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摘要
1 设计目的及要求
1.1设计目的
1.2 题目与要求
2 总体方案设计
2.1 提出原理方案
方案（1）：基于同步模型的电路设计
方案（2）：基于异步模型的加法计数电路设计
方案（3）：基于异步模型的减法计数电路设计
2.2 原理方案的确定
3 单元电路设计及仿真
3.1 秒脉冲电路
3.2 定时系统电路
3.2.1 计数器的构成
3.2.2 T30、T4信号的引出
3.2.3 译码显示模块
3.3主控系统电路
3.4显示系统电路设计
3.4.1 普通显示系统
3.4.2 带强制通行的显示系统
4 总体电路连接与测试
4.1 总体电路及仿真测试
4.1.1 总体电路图
4.1.2 电路调试
4.2 元件清单
5 总结
参考文献
摘要
本设计通过采用数字电路设计一种交通灯控制系统,设计了一种用数字信号自动控制十字路口南北和东西方向红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,并且具有某一方位强制通行的功能。本设计使用555定时器构成多谐振荡器产生秒脉冲，两片74LS190可逆十进制计数器级联作为计数器使用，使用74LS191可预置的四位二进制加/减法计数器用来作为状态转换控制器，最终通过Multisim实现了真实情况的模拟。
关键词：交通灯控制系统；74LS190；74LS191；Multisim
1 设计目的及要求
1.1设计目的
本次课程设计要完成全流程的电子线路设计工作。课程设计分为选题、方案设计、电路设计和仿真、PCB文件制作等几个环节。
- 过对数字逻辑电平测试系统进行建模仿真，一方面掌握数字电路逻辑电平测试原理方法，加深对相关电路的基本原理的理解，同时训练通过计算机软件（Proteus、Multisim）进行电路辅助设计和仿真的一般方法，熟悉软件的应用；
- 通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析、设计电子电路、学习新技能和解决实际问题的能力。掌握常用电子器件的类型和特性，以及合理选用的原则。
- 学会撰写课程设计总结报告。培养严肃认真的工作作风和科学态度，建立严谨的工程技术观念。
1.2 题目与要求
本次课程设计题目的具体要求为：
简易十字路口红绿黄信号灯控制器，基本定时功能。
2 总体方案设计
2.1 提出原理方案
（1）南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮(30秒)
（2）南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮(4秒)
（3）南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮(30秒)
（4）南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮(4秒)
（5）如果出现紧急事件，可以手动分别控制两个方位红灯全亮
Q1Q0是对四种状态的编码，对应关系如表2-1所示。
表2-1 状态编码表
| Q1Q0 |
南北 |
东西 |
| 00 |
红灯亮 |
绿灯亮 |
| 01 |
红灯亮 |
黄灯亮 |
| 10 |
绿灯亮 |
红灯亮 |
| 11 |
黄灯亮 |
红灯亮 |
各个状态的转换关系如图2-1所示，圈中的数字为四种状态对应的编码，箭头上的数字代表各种状态转换的条件，‘T30’代表30s计时结束的信号，‘T4’代表4s计时结束的信号，‘1’代表该条件到来，‘0’代表该条件未到来，X代表该条件随机（‘0’状态或‘1’状态都可以）
图2-1 状态转换图
经过上述的分析，可知本课题的关键在于四种状态的转换以及各个状态保持固定时间功能的实现。经过查阅相关资料，本报告提出三种可以实现上述功能的电路设计方案：
方案（1）：基于同步模型的电路设计
该模型的系统框架图如图2-2所示，使用的芯片有两片74LS160十进制计数器，两个JK触发器.主控系统和定时系统都以秒发生器的信号作为时钟源
图2-2 同步模型系统框架图
用Q1Q0代表交通灯的原态，Q*1Q*0代表新态表2-2为同步模型下的真值表。
表2-2 同步模型真值表
| Q1 |
Q0 |
T30 |
T4 |
Q*1 |
Q*0 |
| 0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
| 0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
| 0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
| 0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
| 0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
| 0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
| 0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
| 1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
| 1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
| 1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
| 1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
| 1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
| 1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
| 1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
| 1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
通过卡诺图化简，可以得到两个JK触发器的J、K的表达式：
方案（2）：基于异步模型的加法计数电路设计
该模型系统框架图如图2-3所示，使用的芯片有两片74LS160作为计数器，一片双四选一数据选择器，以及一片74LS161用来切换状态。秒脉冲信号只接定时系统，主控系统接收来自定时系统的信号作为时钟信号，这样可以减少变量的个数简化电路，具体分析在方案对比中体现。
图2-3 异步模型系统框架图
方案（3）：基于异步模型的减法计数电路设计
该模型系统框架图如图2-3所示，该方案为减法计数，使用的芯片有两片可逆十进制计数器74LS190，一片四位二进制计数器74LS191。秒脉冲信号只接定时系统，主控系统接收来自定时系统的信号作为时钟信号。
2.2 原理方案的确定
方案一中的同步模型最容易理解，但是计算量较大，使用芯片最多，电路连接较为复杂，该方案中新态
Q*=f(Q0,Q1,T30,T4)
在方案二的异步加法计数模型中，新态
Q*=f(Q0,Q1)
方案一新态与四个量有关，方案二新态与两个量有关，由此可见方案二的电路连接比方案一更加简洁，但是加法计数与真实情况不符合。
相对于方案一和方案二，方案三使用的芯片最少，计算量很少，并且减法计数更加符合真实道路的情况，因此本设计采用方案三。
3 单元电路设计及仿真
3.1 秒脉冲电路
秒脉冲信号发生器由555组成的多谐振荡器电路产生。
该电路的输出脉冲的频率：
秒脉冲信号发生器如图3-1所示， 秒脉冲波形图如图3-2。
图3-1 秒脉冲电路原理图
图3-2 秒脉冲波形图
3.2 定时系统电路
3.2.1 计数器的构成
计数器包括两片74LS190芯片，74LS190的引脚及功能如表3-1所示，两个芯片的CLK接统一的时钟源信号，两片的D/正在上传…重新上传取消引脚均接高电平，低位的RCO引脚接高位的CTEN引脚，用来传递借位信号，完成芯片之间的级联。
表3-1 74LS190功能表
3.2.2 T30、T4信号的引出
如图3-3所示，74LS190的RCO、LOAD均为低电平有效，两个芯片的RCO引脚通过或门与各自的LOAD以及主控芯片的CLK相接，当两个计数芯片同时产生借位信号，RCO引脚发出低电平信号（此信号对应T30或T4信号），该低电平信号会使计数芯片进行置数，相应的置数输入由主控芯片进行控制，产生的上升沿信号会使主控芯片切换到下一个状态，有关主控芯片的具体控制方式会在主控模块详细分析。
图3-3 计数器电路图
3.2.3 译码显示模块
译码显示模块功能是将计数器的计数状态进行显示，选用两个BCD_HEX数码管作为显示器，将数码管的四个引脚直接与计数芯片的输出引脚相接，分别显示高位和低位的数字。
3.3主控系统电路
主控系统的设计是整个系统的关键，不仅要实现状态的转换还要实现相应的置数。本设计的处理方法时在切换状态的同时完成下一个状态的置数准备，这样就可以实现状态保持相应时间并且完成切换的目的，使用的芯片为一片74LS191，状态编码与要完成的置数对应关系如表3-2所示。00状态应该保持30s，在00状态就应置数4s，其他的以此类推。
表3-2 状态与置数对应关系
| Q1Q0 |
D1C1B1A1 D0C0B0A0 |
| 00 |
0000 0100 |
| 01 |
0011 0000 |
| 10 |
0000 0100 |
| 11 |
0011 0000 |
通过分析发现置数只与Q0的值有关，因此表3-2可以简化为表3-3
表3-3 状态与置数对应关系简化
| Q0 |
D1C1B1A1 D0C0B0A0 |
| 0 |
0000 0100 |
| 1 |
0011 0000 |
由表3-3可得如下特性方程：
通过上述分析，主控系统的电路连接如图3-4所示，Q0直接与高位的B、A相连，通过非门与低位的C相连，由74LS191的低两位进行状态输出，还可选用其他十六进制的芯片，但是不可选用十进制芯片。接于74LS191的数码管用于显示状态，便于分析，实际情况中将此数码管取下即可。
图3-4 主控系统电路图
3.4显示系统电路设计
3.4.1 普通显示系统
以Q1Q0代表四种编码状态，下角标‘1’代表南北向，下角标‘2’代表东西向，R、G、Y代表红、绿、黄灯，状态‘1’代表该灯亮，则其对应关系如表3-4所示。
表3-4 信号灯显示真值表
| Q1Q0 |
R1 G1 Y1 |
R2 G2 Y2 |
| 00 |
1 0 0 |
0 1 0 |
| 01 |
1 0 0 |
0 0 1 |
| 10 |
0 1 0 |
1 0 0 |
| 11 |
0 0 1 |
1 0 0 |
表达式如下：
如图3-5所示，将Q1直接与东南向红灯相接、通过非门接南北向红灯，Q1和Q0的非相与接南北向绿灯，Q1非和Q0非相与接东南向绿灯，Q1、Q0相与接南北向黄灯，Q1的非和Q0相与接东南黄灯。
图3-5 显示系统电路图
3.4.2 带强制通行的显示系统
考虑到日常生活中的紧急状况，比如有一个方位发生交通事故，此时需要该方向禁止通行。基于此，本设计中加入了两个强制通行开关，分别强制南北和东南方向交通灯一直保持红灯状态，电路图如图3-6所示。
一个方位用一个开关控制，两个方位的绿灯和黄灯直接在原来的信号上接与门即可，当双向开关接高电平信号与原来相同，当双向开关接低电平信号全部为低，该方向绿灯和黄灯保持熄灭状态。
当开关接低电平红灯要保持常亮，先对原来的信号取非，再与开关处信号取与非，假设原来的信号为QX，通过与非后的信号为Q*X，开关处信号为E。
当E为高电平时，最终的信号只取决于原来的信号，当E为低电平时，无论原信号是高电平还是低电平，最终的信号都为高电平，及就是红灯常亮。通过上述的逻辑组合电路就可以实现对任一方位的强制通行功能。
图3-6 带有强制通行的显示电路
4 总体电路连接与测试
4.1 总体电路及仿真测试
4.1.1 总体电路图
使用Multisim软件进行仿真，最终整体电路图如图41所示。
图4-1 整体电路仿真图
4.1.2 电路调试
对于初始状态的理解
每次开始仿真时，显示状态的数码管为‘1’，定时系统为4s，显示系统为南北红、东西黄。
在仿真开始前，即没有上电时，Q1Q0=00，低位计数器置数端输入0100，在仿真开始，即整体上电后，RCO由低电平变为高电平，此过程中就会产生一个上升沿，74LS191会计一个数，因此状态为01，同时定时系统开始计时，此状态保持4s，和编码中的01状态对应。
4.2 元件清单
本设计所用元器件如表4-1所示。
表4-1 元器件列表
| 元件 |
参数/规格 |
数量 |
| 74LS190 |
十进制可逆计数器 |
2片 |
| 74LS191 |
四位二进制计数器 |
1片 |
| 555_VIRTUAL |
555定时器 |
1片 |
| 7432 |
二输入或门 |
1片 |
| 74LS04 |
非门 |
3片 |
| 74LS00 |
二输入与非门 |
2片 |
| 74LS08 |
而输入与门 |
8片 |
| DCD_HEX |
数码管 |
3个 |
| 红灯 |
2.5V |
4个 |
| 绿灯 |
2.5V |
4个 |
| 黄灯 |
2.5V |
4个 |
| 双向开关 |
2个 |
|
| 电阻 |
1K |
2个 |
| 电容 |
30uf、0.01uf |
各一个 |
5 总结
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、时序电路、逻辑电路的理解。
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，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。
参考文献
[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]谢自美.电子线路设计·实验·测试. [M]武汉：华中理工大学出版社，2000:60-63.
[4]康华光. 电子技术基础（数字部分.[M]北京：高等教育出版社,1998:143-151.
[5]王毓银. 数字电路逻辑设计. [M]北京：高等教育出版社,1995:173-179.
[6]余孟尝. 数字电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社,1998:114-118.
声明：
本设计的主要思路参考b站 简枫叶 的教学，大家去看一遍会有很多启发。
本人新手，参考了许多大佬的设计成果，最终的设计比较简单，但也想把自己的成果分享一下，可能设计中存在许多问题，欢迎大家共同探讨！！！
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