數字邏輯交通燈設計基于SN74ls

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　武漢工程大學

　計算機科學與工程學院

　綜合設計報告

　設計名稱：

　 基礎硬件綜合設計

　設計題目：

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　 交通燈控制器的設計

　學生學號：

　1205030106

　 專業班級：

　 12 智能科學與技術 01 班

　 學生姓名：

　黃

　威

　 學生成績：

　指導教師）

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　張敏（講師）

　 課題工作時間：

　2014/5/19

　至

　 2014/6/1

　說明：

　1、報告中的第一、二、三項由指導教師在綜合設計開始前填寫并發給每個學生；四、五兩項（中英文摘要）由學生在完成綜合設計后填寫。

　2、學生成績由指導教師根據學生的設計情況給出各項分值及總評成績。

　3、指導教師評語一欄由指導教師就學生在整個設計期間的平時表現、設計完成情況、報告的質量及答辯情況，給出客觀、全面的評價。

　4、所有學生必須參加綜合設計的答辯環節，凡不參加答辯者，其成績一律按不及格處理。答辯小組成員應由 2 人及以上教師組成。

　5、報告正文字數一般應不少于 5000 字，也可由指導教師根據本門綜合設計的情況另行規定。

　6、平時表現成績低于 6 分的學生，取消答辯資格，其本項綜合設計成績按不及格處理。

　7、此表格式為武漢工程大學計算機科學與工程學院提供的基本格式（適用于學院各類綜合設計），各教研室可根據本門綜合設計的特點及內容做適當的調整，并上報學院批準。

　成績評定表

　學生姓名：

　黃威

　 學號：

　 1205030106

　 班級：

　12 智能科學與技術 01 班

　類別 合計 分值 各項分值 評分標準 實際得分 合計得分 備注 平時表現 10 10 按時參加綜合設計，無曠課、遲到、早退、違反實驗室紀律等情況。

　 由設計負責人給出 完成情況 30 20 按設計任務書的要求完成了全部任務，能完整演示其設計內容，符合要求。

　10 能對其設計內容進行詳細、完整的介紹，并能就指導教師提出的問題進行正確的回答。

　報告質量 35 10 報告文字通順，內容翔實，論述充分、完整，立論正確，結構嚴謹合理；報告字數符合相關要求，工整規范，整齊劃一。

　5 課題背景介紹清楚，綜述分析充分。

　5 設計方案合理、可行，論證嚴謹，邏輯性強，具有說服力。

　5 符號統一；圖表完備、符合規范要求。

　5 能對整個設計過程進行全面的總結，得出有價值的結論或結果。

　5 參考文獻數量在 3 篇以上，格式符合要求，在正文中正確引用。

　答辯情況 25 10 在規定時間內能就所設計的內容進行闡述，言簡意明，重點突出，論點正確，條理清晰。

　15 在規定時間內能準確、完整、流利地回答教師所提出的問題。

　 總評成績：

　 分

　補充說明：

　指導教師：

　 （簽字）

　日

　期：

　年

　 月

　 日

　答辯記錄表

　學生姓名：

　 黃威

　學號：

　1205030106

　 班級：

　12 智能科學與技術 01 班

　 答辯地點：

　 答辯內容記錄：

　 答辯成績 合計 分值 各項分值 評分標準 實際得分 合計得分 備注 25 10 在規定時間內能就所設計的內容進行闡述，言簡意明，重點突出，論點正確，條理清晰。

　15 在規定時間內能準確、完整、流利地回答教師所提出的問題。

　 答辯小組成員（簽字）：

　 年

　 月

　日

　指導教師評語

　 指導教師：

　 （簽字）

　日

　期：

　年

　 月

　 日

　一、綜合設計目的、條件、任務和內容要求：

　 《數字邏輯》是計算機的硬件基礎，計算機專業的重要基礎課。

　其中組合邏輯電路與時序邏輯電路是這門課程的重點內容。本課題就是對邏輯電路的綜合應用。

　在現代城市中，隨著人口和汽車的急劇增長，市區交通日益擁擠，要是沒有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車就會由于混亂而造成嚴重阻塞。因此，交通燈是交管部門管理城市交通的重要工具之一。

　 隨著電子與計算機技術的迅速發展，電子電路的分析與設計方法發生了重大的變化。電子設計自動化技術已成為設計現代電子系統必不可少的工具和手段。在電子技術領域里，為了便于儲存，分析和傳輸，常將模擬信號編碼，即把它轉換為數字信號，利用數字邏輯這一強有力的工具來分析和設計復雜的數字電路或數字系統，為信號的儲存，分析和傳輸創造了硬件環境。

　本課程設計的任務就是設計一個交通燈的控制器系統。鼓勵學生在熟悉基本原理的前提下，與實際應用相聯系，提出自己的方案，完善設計。

　具體設計任務如下：

　1．熟悉交通燈的工作原理；

　2．寫出交通燈控制器的設計方案； 3．用硬件加以實現； 4．寫課程設計報告。

　設計要求：

　設計一個主干道和支干道十字路口的交通燈控制電路。要求：

　1． 一般情況下，保持主干道通暢，主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，并且主干道綠燈亮不得少于 60S； 2． 主干道無車，支干道有車，則支干道綠燈亮，主干道紅燈亮，并且支干道綠燈亮不得超過 30S； 3． 每次主干道或支干道綠燈變紅燈時，黃燈先亮 5S

　按如下要求設計十字路口交通燈。

　東西向綠燈亮 60 干秒，黃燈閃爍 5 次后紅燈亮， 紅燈亮后，南北向由紅燈變為綠燈，60 秒后南北向黃燈閃爍 5 此后變紅燈，東西向變綠燈，如此重復。

　如果一個單位時間為 1 秒，這里設定的十字路口交通燈按如下方式四個步驟循環工作：

　60 個單位時間，南北紅，東西綠； 5 個單位時間，南北紅，東西黃； 60 個單位時間，南北綠，東西紅； 5 個單位時間，南北黃，東西紅；

　 指導教師簽字：

　年

　月

　 日

　 二、進度安排：

　第１~2 天：查找資料，熟悉交通燈控制器的設計原理，給出設計總體方案； 第 3~4 天：控制器各模塊的詳細設計； 第 5~9 天：硬件連線，調試； 第 9~10 天：寫課程設計報告。

　 三、應收集資料及主要參考文獻：

　1．謝自美. 電子線路設計-實驗-測試[M] .:華中科技大學出版社, 2000

　2.湯繼華. 常用集成芯片使用[M].:北京理工大學出版社,1995 3.康華光. 電子技術基礎 [M].:高等教育出版社,1999 4.范愛平.電子電路實驗與虛擬技術[M].:山東科技技術出版社，2001

　 四、綜合設計（課程設計）摘要（中文）：

　在現代城市中，隨著人口和汽車的急劇增長，市區交通日益擁擠，要是沒有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車就會由于混亂而造成嚴重阻塞。因此，交通燈是交管部門管理城市交通的重要工具之一。交通信號燈常用于交叉路口，用來控制車的流量，提高交叉口車輛的通行能力，減少交通事故。交通信號燈控制器主要由計時器、秒脈沖發生器、狀態轉換控制器、譯碼顯示電路及信號燈組成。狀態轉換控制器由 SN74LS163 實現，通過該芯片的計數功能實現四種狀態的循環轉換，計時器電路是SN74ls192 在秒脈沖信號的作用下實現計時功能，顯示電路經過 SN74LS192 的倒計數功能的控制在七段 8421BCD 數碼顯示器上顯示數據來實現。計時器對狀態轉換控制器通過 ENP 進行控制，從而實現數字的顯示及綠、黃、紅燈的轉換。

　 關鍵詞：交通信號燈；數字邏輯；電路設計；SN74ls192；SN74ls163

　五、綜合設計（課程設計）Abstract（英文）：

　In the modern city, the reason why urban traffic is becoming more and more crowed is that population and cars increase sharply, If there were no traffic lights, I"m afraid the incessant vehicles will cause serious obstruction due to confusion. Therefore, the traffic lights is one of the important tools of traffic administration management to supervise urban traffic. Traffic lights used in intersection, which is used to control vehicles flow, improve the intersection traffic capacity, reduce the number of traffic accidents. Traffic light controller is mainly composed of timer, pulse generator, state transitions, decoding display circuit and signal controller. State transition controller by SN74LS163 implementation, through the implementation of the chip count function the state of the four cycle transformation, timer circuit is SN74ls192 in seconds under the action of the pulse signal timing functions, display circuit after SN74ls192 count down function of control in 8421BCD digital screen display data. The timer to control state transition controller by ENP, so as to realize digital display and conversion of the green, yellow, red light.

　 Keywords：Traffic lights; Digital logic; Circuit design; SN74ls192; SN74ls163

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　. . 目 錄 目 錄 ........................................................................................................................................... I

　摘

　要 ........................................................................................................................................ II

　Abstract .................................................................................................................................... II

　第一章

　課題設計緒論 ............................................................................................................ 1

　1.1 設計目的與意義 ................................................................................................................ 1

　1.2 設計條件 ............................................................................................................................ 1

　1.2.1 硬件平臺 ........................................................................................................................ 2

　1.2.2 軟件平臺 ........................................................................................................................ 2

　1.3 工作內容 ............................................................................................................................ 2

　1.3.1 設計任務 ........................................................................................................................ 3

　1.3.2 設計要求 ........................................................................................................................ 3

　第二章

　設計簡介及設計方案論述 ........................................................................................ 4

　2.1 設計原理 ............................................................................................................................ 4

　2.2 設計方案 ............................................................................................................................ 4

　2.2.1 計時部分設計簡介 ........................................................................................................ 5

　2.2.2 顯示器與信號燈設計 .................................................................................................... 6

　2.2.3 信號燈狀態轉換器設計 ................................................................................................ 6

　第三章

　詳細設計 .................................................................................................................... 8

　3.1

　計時器 .......................................................................................................................... 8

　3.1.2 六十進制減法計數器設計 .............................................................................................. 9

　3.2 信號燈狀態轉換控制器 .................................................................................................. 10

　3.3 信號燈設計整合 .............................................................................................................. 11

　第四章

　設計結果及分析 ...................................................................................................... 13

　4.1 結果分析 .......................................................................................................................... 13

　致

　........................................................................................................................................ 15

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　摘

　要

　在現代城市中，隨著人口和汽車的急劇增長，市區交通日益擁擠，要是沒有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車就會由于混亂而造成嚴重阻塞。因此，交通燈是交管部門管理城市交通的重要工具之一。交通信號燈常用于交叉路口，用來控制車的流量，提高交叉口車輛的通行能力，減少交通事故。交通信號燈控制器主要由計時器、秒脈沖發生器、狀態轉換控制器、譯碼顯示電路及信號燈組成。狀態轉換控制器由 SN74LS163實現，通過該芯片的計數功能實現四種狀態的循環轉換，計時器電路是 SN74ls192 在秒脈沖信號的作用下實現計時功能，顯示電路經過 SN74LS192 的倒計數功能的控制在七段8421BCD 數碼顯示器上顯示數據來實現。計時器對狀態轉換控制器通過 ENP 進行控制，從而實現數字的顯示及綠、黃、紅燈的轉換。

　關鍵詞：交通信號燈；數字邏輯；電路設計；SN74ls192；SN74ls163

　 Abstract

　In the modern city, the reason why urban traffic is becoming more and more crowed is that population and cars increase sharply, If there were no traffic lights, I"m afraid the incessant vehicles will cause serious obstruction due to confusion. Therefore, the traffic lights is one of the important tools of traffic administration management to supervise urban traffic. Traffic lights used in intersection, which is used to control vehicles flow, improve the intersection traffic capacity, reduce the number of traffic accidents. Traffic light controller is mainly composed of timer, pulse generator, state transitions, decoding display circuit and signal controller. State transition controller by SN74LS163 implementation, through the implementation of the chip count function the state of the four cycle transformation, timer circuit is SN74ls192 in seconds under the action of the pulse signal timing functions, display circuit after SN74ls192 count down function of control in 8421BCD digital screen display data. The timer to control state transition controller by ENP, so as to realize digital display and conversion of the green, yellow, red light.

　Keywords：Traffic lights; Digital logic; Circuit design; SN74ls192; SN74ls163

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　. . 第一章

　課題設計緒論

　 在現代城市中，隨著人口和汽車的急劇增長，市區交通日益擁擠，要是沒有紅綠燈作為指揮工具，恐怕川流不息的汽車就會由于混亂而造成嚴重阻塞。因此，交通燈是交管部門管理城市交通的重要工具之一。

　交通燈控制器是可以自動控制交通燈，并以倒計時的方式顯示出時間，方便行人和車輛在通行時有條不紊的通行，達到交通井然有序，出行人員安全快捷的到達目的地的效果。本次實驗的就是想通過這樣的一個實例，結合數字電路課程的學習共同實現這樣的一個應用工具，達到理論和實踐相結合的目的 。

　 1.1 設計目的與意義

　 隨著人口和汽車的急劇增長，市區交通變得日益擁擠，為了解決這一問題，所以發明了交通信號燈以管理交通秩序。我們學習制作交通信號燈，既可以熟悉各種芯片的使用，又能增強我們的數字邏輯硬件設計能力，因此，我們將展開關于交通燈的課題設計工作。

　本設計通過采用數字電路對交通燈控制電路的設計,提出使交通燈控制電路用數字信號自動控制十字路口兩組紅、黃、綠的交通燈的狀態轉換的方法,指揮各種車輛和行人安全通行,實現十字路口交通管理的自動化。因此，在本次課程設計里，將以傳統的設計方法為基礎來實現設計交通控制信號燈。本實驗設計目的是培養數字電路的能力，掌握交通信號燈控制電路的設計方法。

　1.2 設計條件

　隨著電子與計算機技術的迅速發展，電子電路的分析與設計方法發生了重大的變化。電子設計自動化技術已成為設計現代電子系統必不可少的工具和手段。在電子技術領域里，為了便于儲存，分析和傳輸，常將模擬信號編碼，即把它轉換為數字信號，利用數字邏輯這一強有力的工具來分析和設計復雜的數字電路或數字系統，為信號的儲存，分析和傳輸創造了硬件環境。

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　. . 1.2.1 硬件平臺

　圖 1-1 DICE-D8-I (由于資源有限，以 DICE-D8-I 代替說明) 學校實驗室提供有“DICE-D8-III 數字電路實驗箱”，該型數字電路學習機,設計豪華氣派,主機提供了多種信號源;鎖緊插座;臺灣產面包板;正面印刷字符連線,反面按裝元器件,所有信號源頻率計等電路全部由 CPLD 芯片和雙面板構成，所有器件均選用上等優質產品,使整機的品質得到提高。由于正面沒有任何元件,從而能有效的降低和避免人為損壞的可能,本機特點：使用方便,耐用,實驗項目靈活,可方便做數字模擬各類實驗。本學習機適用于高等院校及各類職業技術學校的電子技術類教學。

　 1.2.2 軟件平臺

　EWB 是一種電子電路計算機仿真軟件，它被稱為電子設計工作平臺或虛擬電子實驗室，英文全稱為 Electronics Workbench。該軟件提供了示波器、函數發生器、萬用表、頻譜儀和邏輯分析儀等虛擬電子設備，14 種分析工具，4 種掃描分析，8 000多個元器件模型， 使使用者可以方便地進行電路原理圖的輸入和仿真測試，觀察電路的工作狀態、穩定性、靈敏度，還可以觀察條件、參數變化時電路的變化情況。EWB 軟件是一個模擬、開放的電子實驗平臺。在它上面，設計人員可以做各種類型、難度各異的電子電路實驗和實際電子產品設計，以便方便地修改與優化電路。

　 1.3 工作內容

　本課程設計的任務就是設計一個交通燈的控制器系統。我們在熟悉基本原理的前提下，與實際應用相聯系，提出自己的方案來完善設計。先制圖，后硬件實現。

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　. . 1.3.1 設計任務

　交通燈課程設計基于數字邏輯電路，《數字邏輯》是計算機的硬件基礎，計算機專業的重要基礎課。其中組合邏輯電路與時序邏輯電路是這門課程的重點內容。本課題就是對邏輯電路的綜合應用。具體任務如下：

　1. 熟悉交通燈的工作原理； 2. 寫出交通燈控制器的設計方案； 3. 用硬件加以實現； 4. 寫課程設計報告。

　 1.3.2 設計要求

　本課程設計按如下要求來完成，具體要求如下：

　1. 本設計是適用于東西-南北雙向交叉的十字路； 2. 東西向紅燈亮 60s，同時南北向的綠燈亮 55s 后，切換黃燈，閃爍 5s；南北向由黃燈轉為紅燈時，開始下一個 60s，此時，南北向紅燈亮 60s，同時，東西向的綠燈亮 55s 后，切換黃燈，閃爍 5s。以上即完成一個循環； 3. 重復運行以上循環，從而實現交通信號燈。

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　. . 第二章

　設計簡介及設計方案論述

　 本章簡要介紹交通燈的設計原理，以及設計方案。交通燈的設計原理是：通過時序電路部分來控制信號燈和七段二進制譯碼數碼管顯示器（以下簡稱顯示器），以達到計時與狀態轉換的要求。設計方案為：設計可由兩部分組成，一為信號部分，包括用于控制交通信號燈點亮與熄滅的控制部分和信號燈；二為計時部分，通過倒計時，以 60s 為循環的周期來計時，由計數器和顯示器構成。

　 2.1 設計原理

　交通信號燈包含兩部分時序電路以及一些輔助的組合邏輯電路。計時部分是需要時序電路來實現的，而狀態轉換也可由時序電路控制；組合邏輯電路用于實現邏輯控制功能。二者的關系由下圖可以說明：

　2.2 設計方案

　交通燈的信號有時間信號和通行信號，時間信號用于提示等待和通行的時間，通信信號則由顏色為紅、黃、綠的三種燈來實現。因此，設計可由兩部分組成：一為信號部分，包括用于控制交通信號燈點亮與熄滅的控制部分和信號燈；二為計時部分，通過倒計時，以 60s 為循環的周期來計時，由計數器和顯示器構成。

　實現上述兩部分以后，計時部分輸出一個反饋信號給信號部分，在特定時刻來實現信號燈的明滅狀態切換。

　計時 狀態轉換控制器 顯示 交通信號燈 反饋 輸出 輸出 圖 2-1 各部分關系圖

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　. . 2.2.1 計時部分設計簡介

　《數字邏輯》一書中，該教材第六章提到采用中、大規模集成電路的邏輯設計講解了使用用 SN74ls192 芯片制作減法器的方法，所以通過學習對這個芯片的使用，制作一個六十進制的減法計數器，以達到計時的目的 [1] 。實際工作中，考慮到六十進制可由一個六進制部分的十位電路與一個十進制的各位電路來構成，所以，選材時直接選用十進制的計數器 SN74ls192 芯片。以下為該芯片模擬圖與各管腳功能介紹：

　圖 2-2 芯片 SN74ls192 圖示

　管腳說明：

　1. A、B、C、D 各管腳為芯片的輸入端，置數功能時使用； 2. QA、QB、QC、QD 各管腳為芯片的輸出端，輸出為 8421BCD 碼，QA 對應最低位，QD 為最高位； 3. DOWN、UP 管腳為功能選擇端。當 DOWN 輸入時鐘脈沖信號時，UP 輸入“1”，芯片以信號時鐘時間為周期做常規減法計算，即減 1 法，UP 輸入為“0”時，做減2 法計算；當 UP 輸入時鐘脈沖時，DOWN 輸入“1”，芯片做加法運算；

　4. BO’、CO’兩端口分別對應借位輸出和進位輸出，LOAD’端口為置數端； 5. CLR 端口為清零端。

　功能表如下：

　表 2-1 SN74ls192 的功能表 輸入 輸出 CLR UP DOWN LOAD’ D C B A QD QC QB QA 1 X X X X X X X 0 0 0 0 0 X X 0 d c b a d c b a 0 cp

　1 X X X X 加法計數 0

　cp 1 X X X X 減法計數

　SN74ls192 功能豐富，滿足此課題設計要求，因此，本次設計的計時部分選用該芯片作為核心器件。詳細設計在下一章說明。

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　. . 2.2.2 顯示器與信號燈設計 顯示器設計相對簡單，考慮到 74ls192 輸出端直接對應為 8421BCD 碼，所以，直接使用 8421BCD 譯碼數碼管，即 DCD_HEX。該數碼顯示器管腳從左至右對應 QD、QC、QB、QA。

　 圖 2-3 8421BCD 譯碼數碼管

　信號燈直接選用相應顏色的發光二極管即可。

　 2.2.3 信號燈狀態轉換器設計 在設計信號燈前，通過學習交通知識，了解到信號燈的狀態循環，當東西向紅燈亮60s，同時南北向的綠燈亮 55s 后，切換黃燈，閃爍 5s；南北向由黃燈轉為紅燈時，開始下一個 60s，此時，南北向紅燈亮 60s，同時，東西向的綠燈亮 55s 后，切換黃燈，閃爍 5s，如此往復循環。給出如下時序圖進一步說明：

　從圖 2-4 可以看出，交通信號燈的一個循環周期為 120s，東西向與南北向總共有四個狀態，即為東西向紅燈時，南北向有綠色、黃色兩個狀態，同樣的，南北向紅燈時，東西向有綠色、黃色兩個狀態，總共為 4 個。因此，可以用二進制數表示為 00、01、10、11。由于四位二進制計數器 SN74ls163 可以實現上述四個狀態的循環，我們采用此芯片作為信號燈的狀態轉換控制器。以下給出 SN74ls163 的功能與管腳說明：

　 圖 2-5 SN74ls163 芯片圖示

　黃燈5s 綠燈 60s 紅燈 60s 紅燈 60s 綠燈 60s 黃燈5s 東西向 南北向 圖 2-4 信號燈時序圖

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　. . 管腳說明：

　1. A、B、C、D 各管腳為芯片的輸入端，A 為最低位，D 為最高位，用于置數輸入； 2. ENP、ENT 兩個輸入端是功能選擇端，當兩者輸入至少有一個為低電平時，實現保持功能，當兩者輸入都為高電平時，實現計數功能； 3. CLR"端口為清零端； 4. CLK 為時鐘脈沖輸入端； 5. LOAD"為置數端； 6. RCO 為進位輸出端； 7. QA、QB、QC、QD 為輸出端，從左至右順序，QD 為高位。

　功能表如下：

　表 2-2 SN74ls163 功能表 輸入 輸出 CLR cp LOAD’ ENP ENT QD QC QB QA D C B A 0 ↑ X X X X X X X 0 0 0 0 1 ↑ 0 X X d c b a d c b a 1 ↑ 1 0 X X X X X 保持 1 ↑ 1 X 0 X X X X 保持 1 ↑ 1 1 1 X X X X 加法計數

　由圖 2-4 可以列出信號燈狀態轉換真值表，如下：

　表 2-3 信號燈狀態轉換真值表 QB QA Ra Ga Ya Rb Gb Yb 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 注釋：

　1. Ra、Ga、Ya 代表東西向紅、綠、黃三色信號燈，Rb、Gb、Yb 代表南北向紅、綠、黃三色信號燈； 2. 因為二進制數從 0-15 的變換中，最低位與次低位遵循 00→01→10→11→00 這樣一種循環，所以，只用取 SN74ls16 輸出端 QB、QA 即可表示。

　因此，可以求得六路輸出函數，化簡后的輸出函數為：

　表 2-4 各向輸出函數表 東西向輸出函數 南北向輸出函數 Ra QB ?

　Rb QB ?

　Ga QB QA ?

　Gb QB QA ?

　Ya QB QA ?

　Yb QB QA ?

　 將上述各輸出直接與相應的信號燈連接，即可實現對各燈狀態的轉換控制。

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　. . 第三章

　詳細設計

　在第二章中，簡要介紹了交通信號燈各部分的設計原理以及硬件選材，包括計時部分時序電路的設計以及信號燈狀態轉換控制的設計。計時器的核心器件為 SN74ls192 芯片，燈的狀態轉換控制器則主要由 SN74ls163 來實現。

　在第二章的基礎上，總體的設計思路明確為：計時器控制信號燈狀態轉換器。本章將詳細介紹各部分的設計步驟，在第二章中已給出詳細說明的，在本章將適當省略。

　 3.1 計時器 既然要設計一個六十進制的減法計數器，并以此來實現計時功能，那么，就需要先設計一個十進制的減法計數器和一個六進制的減法計數器，再將兩個計數器組合成一個六十進制的減法計數器。

　 3.1.1 十進制、六進制減法計數器的設計

　無論是十進制的減法計數器也好，還是六進制的減法計數器也罷，都是以 SN74ls192作為核心器件來進行設計的。由于該芯片是一個十進制的計數器，無需我們多費周折，只要將必要的端口輸入正確，再搭配 8421BCD 數碼顯示管，就可以初步構成一個十進制的減法計數器。

　在 EWB 中，十進制減法計數器的設計的電路圖如下所示：

　圖 3-1 十進制減法計數器

　六進制的減法計數器與十進制的設計方法大體相同，唯一不同的是六進制最大顯示的數為 5，并以“5→4→3→2→1→0→5”這樣一種循環往復。這里，可以使用 SN74ls192的同步置數功能，設計思想是：當計數器從狀態“0”將變至“9”時，輸出端從 QD 至QA 會由“0000”減法計數變為“1001”的二進制數碼，因此，要在“1001”的同時將

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　. . 其置數為“0101”，所以 LOAD’的輸入應是這樣一個函數：

　" LOAD QD QA ? ，目的就是為了在出現“1001”時，將“9”對應為的“1001”同步置數為“5”對應的“0101”。EWB 仿真設計中的電路圖如下所示：

　圖 3-2 六進制減法計數器

　3.1.2 六十進制減法計數器設計 上一節中，詳細的分析了兩種進制的減法計數器的設計，也為我們下一步工作做好了鋪墊，值得提問的是：六進制與十進制的兩個人減法計數器與六十進制的有什么聯系，又如何實現呢？

　在明確了問題之后，關鍵要素也將清晰可見。關于兩個進制的計數器之間的聯系在于，在概率統計學中，問題的解決如果是分層次完成的的，對應數學的加法，如果是分步完成的，就對應數學的乘法，這里的關系真好對應后者，是分步的。也就是說，六進制與十進制分步工作，組合能完成六十進制的功能，即為：十進制作為六十進制的個位，六進制作為十位，個位每記十次數，十位就記一次，相當于進位。

　有了初步的設計方案，接下來就是如何實現硬件的連接了。SN74ls192 芯片是帶有進位輸出與借位輸出端的，既然是減法計數器，我們選擇使用借位輸出功能，但是借位輸出直接用于控制十位上計數功能的脈沖信號，會出現不同步的現象，以此作為控制十位上計數功能的信號不妥，所以，我們通過選取 QD、QA 兩線來表示“9”，以此作為十位上的計數器脈沖信號。

　雖然實現了借位計數的功能，但是，工作仍然不能說算完成了，因為，接下來的問題出現了，如何使得十位上的數在沒有接到借位信號時不計數呢？所以，實現該器件的保持功能成為了進一步的任務。

　查閱資料后，了解到 SN74ls192 雖無保持端，但是，可以實現保持功能，即當 DOWN端口沒有接收到上升沿的脈沖信號時，芯片不會改變輸出狀態，只有當接受到上升沿的脈沖信號時，芯片做減法計數。我們通過使用單刀雙擲開關，模擬脈沖信號來測試芯片的保持功能，下圖為 EWB 仿真實驗電路圖：

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　圖 3-3 模擬脈沖信號測試芯片保持功能

　 有了借位與保持功能后，將借位輸出信號作為時鐘脈沖信號，控制十位上的計數功能，以實現六十進制的同步計數器。

　到此，六十進制的減法計數器設計思想已經完善，通過組合，即可實現，要實現計時器的功能，只需將脈沖信號的頻率設置為 1 赫茲即可，此時脈沖周期為一秒。下圖是計時器的設計圖：

　圖 3-4 計時器 EWB 仿真電路圖

　3.2 信號燈狀態轉換控制器 在第二章中，介紹了交通信號燈的時序狀態轉換，并得到表 2-3，所以可做出 Moore型原始狀態圖：

　00 01 10 11 1 1 1 1 圖 3-5 Moore 型原始狀態圖

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　. . 得出原始狀態圖后，結合表 2-4 可以定義 SN74ls163 的各輸出端了，因此，在 EWB中的仿真電路圖如下：

　圖 3-6 交通燈狀態轉換控制電路圖

　3.3 信號燈設計整合 完成 3.1 與 3.2 節工作后，接下就是考慮如何將兩部分整合為一個完整的交通信號燈控制器了。主要工作是把計時器與信號燈狀態轉換控制器電氣連接，實現計時器控制信號燈的狀態切換，從而達到本設計的要求。那么如何實現呢？

　在第二章中，給出了 SN74ls163 是具有保持功能的，所以，這為我們的設計提供了便利。因為該器件是當 ENP、ENT 端口有一個輸入為低電平時來實現保持功能的，所以，我們選取其中一個端口輸入高電平，另一個端口用于控制，即為：將 ENT 端口輸入為高電平，當需要切換信號燈當前狀態轉換為下一狀態時，給 ENP 端口輸入一次高電平脈沖信號，使 SN74ls163 開始計數，并在脈沖信號回歸到低電平時暫停計數，以此實現對信號燈狀態切換的控制。那么這個脈沖信號如何實現呢？

　在分析了交通信號燈各個狀態切換時所對應的時刻后得出，當計時器第一次“00”→“59” →“05”的過程中，要保持信號燈狀態轉換器的輸出狀態為“00”，總共為 55秒；在計時器“05”時刻到來后，切換信號燈狀態轉換器輸出狀態由“00”變為“01”，并在計時器的“05”→“00”之間保持信號燈狀態轉換器輸出狀態為“01”狀態 5 秒；在計時器的“00”時刻到來后，切換信號燈狀態轉換控制器輸出狀態由“01”變為“10”，并在第二次“00”→“59” →“05”的過程中，要保持信號燈狀態轉換器的輸出狀態為“10”，總共為 55 秒；在計時器“05”時刻到來后，切換信號燈狀態轉換器輸出狀態由“10”變為“11”，并在計時器的“05”→“00”之間保持信號燈狀態轉換器輸出狀態為“11”狀態 5 秒；下一個周期變化同上，以上面的 120 秒為周期循環。

　所以，這個脈沖可以這樣定義：當十位顯示“0”、各位顯示“0”或“5”時，發射一次信號脈沖。這個脈沖在這樣的特殊時刻發出，并在其它時間靜默，因此能有效的控制信號燈的狀態切換了。

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　. . 整合各部分設計的 EWB 仿真電路圖為：

　圖 3-7 交通信號燈控制電路圖

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　第四章

　設計結果及分析

　所謂金無足赤，人無完人，我的設計也是如此，總不能完美。在本章中，我總結了自己的經驗并分析設計結果，得出了美中不足的原因，在這里與大家交流和分享。

　 4.1 結果分析

　這次設計滿足課題要求，并達到設計目的，各部分結構層次分明，能精確控制信號燈與計時器，但是有一點不足。在設計過程中，由于選用的芯片是沒有保持端的，所以，在設計保持功能的時候是以有無脈沖來實現是否保持的，因此，在每次剛開電源時，十位上置數為“5”，個位上同時置數為“9”，并在置數的同時也給了十位上的 SN74ls192的 DOWN 端一次脈沖，導致多了一次減法計數，宏觀上看，也就是計時器剛開機是從“49”開始計數的，但并不影響下一次計數，下一周期計數則是以“59”開始的。

　以上就是設計中的不足，如要改進，只需選用 SN74ls191 代替 SN74ls192 即可。

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　總

　 結

　這次課程設計歷時整整兩個星期。通過這兩個星期的課程設計，我發現了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實踐經驗還是比較缺乏，理論聯系實際的能力還急需提高。在課程設計過程中，光有理論知識是不夠的，還必須懂一些實踐中的知識。這次的課程設計也讓我看到了團隊的力量，我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發揚團結協作的精神。

　在課程設計中只有一個人知道原理是遠遠不夠的，必須讓每個人都知道，否則一個人的錯誤，就有可能導致整個工作失敗。團結協作是我們成功的一項非常重要的保證。而這次設計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。本次課程設計也鞏固和加深了我對數字邏輯與電子線路基本知識的理解，提高了綜合運用所學知識的能力，增強了根據課程需要選學參考資料、查閱手冊、圖表和文獻資料的自學能力。然后深入研究，提出方案，對比后得出最終的可行方案。同時我也鞏固學習到了關于課程設計的基本方法、步驟和撰寫設計論文的格式。

　通過這次課程設計，我想說：為完成這次課程設計我們確實很辛苦，但苦中仍有樂。和團隊的同學這兩周的一起工作的日子，我們相互幫助、默契配合。對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。讓我知道了學無止境的道理。我們每一個人永遠不能滿足于現有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財富，經歷是一份擁有。這次課程設計必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！

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　致

　 這次課程設計取得的成功，首先要感謝老師不辭辛苦的為我們講解，對我們的提問總是耐心的解答，總能給我們啟發，所以，在這里要謝謝我們敬愛的老師們！

　其次，我要感謝與我共同努力的同學們，與我一起設計，與我一起面對挑戰，我們在一起討論問題并解決問題，所以，沒有你們的付出與幫助，怎會有我的成績呢？我們爭論過，疑惑過，但阻擋不了我們前行的步伐。

　最后，感謝學校提供一個良好的實驗環境與完善的實驗平臺，是我們能取得學習成果的保證。謝謝你們！

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　參考文獻

　 [1]. 毛法堯. 數字邏輯[M]. 第二版. :高等教育出版社, 2008:193-196; [2]. 謝自美. 電子線路設計-實驗-測試[M] .:華中科技大學出版社, 2000; [3]. 湯繼華. 常用集成芯片使用[M].:北京理工大學出版社,1995; [4]. 康華光. 電子技術基礎 [M].:高等教育出版社,1999; [5]. 范愛平. 電子電路實驗與虛擬技術[M].:山東科技技術出版社，2001.