十字路口交通管理控制器的设计-数字电路

十字路口交通管理控制器的设计

1.设计目的及要求：

目的：在主、支道路的十字路口分别设置三色灯控制器，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮要求压线车辆快速穿越。根据车流状况不同，可调整三色灯点亮或关闭时间。设计要求：

(1) 主道路绿、黄、红灯亮的时间分别为60秒、5秒、25秒；次道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、65秒；

(2) 主、次道路时间指示采用倒计时制，用2位数码管显示。

(3) 主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置；

(4) 主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整；

2.总体设计方案

2.1工作原理

该次作业的根本任务是模拟十字路口交通灯的实现。实现这一功能从输入这方面来讲可用锁存器74LS373对输入的数进行记录便于调整时间和修改时间，对于输出方面则可以用74LS168实现递减计数的功能和74LS248实现到数码管的转变等。

具体工作如下：首先将每盏灯的总亮时间送到锁存器中，锁存器将数据送入168中开始倒计时，先对个位数倒计时当个

位数为0的时候，开始与十位数作相应的处理判读十位数是否也为0：若不是则十位数减1,个位数开始从9递减；若是则通过一个模三计数器（对红黄绿灯分别进行编码为00,01,10）和译码器跳到下一种情况，控制相应的灯亮，并从相应的锁存器中读取数据。循环上述过程即可。具体选择灯和锁存器过程如下：由题目给出的各灯亮时间可得，道路的上交通灯的运行是绿黄红，只有3种情况，因此通过上述模3计数器可以实现交通灯的循环亮灯和计数。接下来通过译码器输出选择信号，选中相应颜色的灯及锁存器（通过三态门选中相应的锁存器，并通过控制脉冲开启168的并入开关，将其送到168中，然后关闭168的并入功能进行倒计时。并且只要不中断，系统将一直循环此功能。），把锁存器的值送到168芯片后，通过168芯片倒计时并且通过248显示到数码管。

至于预置及中间过程调整时间的实现则用到一个初始开关，只要这个开关的值是1就可以对整个系统进行预置及中间过程调整时间，并且还可以实现对交通灯初始灯亮时间进行设置，这个开关主要是通过三态门实现此功能的。开关为1的时候，所有的初始设置的门上的三态门有效，而循环输入的门失效，此时对初始设置的地方随意设置值，并控制灯的颜色等都是安全有效的。

而考虑到主次道路的情况是一样的，因此只需输入相应的灯亮时间，改变相应的初始值与主道路相对即可。

上述这些设计理念使最终设计完成的电路与实际情况完

美结合。

2.2总体设计框图

说明：考虑到一条道路的红灯亮时，另一条道路绿灯亮，所以在编码时，可以将主次道路这部分一同处理，不过，红灯，绿灯编码应相反，既主道路红绿编码分别为00，10时，次道路红绿编码分别为10，00。其他过程不变，仍如上述设计流程。

2.3电路组成、相关器件说明

初始方案想按参考书《数字电路设计与实用电路》中的交通灯的设计来设计，将主次道路控制在一起，通过计数器直接实现，不过发现该方案对于时间的预置和调整根本难以实现，而且由于系统用了固定的计数器，因此无法修改灯亮的时间长短，所以放弃了此方案。

考虑到寄存器的记忆功能，因此，选定了现用方案。

本方案整体组成是2个大部分：主道路和次道路，不过由于本设计主次道路设计除了初始值不一样别的设计是一样的因此，只拿主道路做说明。如下：

输入部分（包括预置和调整时间部分）（注：此部分的仿真是用MAXPLUS）：

4个74LS373锁存器，有3个分别是控制绿红黄灯的，还有一个是用来控制时间的预置和调整的。

还有两个控制开关，上面的（见附表）一个是用来控制是否需要预置和调整时间的，下面的则是用来调节预置、调整时间的灯亮（红灯还是绿灯还是黄灯）情况。其余输入均为连续脉冲。

红黄绿灯转化部分：

主要是通过一个7490芯片做出模3计数器，然后通过译码得到相应的功能实现，以控制循环的规律性，和灯亮的情况。

计数和输出部分：

主要是通过168和248芯片实现。通过168的递减计数功能将所给数递减，本对相应要求做相应处理。得到真实的输出。

2.4 总体设计图：

D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO

15

CLK 2LD 9U/D 1ENT 10ENP 7

U2

74S168

D03Q014D14Q113D25Q212D36

Q311RCO

15

CLK 2LD 9U/D 1ENT 10ENP 7

U5

74S168

A 7QA 13

B 1QB 12

C 2QC 11D

6QD 10BI/RBO 4QE 9RBI 5QF 15LT 3

QG

14

U6

74LS248

A 7QA 13

B 1QB 12

C 2QC 11D

6QD 10BI/RBO 4QE 9RBI 5QF 15LT 3

QG

14

U7

74LS248

12

45

6

3

U1:A

7425

NAME=$IOSCILLOSCOPE

U13(LE)

910

1213

8

11

U1:B

7425

12

456

3

U8:A

7425

1

2

3

U3:A

7408

1

2

3

U9:A

7400

4

5

6

U9:B

7400

2

3

1

U10:A

741265

6

4

U10:B

74126

1

2

U11:A

7405

9

8

10

U10:C

74126

D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q7

19

OE 1LE 11

U12

74LS373

D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q7

19

OE 1LE 11

U13

74LS373

12

11

13

U10:D

74126

5

6

4

U14:B

74126

98

10

U14:C

74126

12

11

13

U14:D

7412623

1

U15:A

74126

5

6

4

U15:B

74126

98

10

U15:C

74126

2

3

1

U14:A

74126121113

U15:D

74126

2

3

1

U16:A

74126

5

6

4

U16:B

74126

98

10

U16:C

74126

1211

13

U16:D

74126

231

U17:A

74126

56

4

U17:B

74126

98

10

U17:C

74126

12

11

13

U17:D

74126

2

3

1

U18:A

74126

5

6

4

U18:B

74126

9810

U18:C

74126

1211

13

U18:D

74126

23

1

U19:A

74126

5

6

4

U19:B

74126

D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q7

19

OE 1LE 11

U4

74LS373

9

8

10

U19:C

74126

CKA 14Q012CKB

1

Q19Q28Q3

11

R0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7U20

74LS90

3

4

U11:B

7405

5

6

U11:C

7405

4

5

6

U3:B

7408

9

10

8

U3:C

7408

12

13

11

U3:D

7408

1

2

3

U21:A

7408

?

1211

13

U19:D

74126

2

3

1

U22:A

74126

9

8

U11:D

7405

U11:D(A)

11

10

U11:E

7405

5

6

4

U22:B

74126

D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q7

19

OE 1LE 11

U23

74LS373

U23(LE)

9

8

10

U22:C

74126

12

11

13

U22:D

74126

2

3

1

U24:A

74126

5

6

4

U24:B

74126

9

8

10

U24:C

74126

12

11

13

U24:D

74126

2

31

U25:A

74126

5

6

4

U25:B

74126

9810

U25:C

74126

121113

U25:D

74126

231

U26:A

74126

5

6

4

U26:B

74126

9

8

10

U26:C

74126

12

11

13

U26:D

74126

2

3

1

U27:A

74126

5

6

4

U27:B

74126

9

8

10

U27:C

74126

主道路图

D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO

15

CLK 2LD 9U/D 1ENT 10ENP 7

U2

74S168

D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO

15

CLK 2LD 9U/D 1ENT 10ENP 7

U5

74S168

A 7QA 13

B 1QB 12

C 2QC 11D

6QD 10BI/RBO 4QE 9RBI 5QF 15LT 3

QG

14

U6

74LS248

A 7QA 13

B 1QB 12

C 2QC 11D

6QD 10BI/RBO 4QE 9RBI 5QF 15LT 3

QG

14

U7

74LS248

12

45

6

3

U1:A

7425

NAME=$IOSCILLOSCOPE

U13(LE)

910

1213

8

11

U1:B

7425

12

456

3

U8:A

7425

1

2

3

U3:A

7408

1

2

3

U9:A

7400

4

5

6

U9:B

7400

2

3

1

U10:A

74126

5

6

4

U10:B

74126

1

2

U11:A

7405

9

8

10

U10:C

74126

D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q7

19

OE 1LE 11

U12

74LS373

D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q7

19

OE 1LE 11

U13

74LS373

12

11

13

U10:D

74126

5

6

4

U14:B

74126

9

8

10

U14:C

74126

12

11

13

U14:D

7412623

1

U15:A

74126

5

6

4

U15:B

74126

98

10

U15:C

74126

2

3

1

U14:A

741261211

13

U15:D

74126

2

3

1

U16:A

74126

5

6

4

U16:B

74126

9

8

10

U16:C

74126

1211

13

U16:D

74126

231

U17:A

74126

56

4

U17:B

74126

98

10

U17:C

74126

12

11

13

U17:D

74126

2

3

1

U18:A

74126

5

6

4

U18:B

74126

9810

U18:C

74126

1211

13

U18:D

74126

23

1

U19:A

74126

5

6

4

U19:B

74126

D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719

OE 1LE 11

U4

74LS373

9

8

10

U19:C

74126

CKA 14Q012CKB

1

Q19Q28Q3

11

R0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7U20

74LS90

3

4

U11:B

7405

5

6

U11:C

7405

4

5

6

U3:B

7408

9

10

8

U3:C

7408

12

13

11

U3:D

7408

1

2

3

U21:A

7408

?

1211

13

U19:D

74126

2

3

1

U22:A

74126

9

8

U11:D

7405

U11:D(A)

11

10

U11:E

7405

5

6

4

U22:B

74126

D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q7

19

OE 1LE 11

U23

74LS373

U23(LE)

9

8

10

U22:C

74126

12

1113

U22:D

74126

231

U24:A

74126

5

6

4

U24:B

74126

9

8

10

U24:C

74126

12

11

13

U24:D

74126

2

31

U25:A

74126

5

6

4

U25:B

74126

9810

U25:C

74126121113

U25:D

74126231

U26:A

74126

5

6

4

U26:B

74126

9

8

10

U26:C

74126

12

11

13

U26:D

74126

2

3

1

U27:A

74126

5

6

4

U27:B

74126

9

8

10

U27:C

74126

次道路图

2.5元件清单及说明

主要芯片有74LS373,74LS168,74LS248,74LS90. 74LS373是一个锁存器用来实现数据的存储功能；

74LS168是一个可加可减的计数器，用来实现交通灯的倒计时功能；

74LS248用来实现数码管的显示功能；

74LS90是一个2-5-10计数器，用来实现一个模2计数器； 数码管用来显示时间；

三态门用来控制各处的运行与否；

与非，否等各种门用来实现组合电路。

2.6 调试过程

初始运行环境是MAX+PLUS对各个芯片的功能进行的测试，以熟悉其特点。综合调试时，由于对168与373芯片的不熟悉管脚相对链接，发现怎么运行怎么不对，后来仔细观察才知道原来168的最高位是D3最低位是D0，导致运行一直出错。

接下来的调试发现MAX+PLUS只能显示波型，而且对于边沿触发的情况有延迟，观察起来不方便。找人问了下，推荐了PROTEUS，在这个环境下的仿真方便多了，可以清楚的显示各个节点的电位高低，调试方便多了。遇到的主要问题是起初没有考虑到多个输入节点不会自动选取的特点，导致运行结果总是不对，后来用三态门控制后问题就迎刃而解了。

2.7 创新设计

在本次实验中创造性的将锁存器的加入到了电路设计中，使得每个灯的亮时间一次置入(而且可以随意修改)既可，而变灯后可以直接从锁存器中读出该灯亮时间的二进制表示，大大省去了操作时间，使得人工操作过程更加简洁。同时在处理数码管的倒计时显示时利用了168、248等芯片，168功能特点是可已从任意数开始进行倒计时，这一优良特性使得在电路中无需设计65进制，5进制，20进制，25进制，60进制等计数器，同时为调整过程提供了极大方便。248芯片的加入大大简

化了设计过程，使设计效率大幅提升，从而让电路真正实现了从繁到简的蜕变。而且应用三态门模拟计算计组成原理中的片选，得到很好的效果。

2.8 设计结论

此次大作业很好的模拟了十字路口交通灯的控制变换过程，从实际情况出发考虑了道路车流量不同的情况，设计了主从道路，使得主道路绿灯时间更长，而从道路红灯时间更长。同时可以对红绿灯亮时间作出合理调整以应对特殊状况。为十字路口交通灯的设计提供了一种合理完善的解决方案。

3.总结与体会

3.1设计思路是实施操作的扎实基石

一个良好的设计思路，是电路的生命。宁愿在思路设

计上多花上50%的时间，因为前期看似慢，实际上恰恰给

后期的制作带来很大的方便，效果往往是更节省了许多时

间。

3.2设计制作慢工出细活

在制作过程中，马虎不得，粗心不得，特别是电子类的设计制作更应该如此。一步一步来。

附录

附一：

74168芯片：

74248芯片：

74373芯片：

7490芯片：