数字逻辑交通灯设计基于SN74ls192(3)

武汉工程大学计算机科学与工程学院 综合设计报告

第一章 课题设计绪论

在现代城市中，随着人口和汽车的急剧增长，市区交通日益拥挤，要是没有红绿灯作为指挥工具，恐怕川流不息的汽车就会由于混乱而造成严重阻塞。因此，交通灯是交管部门管理城市交通的重要工具之一。

交通灯控制器是可以自动控制交通灯，并以倒计时的方式显示出时间，方便行人和车辆在通行时有条不紊的通行，达到交通井然有序，出行人员安全快捷的到达目的地的效果。本次实验的就是想通过这样的一个实例，结合数字电路课程的学习共同实现这样的一个应用工具，达到理论和实践相结合的目的 。

1.1 设计目的与意义

随着人口和汽车的急剧增长，市区交通变得日益拥挤，为了解决这一问题，所以发明了交通信号灯以管理交通秩序。我们学习制作交通信号灯，既可以熟悉各种芯片的使用，又能增强我们的数字逻辑硬件设计能力，因此，我们将展开关于交通灯的课题设计工作。

本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿的交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。本实验设计目的是培养数字电路的能力，掌握交通信号灯控制电路的设计方法。

1.2 设计条件

随着电子与计算机技术的迅速发展，电子电路的分析与设计方法发生了重大的变化。电子设计自动化技术已成为设计现代电子系统必不可少的工具和手段。在电子技术领域里，为了便于储存，分析和传输，常将模拟信号编码，即把它转换为数字信号，利用数字逻辑这一强有力的工具来分析和设计复杂的数字电路或数字系统，为信号的储存，分析和传输创造了硬件环境。

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1.2.1 硬件平台

图 1-1 DICE-D8-I (由于资源有限，以DICE-D8-I代替说明)

学校实验室提供有“DICE-D8-III数字电路实验箱”，该型数字电路学习机,设计豪华气派,主机提供了多种信号源;锁紧插座;台湾产面包板;正面印刷字符连线,反面按装元器件,所有信号源频率计等电路全部由CPLD芯片和双面板构成，所有器件均选用上等优质产品,使整机的品质得到提高。由于正面没有任何元件,从而能有效的降低和避免人为损坏的可能,本机特点：使用方便,耐用,实验项目灵活,可方便做数字模拟各类实验。本学习机适用于高等院校及各类职业技术学校的电子技术类教学。

1.2.2 软件平台

EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics Workbench。该软件提供了示波器、函数发生器、万用表、频谱仪和逻辑分析仪等虚拟电子设备，14种分析工具，4种扫描分析，8 000多个元器件模型， 使使用者可以方便地进行电路原理图的输入和仿真测试，观察电路的工作状态、稳定性、灵敏度，还可以观察条件、参数变化时电路的变化情况。EWB软件是一个模拟、开放的电子实验平台。在它上面，设计人员可以做各种类型、难度各异的电子电路实验和实际电子产品设计，以便方便地修改与优化电路。

1.3 工作内容

本课程设计的任务就是设计一个交通灯的控制器系统。我们在熟悉基本原理的前提下，与实际应用相联系，提出自己的方案来完善设计。先制图，后硬件实现。

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1.3.1 设计任务

交通灯课程设计基于数字逻辑电路，《数字逻辑》是计算机的硬件基础，计算机专业的重要基础课。其中组合逻辑电路与时序逻辑电路是这门课程的重点内容。本课题就是对逻辑电路的综合应用。具体任务如下：

1. 熟悉交通灯的工作原理；

2. 写出交通灯控制器的设计方案； 3. 用硬件加以实现； 4. 写课程设计报告。

1.3.2 设计要求

本课程设计按如下要求来完成，具体要求如下： 1. 本设计是适用于东西-南北双向交叉的十字路；

2. 东西向红灯亮60s，同时南北向的绿灯亮55s后，切换黄灯，闪烁5s；南北向由黄灯转为红灯时，开始下一个60s，此时，南北向红灯亮60s，同时，东西向的绿灯亮55s后，切换黄灯，闪烁5s。以上即完成一个循环； 3. 重复运行以上循环，从而实现交通信号灯。

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第二章 设计简介及设计方案论述

本章简要介绍交通灯的设计原理，以及设计方案。交通灯的设计原理是：通过时序电路部分来控制信号灯和七段二进制译码数码管显示器（以下简称显示器），以达到计时与状态转换的要求。设计方案为：设计可由两部分组成，一为信号部分，包括用于控制交通信号灯点亮与熄灭的控制部分和信号灯；二为计时部分，通过倒计时，以60s为循环的周期来计时，由计数器和显示器构成。

2.1 设计原理

交通信号灯包含两部分时序电路以及一些辅助的组合逻辑电路。计时部分是需要时序电路来实现的，而状态转换也可由时序电路控制；组合逻辑电路用于实现逻辑控制功能。二者的关系由下图可以说明：

计时 反馈 输出 显示 状态转换控制器 输出 交通信号灯

图 2-1 各部分关系图

2.2 设计方案

交通灯的信号有时间信号和通行信号，时间信号用于提示等待和通行的时间，通信信号则由颜色为红、黄、绿的三种灯来实现。因此，设计可由两部分组成：一为信号部分，包括用于控制交通信号灯点亮与熄灭的控制部分和信号灯；二为计时部分，通过倒计时，以60s为循环的周期来计时，由计数器和显示器构成。

实现上述两部分以后，计时部分输出一个反馈信号给信号部分，在特定时刻来实现信号灯的明灭状态切换。

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2.2.1 计时部分设计简介

《数字逻辑》一书中，该教材第六章提到采用中、大规模集成电路的逻辑设计讲解了使用用SN74ls192芯片制作减法器的方法，所以通过学习对这个芯片的使用，制作一个六十进制的减法计数器，以达到计时的目的[1]。实际工作中，考虑到六十进制可由一个六进制部分的十位电路与一个十进制的各位电路来构成，所以，选材时直接选用十进制的计数器SN74ls192芯片。以下为该芯片模拟图与各管脚功能介绍：

图 2-2 芯片SN74ls192图示

管脚说明：

1. A、B、C、D各管脚为芯片的输入端，置数功能时使用；

2. QA、QB、QC、QD各管脚为芯片的输出端，输出为8421BCD码，QA对应最低位，QD为最高位；

3. DOWN、UP管脚为功能选择端。当DOWN输入时钟脉冲信号时，UP输入“1”，芯片以信号时钟时间为周期做常规减法计算，即减1法，UP输入为“0”时，做减2法计算；当UP输入时钟脉冲时，DOWN输入“1”，芯片做加法运算； 4. BO’、CO’两端口分别对应借位输出和进位输出，LOAD’端口为置数端； 5. CLR端口为清零端。 功能表如下：

表2-1 SN74ls192的功能表

输入 CLR 1 0 0 0 UP X X cp DOWN LOAD’ X X cp X 0 1 1 D X d X X C X c X X B X b X X A X a X X QD 0 d 输出 QC 0 c QB 0 b QA 0 a 加法计数 减法计数

SN74ls192功能丰富，满足此课题设计要求，因此，本次设计的计时部分选用该芯片作为核心器件。详细设计在下一章说明。

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