进位关联使用个位TCU＝十位UP实现（Terminal Count Up (Carry) Line）。数据状态通过判断条件进入选择器74S153。判断条件成立后执行清零。
时序Sx控制：使用74LS73改装的T触发器2个，实现S1→S2→S3状态的循环转换。
判断时钟、Sx：判断74192和74LS73的状态，满足条件输出74192的清零使能和74LS73的CLK信号。
翻译Sx－LED，翻译S1、S2、S3对应LED的5个状态：
输出调整电路，令紧急电平开关控制LED的状态。

四、单元电路的选择设计

1、秒脉冲电路的选择设计

①秒脉冲可以由函数信号发生器产生，也可以由555定时器组成多谐振荡器产生。

②本实验采用555定时器组成的多谐振荡器，采用如图所示的接法，引入了二极管D1和D2，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放电电流只流经R2，因此电容的充电时间变为T1=R1Cln2，放电时间变为T2=R2Cln2，故得脉冲的占空比为q=R1/(R1+R2)，若取R1=R2，则q=50%，相应的周期变为T=（R1+R2）Cln2，取C=100uF。为了使输出波形稳定，取R1=R2=5.6K。

1.秒脉冲电路原理图：

电路仿真图：

2、计时系统电路的选择设计

计时系统包括由74192构成的计数器和数字译码显示器等，电路图
如图

计数器由两片74192十进制计数器组成两位十进制加法计数器，控制个位数的74192接入脉冲输入，进位输出端接十位数的加计数输入端。
两个芯片上的计数器输入端都接地，清零端接紧急开关，当紧急开关接地时，清零端输入低电平，计数器正常工作，当紧急开关接高电平时，计数器清零停止工作。74S153的1Y、2Y通过一个或门后接两个74192的预置数端，数据状态通过判断条件进入选择器74S153。判断条件成立后执行清零。控制个位数的74192的QB、QC经与门接入74S153的B输入端，当个位到达6时，输出为“1”；控制十位数的74192的QA接74S153的1C2、2C1、2C3，当十位到达1时，输出为“1”。
计数器的输出端分别连接对应数字译码显示器的输入端。
74192功能表如下：

3、状态控制器电路的选择设计

状态控制器是交通灯控制电路的核心，能够控制交通灯工作状态的转换。本设计需要循环的状态一共是三个，分别是S1、S2、S3，采用74LS73，JK触发器。

用JK触发器构成T触发器：

则有：

使2个T触发器的4状态循环变为3状态循环，使用作系统状态。由选择器74153判断。

	74LS73	74LS73
状态			持续时间
S1	00	11	15S
S2	01	10	5S
S3	11	00	10S

状态转换图：

74LS73功能表如下：

4、时钟、状态控制判断系统电路的选择设计

判断系统由74S153数据选择器构成，电路原理图如下：

数据选择器输出的逻辑式为：

     1Y=[1C0(~A~B)+1C1(~AB)+1C2(A~B)+1C3(AB)]·1G;2Y=[2C0(~A~B)+2C1(~AB)+2C2(A~B)+2C3(AB)]·2G;

由图可知：

        1C0=1C1=2C0=2C2=0;1C2=2C1=2C3=QA(十位74192)；1C3=1;B=QA·QB（74S153）;A=Q0(JK0 74LS73);

   ~1G、~2G分别接Q1(JK1 74LS73)和~Q1(JK1 74LS73)

状态	CLK	Q1 74LS75	Q0 74LS73	@B74192	@C74192(2)
S1	1	0	0	1	1
S2	1	0	1	1	X
S3	1	1	1	X	1

74S153功能表如下：

5.状态翻译电路的选择设计

状态翻译电路由74LS138（3-8线译码器）实现，电路图如下：

A=Q0(74LS73)
B=Q1(74LS73)
C接紧急开关
74LS138功能表如下：

74LS138功能表如下：

6.输出调整电路的选择设计

由于74LS138输出的是而不是，另外需要实现正的逻辑，所以增加G6～G1来调整线路。电路图如下：

7.紧急开关设计

紧急开关电路图如下：

当紧急开关接地电平时，74192计数器正常工作，74LS138译码器工作输出为Y0、Y1、Y3，交通灯正常工作；当紧急开关接高电平时，74192计数器停止工作，74LS138输出不为Y0、Y1、Y3中的任意一个，所以黄、绿交通灯均不能工作，而红交通灯直接接了紧急开关，所以红交通灯全部亮起。

8.信号灯系统电路设计

信号灯系统的电路图如下：

五、系统的调试与仿真

1、调试软件：采用Multisim10软件进行仿真。

2、仿真电路的联成

仿真电路如下：

3、电路的调试

①调试秒脉冲
将秒脉冲输出接示波器，观察输出波形，当两个电阻阻值为5.6K时，波形最稳定。
②调试运行时，仿真软件时间太长，难以看出结果，可以点击菜单栏中Simulate/Interractive transient analysis，在弹出对话框中的Instrument Analysis区进行更改，将Maximum time step(TMAX)中的时间调整到0.001~0.005之间比较合适。
③计数器测试时，首先是将个位数的QA、QC引出到74S153中，但运行时在个为显示器到刚到达4计数器便立即清零只能显示13,猜想原因可能是由于元件的延时造成的，所以改为将个位数的QB、QC引出到74S153，再运行结果稍稍有所改善可以短暂显示4。
④紧急开关最初的设计没有连接计数器的清零端，计数器的清零端是接地的，但在紧急开关开启时，计数器仍然在计数所以改为将紧急开关连接计数器的清零端，正常工作时，清零端输入低电平，当紧急开关开启时，清零端输入高电平，计数器工作在清零状态。
⑤元件调整：双击原件即可调整原件参数。如果在运行状态，这个操作会导致总电源的关闭。
⑥接线问题：当且仅当元件、结点不移动的情况下，连线不移动，新接连线会自动调整，可用鼠标移动到线上拖动，若线上出现小方框，说明线太密，不能移动。连线不能倾斜，全部横向或竖向。当第三点需要连接在线上是，可以从端点拖动到线上。EWB不允许出现悬空线，也不允许从导线开始延伸到端点。
⑦器件、结点圈选以后可以整体移动。圈内的器件、结点相对位置不会移动，导线两端均在圈内则不移动，导线两端在圈外亦不移动。导线一端在圈内，一端在圈外则会自动调整。

仿真截图如下：

S1状态，东西方向绿灯亮南北方向红灯亮，时间为15秒；

S2状态，东南西北四个方向黄灯亮，时间为5秒；

S3状态，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮，时间为10秒；

S4状态，紧急状态，东南西北四个方向红灯全亮，计数器清零不显示。

六、心得体会

经过两周的努力终于完成了关于交通灯控制电路的电子课程设计，
通过不断的查资料让我积累了许多实际操作经验，
已初步掌握了数电的应用技术。巩固了数电课程知识，加深对基本器件、FF、时序电路、逻辑电路的理解。
我深刻体会到数字电子技术对当今现代社会的重要作用。经过这次设计，我学会了严密的思考，构想及怎样把计划付诸于实际行动中。
同时与社会的不断高速发展的步伐相比
我认识到自己所学的知识和技能还远远不足有些实际问题还不能解决，很多更好的设想也无法实现，缺少很多有实际运用价值的知识储备，缺乏应有的动手解决实际问题的能力，缺乏高效利用及筛选大量资料的能力，有待在今后的学习实践中进一步提高。经过这次课程设计，我更加认识到要学好自己的专业知识以适应不断发展的社会。

七、元件列表

元件序号	型号	主要参数	数量
74192	74LS192	十进制、LOAD低电平有效	2
74S153	74LS153	2组数据4选1选择器使能端Ea、Eb低电平有效	1
74LS73	74LS73	J＝K＝T，2个T触发器	1
74LS138	74LS138	3-8线译码器	1
G0	74LS00+74LS04	2输入与门	1
G1、G2	74LS00	2输入与非门	1
G3、G6、G7、G8	74LS04	2输入非门	1
G4、G9、G10	74LS02+74LS04	2输入或门	1
G5	74LS86	2输入异或门	1
红灯		2.5V	4
绿灯		2.5 V	4
黄灯		2.5V	4
个（十）位显示	DCD_HEX		2

八、参考书

[1]阎石.数字电子技术基础第四版[M].北京：高等教育出版社
[2]罗中华.数字电路与逻辑设计课程[M].北京：电子工业出版社
[3]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
[4]郭海文.电气试验技术[M].北京：中国矿业大学出版社
[5]74LS73说明书
[6]74LS138说明书
[7]74LS153说明书
[8]74LS192说明书

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