红绿信号灯

交通信号灯可动控制器

一．设计目的

1、巩固和加强《数字电子技术》课程的理论知识。

2、掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发过程。

3、进一步对基本JK触发器，555多谐荡器，计数器，译码显示器灯单元电路的

综合应用。

4、了解各个芯片的引脚，掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。

5、掌握电子电路安装和调试的方法及其故障排除方法，学会用Multisum软件来

仿真电路。

6、通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。巩固

所学知识，加强综合能力，提高实验技能，启发创新能力的效果

7、培养学生创新能力和创新思维。让学生通过动手动脑解决实际问题，巩固课程中所学的理论知识和实验技能。

二．设计任务

设计一个交通灯控制电路,实现对城市十字路口的交通灯控制,技术要求（2

人为一组）

1. 东西方向绿灯亮70s,南北方向红灯亮;

2. 东西方向黄灯亮5s,南北方向红灯亮;

3. 南北方向绿灯亮70s,东西方向红灯亮亮;

4. 南北方向黄灯亮5s,东西方向红灯亮;

设计任务分析

本实验的知识点为：任意进制数加减计数器设计，触发器，555定时电路的

工作原理以及基本控制逻辑电路的设计方法，参数计算和检测调试。

（1）秒振荡电路应能输出频率分别为为1Hz幅度为5V的时钟脉冲，要求误

差不超过0.1S。为提高精度，可用555设计一个输出频率为1Hz的多谐振荡器（2）计数器电路应具有75秒倒计时功能，可以通过2片74LS190级联来实现。

（3）各个方向的倒计时显示可共用一套译码显示电路，只要用2个4输入

的BCD_HEX数码管接74LS190的输出即可实现。

（4）主控制电路和信号灯译码驱动用各种门电路和JK触发器组成，应能实

现计时电路的转换、各方向信号灯的控制。

三．设计框图

将整个电路分为75秒一个工作周期，利用74190N构成的可逆十进位计数器

来作为计数器电路分别控制信号灯译码驱动器和译码显示器。通过555定时器提

供的输出脉冲信号控制黄灯的闪烁。

图1 十字路口交通信号灯控制示

首先分析实际交通灯控制电路，从主干道（南北方向）和支干道（东西方向）入手，路口均有红、黄、绿三个交通灯显示数码管。其示意图如图1所示：

1．系统工作流程图

设红灯亮的时间是75s ，绿灯亮70s ，则黄灯亮5s （假设先是主干道绿灯亮的情况）。

图2 系统工作流程

2．系统硬件框图

硬件结构框图如图所示：

图3 硬件结构框图

由于Multisim带有不需要译码的4输入DCD_HEX数码管，为了简便，在仿真电路中直接使用DCD_HEX数码管。

四．系统单元电路及设计原理

(1) 秒脉冲发生器

秒振荡电路可由555多谐振荡器构成，参数计算如下：

取C2=10 F，要得到1HZ的方波信号，低电平时间T2=0.5S，高电平时间T1=0.5S。由（R1+2R2）C*0.69=T，T1=(R1+R2)*C*0.69，T2=R2*0.69*C，得：R2=72.4k，R1=0，在仿真时，为了便于观察，可以缩短周期，这里取R2=724，R1=1得到的近似为100HZ的方波。

振荡电路输出的矩形波如下图

(2) 状态控制器

由流程图可见，系统有4种不同的工作状态，状态编码分别为11、10、01、00，状态编码为两个下降沿触发的JK 触发器74LS112的输出：B Q 和A Q 。

当为11时，东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮。

当为10时，东西方向黄灯闪，南北方向红灯亮。

当为01时，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮。

当为00时，东西方向红灯亮，南北方向黄灯闪。

JK 触发器由下面两路特殊的时钟信号驱动，所以会循环的在这四种状态之间转换。

最上面的为B Q 的时钟，中间的为为A Q 的时钟，最下面的是为555定时器得

到的1HZ 的时钟信号。B Q 下降沿正好在第75个时钟处，A Q 的下降沿有两个一

个在第70个时钟处，另一个在第75个时钟处。

这部分电路由纯粹的组合逻辑电路来实现：当两片190计数器的置数端都有效时（即输出为00），B Q 的时钟信号为0，否则为1。设计组合电路，判断 当

两片190的输出为05（即倒计时70秒）时，输出为0，否则为1。这样得到了这样两个波形：

再把他们进行与操作，便可得到A Q 和B Q 的时钟信号。

A Q 和

B Q 的波形：前者在70s 第一次下降，75s 再上升，后者直接在75s

处才下降。

(3) 状态译码器

以状态控制器输出作译码器的输入变量，根据4个不同通行状态实现对主、支干道三色信号灯的控制要求，6盏灯控函数真值表如表1所示。

表1

由真值表得灯控函数逻辑表达式

R=NOT B Q ，Y=B Q AND NOT A Q ，G= B Q AND A Q

r=B Q ，y=NOT B Q AND NOT A Q ，g= A Q AND NOT B Q

Y 和y 的控制信号在输入之前与时钟信号进行一下与操作，为了达到黄灯闪烁的效果。电路图如下：

(4) 递减计时系统

计数器选用集成电路74190较简便。74190是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能、保持功能。74190没有专用的清零输入端，但可以借助QA 、QB 、QC 、QD 的输出数据间接实现清零功能。74190功能表如表2所示。

表2

选用两片74190时间控制可逆计数器，两片计数器之间采用异步级连方式，利用个位计数器的借位输出脉冲直接作为十进制计数器的计数脉冲，个位计数器输入秒脉冲作为计数脉冲。

通过VCC 和接地端对两片进行置数，左片VCC 接低三位，最高位接地，从而实现置数7，同样的操作原理令右片置数5。输出端接的都是或门电路，所以只有当全是0时，最上面的或门电路输出一个低电平，从而使~LOAD 门有效，计数器从而重新将7和5置数。

同时当两片芯片均减小到0时，两个JK 触发器将再次被触发发生跳转，尤其是下面一片触发器，一个周期内这片触发器只有在计数器均为零的时候才会发生反转。

当开始工作的时候，第一个脉冲作用在个位上，当个位减小到零的时候，~RCO 发出一个低电平触发十位的CLK ，从而实现十位的减一。

信号灯递减计数器电路图五. 系统总电路

六．系统调试仿真

用Multisim软件按照电路图连接电路并运行。如果显示时间比较慢，也可以通过成倍的减小555的参数来调整时钟信号，从而得到比较好的显示效果。

通过观察数码管的显示和红绿灯的亮灭，满足设计要求，一开始数码管从75 减到0，东西方向的绿灯亮70秒，然后东西方向的黄灯闪烁5秒，南北方向的红灯一直亮，之后，数码管又恢复到75，南北方向的绿灯亮70秒，然后黄灯闪烁5秒，东西方向的红灯一直亮。

七．实习心得

通过本次实习，先是掌握了Multism这款软件的基本使用方法，学会寻找基本元件，并按照电路图连接电路。这是一次专业性能较强的实习，巩固了对于定时器，译码器以及计数器等一系列元器件的性能及原理，并通过他们的组合实现基本的电路要求。不仅要掌握一个芯片的用途，还要明白芯片上每个端口的用处，更要学会通过芯片的组合来实现设计要求。本次实验还让我更加牢固地清楚了计数器在加减之间的转换以及借位端的相应用法。

在整个设计过程中我和队友一起讨论，遇到不同意见我们就各自查阅资料来获取支持自己观点的依据。虽然有时争论的很厉害，但在电路实现中我们逐渐获得统一，选择实现容易，更加有效地方案作为最后的电路选择。设计中很多想法都是在交流中产生，在争论中进一步深入的。但是我们不得不承认在这次设计之前我们应该先看一遍课本，把基础知识进一步巩固，那样我们就不会在设计中因为一些小知识耗费时间。

在实验过程中我还明白了进行各类设计的一个基本方法，就是分块处理。首先分析一个问题，要适当的把这个问题分为几个模块来处理，最后统一成一个整体。这是一种简单朴素但行之有效的方法。总之通过本次实习，又让我的能力迈进了一大步，为今后更加复杂的设计打好基础。

八．参考文献

（1）《数字电子技术基础》，清华大学出版社，阎石主编。

（2）《电路设计与仿真》，清华大学出版社，杨欣主编。

（3）《电子技术实训指导》，国防工业出版社，李秀人。