红绿灯交通信号控制电路设计及逻辑实现

《电子技术基础课程设计》——交通灯控制逻辑电路设计

最近无聊整理一下以前的笔记之类的，发现以前的课设，简陋粗糙，还是记录下吧。

此设计有具体接线说明
实验箱大概如下图

课设任务及要求

1、满足如图 1 顺序工作流程
t为时间单位

2、满足两个方向的工作时序
即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和， 南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。时序工作流程图见图 1 所示。
图 2 中，南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别为 5t、1t、6t，一次循环为 12t。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。

3、十字路口要有数字显示作为时间提示
具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为“6”，然后以每秒减 1 计数方式工作；当数显示为 1 时，绿灯灭，黄灯亮；直至减到数为“0”，黄灯灭，红灯亮；另一方向在该时间内一直为红灯，计数显示为“0”不变。当计数减到数为“0”时，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。

所需元器件

1、电子技术基础课设实验箱
2、5V 直流电源
3、集成电路芯片：可预置十进制同步加减计数器 74LS168（2 片）、8 位移位寄存器 74LS164（1片） 两输入与门 74LS08（2 片）、 反向器 74LS04（1 片）

方案设计以及 电路详细设计

红灯（R）亮表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。交通灯控制器的系统框图如下图所示。

1、连续脉冲发生器
交通灯系统由连续脉冲发生器，交通灯控制器，定时控制电路，译码器组成。其中交通灯控制器，定时电路是核心。脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量。产生 1HZ 的连续脉冲，供计数电路使用。
电子技术基础实验箱左侧的控制板中集成该部分电路。该电路采用单片机产生脉冲信号，通过旋钮调节脉冲信号频率，频率范围1HZ~1000HZ。信号通过导线从连续脉冲输出孔引出，供计数电路使用。

2、交通灯控制器
计数器每次工作循环周期为 12，所以可以选用 12 进制计数器。计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。这里我们选用中规模 74LS164 八位移位寄存器组成扭环形 12 进制计数器。
该部分分为东西方向和南北方向，各有红、黄、绿三色 LED，在控制器的控制下按照规则红、黄、绿三色切换变化。该部分电路已集成在课设实验箱左侧的控制板中，无需再单独设计。可用导线将控制器的控制信号连接到信号输入孔中。
3、显示控制部分
显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减 1，直到计数器为“0”而停止。计数器采用可预置数的减法计数器，显示译码采用共阴极 BCD—七段译码管。
由 74LS164 组成扭环形计数器，然后经译码后输出十字路口南北、东西两个方向的控制信号。绿灯 5 秒、黄灯 1 秒、红灯 6 秒，12 个脉冲后 74LS164 复位回到表 1 的状态 0，重复执行。

列出状态真值表，得出东西南北绿、黄、红灯逻辑表达式：

东西方向
绿：EWG=Q4·Q5
黄：EWY=~Q4·Q5
红：EWR=~Q5

南北方向
绿：EWG=_Q4·Q5
黄：EWY=Q4·~Q5
红：EWR=Q5


移位 将此工作模式的引脚对应连接
复位信号为高电平时，寄存器从第一位开始在每个时钟信号的上升沿对输入数据依次移位存储。输入值为DSA和DSB的与，根据表1知，移位输入六个1后，又移位输入六个0，将A和B并联接Q5的非(Q5是先六个0，后六个1的顺序)，就形成了12进制。DSA,DSB输入为实现计数器的正确循环关键

//具体连线
DSA或DSB其中一个连Q5，另外一个接高电平。芯片内会自动将DSA和DSB的与的值 赋给Q0，移位。
如   DSA——Q5      DSB——VCC（高电平）
VCC（实验箱上）——VCC（芯片上）		
GND（实验箱上）——GND（芯片上）
 CP（实验箱上）——CP（芯片上）
 ~MR （复位）接  VCC
 Q4,Q5后续引出到74ls04，74ls08 按照红绿灯逻辑表达式所需连接
 其余引脚 Q0,Q1,Q2,Q3,Q6,Q7不连接

4、显示译码部分
南北、东西方向分别使用一片加减计数器 74LS168 实现六进制加法计数器。当南北方向绿灯亮时，南北方向计数器置入初始数据“6”，以减法计数器方式工作，从数字“6” 开始往下减，东西方向计数器停止计数，保持“0 不变”，红灯亮；当减到“1”时，南北方向绿灯灭、黄灯亮，东西方向红灯亮不变；当减到“0”时，南北方向黄灯灭，红灯亮，停止计数，东西方向置入初始数据“6”，以减法计数器方式工作。


Load 置数
Count Down（减法计数）
两片74ls168,一片设置东西方向的倒计时，一片南北方向倒计时

具体连线：
1、南北方向
U/~D  接 GND  //（选减法计数器模式）

~PE   接  ~（~Q4·Q5）//东西向黄灯状态取非
//~PE选用东西向黄灯状态决定（~Q4·Q5）  （预置数是输入置数信号这一信号过后才实现置数。其实是南北t为11的状态，下一状态为南北绿灯。用黄灯方便表示就用东西方向黄灯表示了）
//~PE 低电平才预置，黄灯状态亮是高电平，所以要把黄灯状态取非与~PE相连才正确

~CEP 接  GND
~CET 接	Q5   //（南北红灯）
//两者都为低电平时是减法计数，若其中有一个以及一个以上为高电平，数字锁存，不变，预减数为0时，即红灯开始时锁存。红灯时为高电平，直接接南北方向红灯

因6的二进制为0110  设置预置数P3P2P1P0=0110
P0——GND 0
P1——VCC 1
P2——VCC 1
P3——GND 0
VCC（实验箱上）——VCC（芯片上）		
GND（实验箱上）——GND（芯片上）
 CP（实验箱上）——CP（芯片上）
 
倒计数输出到数码管显示
//A3,A2,A1,A0,DP 为·与数码管连接的CD4511芯片引脚，数码管显示译码采用共阴极BCD—七段译码器。数码管显示译码部分已集成在课设实验箱左侧的控制板中
Q0——A0
Q1——A1
Q2——A2
Q3——A3

2、东西方向
U/~D  接 GND  //（选减法计数器模式）
~PE   接  ~（Q4·~Q5）//南北黄灯状态取非
~CEP 接  GND
~CET 接	~Q5   //（东西红灯）
P0——GND 0
P1——VCC 1
P2——VCC 1
P3——GND 0
VCC（实验箱上）——VCC（芯片上）		
GND（实验箱上）——GND（芯片上）
 CP（实验箱上）——CP（芯片上）
输出到数码管显示(A3,A2,A1,A0,DP 为·CD4511引脚)
Q0——A0
Q1——A1
Q2——A2
Q3——A3

再介绍下74ls04及74ls08
74ls04是带有6个非门的芯片，就是有6个反相器，它的输出信号与输入信号是完全相反的。

VCC,GND对应连接
1A  连 Q5，则1Y 输出为 ~Q5
2A   连 Q4 ,2Y输出~Q4
3A  连  东西黄灯，3Y 输出连控制南北方向74ls168的 ~PE引脚
4A  连  南北黄灯，4Y输出连控制东西方向74ls168的 ~PE引脚

一片74LS08芯片内有共四路二个输入端的与门

Y=AB

VCC,GND对应连接
1A  连 Q5，  1B连Q4， 1Y 输出为 Q5·Q4（接东西绿灯 实验箱上对应引脚）
2A  连 ~Q4， 2B连Q5， 2Y 输出为~Q4·Q5（接东西黄灯）

3A  连 ~Q4，  3B连~Q5，3Y 输出为 Q5·Q4（接南北绿灯）
4A  连  Q4，  4B连~Q5，4Y 输出为~Q4·Q5（接南北黄灯）