交通灯控住器设计

1、北华大学 数字电路实习报告 设计题目：交通灯控制器的设计姓名： 赵飞班级：网络13-2学号：35院系：计算机科学技术学院指导教师：郑娜实习日期：2014年12月8日至12日目 录一、 实习目的和任务.2二、 软件介绍.2三、 电路设计.23.1设计思路.23.2设计方框图. .33.3各部分电路设计和参数计算4四、 原理图与仿真结果7五、 实习体会10六、 参考文献11七、 教师评语12一、 实习目的和任务1.设计目的: （1）掌握十字路口交通灯控制器的构成、原理与设计方法； （2）熟悉QuartusII的仿真方法。2 基本任务 （1）设计一个具有三种信号灯（红、黄、绿）的十字路口交通灯控制器

2、，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆留出时间停在禁行线外； （2）主、支干道交替允许通行，主干道每次放行60秒，黄灯亮3秒；支干道放行15秒，黄灯亮3秒； （3）黄灯亮之前绿灯闪烁4秒，闪烁频率2Hz。 二、软件介绍Quartus II 是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，

3、除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑

4、设计于一体，是一种综合性的开发平台。3、 电路设计3.1 设计思路 根据此次课程设计的要求,我设计的十字路口交通灯控制器基本电路主要由倒计时计数电路、信号灯转换器和秒脉冲信号发生器组成。第一部分由两个74190计数器连接成一个八位计数器，用于显示红绿黄灯的数字倒计时；第二部分由74163组成交通灯控制部分，控制着红绿黄灯的亮灭和转换。秒脉冲信号作为两个电路的标准的始终信号源。 倒计时电路由两个计数器组成，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。一个用于计时十位，一个用于个位计时，二者同时进行倒计时，借位、置数、倒数。对于74190计数器：（1） 加减控制端，当其为低

5、电平时计数器进行加计数；当其为高电平时计数器进行减计数。（2） CP:时钟脉冲输入端。上升沿有效。（3） A,B,C,D：数据输入端。用于预置计数器的初始状态。（4） LDN：异步预置控制端。低电平有效，即该端为低电平时，经数据输入端A,B,C,D对计数器的输出端QA，QB，QC，QD的状态进行预置。当需要清零时，给数据输入端均输入低电平即可。该端通常处于高电平。（5） GN：使能端。低电平有效，即当该端为低电平时计数器实现计数功能；当其为高电平时计数器禁止计数，输出保持原来状态。 根据74190计数器特点，首先，分别向十位和个位进行预置数，根据课题要求，由于一个方向上的绿黄红黄一个循环的时间

6、变化分别是60、3、15、3，另一方向反之。所以采用81秒一个整体循环方式，将十位和个位计数器的数据输入端的置于8和1，由十位和个位的输出端QA，QB，QC，QD输出。同时，八个输出端连接八个输出端通过或门连接，作为两个计数器的LDN异步预置控制端的低电平输入。将81211830以多个与门、或门和非门进行表示，最后通过一个或门输出，作为交通灯控制电路的输入脉冲。 信号灯转换器主体是一个74163计数器，这种同步可预置四位二进计数器是由四个D 型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。作用在于实现相应输入脉冲对相应红绿黄灯的控制。EP、ET高电平有

7、效，LDN低电平有效。因为只需要QA，QB，QC，QD组合成四种输出，即可实现红黄绿灯的亮灭和转换，所以将QC，QD输出0、0，QA，QB由0、1组合成四种输出。3.2 设计方框图图1：电路设计方框图3.3 各部分电路设计及参数计算 3.3.1 倒计时计数器电路设计 74190计数器工作原理十字路口要有数字显示，作为倒计时提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式工作，在过程中实现十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。 计数器选用集成电路74190进行设计较简便。74190是十进制同步可逆计数器，它具有异

8、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。现选用两个74190芯片级联成一个从99倒计到00的计数器，其中作为个位数的74190芯片的CLK接秒脉冲发生器（频率为1），再把个位数74190芯片输出端的QA、QD用一个与门连起来，再接在十位数74190芯片的CLK端。当个位数减到0时，再减1就会变成9， 0（0000）和9（1001）之间的QA、QD同时由0变为1，把QA、QD与起来接在十位数的CLK端，此时会给十位数74190芯片一个脉冲数字减1，相当于借位。具体连接方法如图1-5所示。信号LD由两个芯片的8个输出端用

9、或门连起来，决定倒计时是置数，还是计数。工作开始时，LD为0，计数器预置数，置完数后，LD变为1，计数器开始倒计时。当倒计时减到数00时，LD又变为0，计数器又预置数，之后又倒计时，如此循环下去。 74190计数器状态表表1： 74190的状态表CTEND/UCLKLOADA B C DQA QB QC QD0XX0X X X XA B C D01POS1X X X XCount Down00POS1X X X XCount Up1XXXX X X XQa0 Qb0 Qc0 Qd0 3.3.2 信号转换器电路设计信号灯运行框图及状态表示主干道和支干道两个方向车道的交通灯的运行状态共有4种，如图

10、1-2所示图2：信号灯运行框图00：主干道方向车道的绿灯亮，车道通行；支干道方向车道的红灯亮，车道禁止通行。01：主干道方向车道的黄灯亮，车道缓行；支干道方向车道的红灯亮，车道禁止通行。10：主干道方向车道的红灯亮，车道禁止通行；支干道方向车道的绿灯亮，车道通行。11：主干道方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道缓 行 状态编码与信号关系 表2： 状态编码与信号灯关系表QD QC QB QAG1Y1R1G2Y2R20 0 0 01000010 0 0 10100010 0 1 00011000 0 1 1001010 G1=1：主干道方向车道绿灯亮 Y1=1：主干道方向车道

11、黄灯亮 R1=1：主干道方向车道红灯亮 G2=1：支干道方向车道绿灯亮 Y2=1：支干道方向车道黄灯亮 R2=1：支干道方向车道红灯亮计数器74163状态表 若选集成计数器74163，74163是一个具有同步清零、同步置数、可保持状态不变的4位二进制同步加法计数器。表1-1是它的状态表表3: 74163的状态表CLRLOADENPENTCLKA B D CQA QB QC QD0XXXXX X X X0 0 0 0 1000POSX X X XA B C D1111POSX X X XCount111XXX X X XQA0 QB0 QC0 QD011X1XX X X XQA0 QB0 QC0

12、 QD04、 原理图与仿真结果倒计时计数器电路原理图图3：倒计时计数电路原理图 倒计时计数电路仿真图 60秒倒计时： 15秒倒计时：信号灯转换器原理图图4：信号灯转换器原理图信号灯转换器仿真图十字路口交通灯控制器整体电路图 图5：十字路口交通灯控制器整体电路图工作过程分析本次设计的十字路口交通灯控制器，主体部分由倒计时计数电路、信号灯转换器和秒脉冲信号发生器组成。信号发生器产生标准脉冲信号，传输给倒计时计数电路，倒计时计数电路用于倒计时计数，并向信号转换器发出信号，使信号发生器控制信号灯的亮灭与转换。在倒计时电路中，向两个计数器输入标准脉冲信号，并分别通过ABCD端预置输入的初始状态。若使能输

13、入端置于低电平，四个主从触发器的输出将在时钟脉冲从低到高跳变过程中被触发；使能输入端高电平时，禁止计数。仅当时钟脉冲是高电平时，使能输入端才能有电平的变化。当可逆输入端是高电平时，进行减计数，仅当输入端是高电平时，可逆输入端才会有电平的变化。两个计数器分别用于倒计数十位和个位，并通过一个与门实现借位，输出端分别对应十位和个位的数字显示。并将两个芯片的8个输出端用或门连起来，决定倒计时是置数，还是计数。工作开始时，LD为0，计数器预置数，置完数后，LD变为1，计数器开始倒计时。当倒计时减到数00时，LD又变为0，计数器又预置数，之后又倒计时，如此循环下去。同时八个输出端通过三组与门和一个非门实现

14、信号的选择。在信号灯转换电路中，由倒计时计数电路选择的信号作为该电路的脉冲信号，以实现数字显示与灯的同步，由计数器74163的四个输出端组成0000、0001、0010、0011输出状态，实现对信号灯G1、Y1、R1、Y2的选择，由于R2与G1同时变化、G2与R1同时变化，所以可以实现六个灯的转换5、 实习体会通过对十字路口交通灯控制器的设计，对数字模拟技术的理论知识得到了进一步的理解和深化，并更加提升了我的实际动手操作能力，进一步丰富和完善了对数字模拟技术的认识，同时，在实践中积累的经验和教训将使我在以后的学习和工作上得到有力的帮助。 在这次对交通灯控制器的设计与制作过程中，我了解了一些设计

15、电路的步骤，同时也了解了关于交通灯控制器的设计原理与设计思想，更进一步地熟悉了计数器74190和计数器74163芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。并对quartusII软件的功能及其仿真环境也有了初步了解。刚刚着手时，手无足错，只有到处查阅资料，课本上的、网络上的，经过查阅有关资料，对课设题目和要求有了大概理解，同时对74190和74163芯片业有了一定了解，于是我们开始了对模块的初步设计，经过很多次失败、很多次反思，使我们明显感到到自己认识的狭窄和知识的缺乏，不过也正因为如此，才极大的提高了我对模拟信号和数字信号的抽象想象能力，虽然多数想象的都是错的，但却为设计的成功不断地提供者新的思路，不断发散着我们的思维。 课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。故一个小小的课程设计，对我们的作用是如此之大。 对quartusII软件也有了一定的了解，起初学会了软件的安装、工程的建立、器件的搜索，逐渐会了各种器件的连接和对模块的仿真、调试和分析。 虽然一周的课设转眼就过去了，但我们对数电课设的热情