數字電路交通信號燈怎么設計?

ID:1170831 · 發表于 2026-5-6 10:58

# 十字路口交通燈控制器設計實驗報告
## 20.5.5 實驗器材
1. 示波器 Agilent DSO-X 2012A
2. 數字萬用表
3. 直流穩壓電源
4. 主要元器件（參考）
NE555芯片 1片；
LED燈 6個；
74LS00芯片 2片；
二極管IN4001 1片；
74LS04芯片 1片；
74LS194芯片 1片；
74LS10芯片 2片；
電阻、電容、導線、開關若干。

## 20.6 十字路口交通燈控制器的設計實驗
設計一十字路口交通燈控制器，要求滿足以下時序：
A車道：綠燈25s → 黃燈5s → 紅燈30s；
B車道：紅燈30s → 綠燈25s → 黃燈5s。

### 20.6.1 實驗目的
1. 掌握十字路口交通燈控制器的電路構成、工作原理與整體設計方法。
2. 學習并鞏固邏輯電路整體設計與單元模塊設計思路，熟練運用常用集成邏輯芯片，培養分析和解決實際電路問題的能力。

### 20.6.2 預習要求
1. 復習74LS163、74LS153、74LS74、NE555等芯片的引腳功能、工作原理及使用方法。
2. 依據系統設計框圖與工作原理，完成完整電路原理圖設計，并梳理詳細設計步驟。

### 20.6.3 設計原理及電路分析
#### 1. 設計狀態分析
定義四個循環工作狀態：
- S₀：A車道綠燈亮，B車道紅燈亮；計時25s后切換至S₁。
- S₁：A車道黃燈亮，B車道紅燈亮；計時5s后切換至S₂。
- S₂：A車道紅燈亮，B車道綠燈亮；計時25s后切換至S₃。
- S₃：A車道紅燈亮，B車道黃燈亮；計時5s后切換回S₀，循環往復。

#### 2. 總體設計框架
系統由**秒脈沖信號發生器、定時器、控制器、譯碼器**四大模塊組成。
秒脈沖發生器為系統提供1s標準時鐘信號；定時器實現25s、5s精準計時；控制器為核心，控制各狀態按時序自動跳轉；譯碼器將控制器狀態編碼翻譯為紅綠黃燈驅動信號，經驅動后控制LED燈亮滅。

信號定義：
- \(T_L\)：綠燈25s定時標志，計時到 \(T_L=1\)，否則為0；
- \(T_Y\)：黃燈5s定時標志，計時到 \(T_Y=1\)，否則為0；
- \(S_T\)：定時結束狀態轉換觸發信號，控制定時器清零及狀態切換。

系統結構：秒脈沖發生器 → 定時器/控制器 → 譯碼器 → A、B車道信號燈。

#### 3. 單元電路設計
##### （1）秒脈沖發生器
采用NE555定時器構成多諧振蕩器，振蕩頻率公式：
\[f=\dfrac{1.43}{(R_1+2R_2)C}\]
選配阻容參數，輸出**1Hz（周期1s）**標準秒脈沖，作為整個系統的時鐘基準。
也可采用32768Hz石英晶體振蕩器，經多級分頻整形得到1Hz秒脈沖。

##### （2）定時器
由74LS163四位二進制同步計數器級聯構成，與秒脈沖同步計數。
在\(S_T\)信號作用下同步清零，從零開始遞增計數，分別實現**模25定時**與**模5定時**，輸出\(T_L、T_Y\)定時信號。74LS163具備同步清零、同步置數功能，兩片級聯擴展計數范圍。

##### （3）控制器
控制器為系統核心，控制四種工作狀態按時序自動轉換。

**控制器工作狀態表**
| 控制器狀態 | 信號燈狀態 | 車道運行狀態 |
|------------|------------|--------------|
| S₀(00)    | A綠，B紅 | A通行，B禁止 |
| S₁(01)    | A黃，B紅 | A緩行，B禁止 |
| S₂(11)    | A紅，B綠 | A禁止，B通行 |
| S₃(10)    | A紅，B黃 | A禁止，B緩行 |

**控制器狀態轉換表**
| 現態 \(Q_1^nQ_0^n\) | 輸入 \(T_L\ \ T_Y\) | 次態 \(Q_1^{n+1}Q_0^{n+1}\) | 轉換信號 \(S_T\) |
|---------------------|--------------------|-----------------------------|------------------|
| 0 0                | 0 x             | 0 0                      | 0             |
| 0 0                | 1 x             | 0 1                      | 1             |
| 0 1                | x 0             | 0 1                      | 0             |
| 0 1                | x 1             | 1 1                      | 1             |
| 1 1                | 0 x             | 1 1                      | 0             |
| 1 1                | 1 x             | 1 0                      | 1             |
| 1 0                | x 0             | 1 0                      | 0             |
| 1 0                | x 1             | 0 0                      | 1             |

利用74LS153四選一數據選擇器 + 74LS74雙D觸發器，實現狀態邏輯與存儲跳轉。

##### （4）譯碼器
將控制器輸出狀態編碼\(Q_1Q_0\)翻譯為A、B車道6路信號燈控制信號。

**信號燈譯碼真值表**
| 狀態 \(S(Q_1Q_0)\) | A車道 \(A_R\ A_Y\ A_G\) | B車道 \(B_R\ B_Y\ B_G\) |
|--------------------|-------------------------|-------------------------|
| S₀(00)          | 0 0 1                | 1 0 0                |
| S₁(01)          | 0 1 0                | 1 0 0                |
| S₂(11)          | 1 0 0                | 0 0 1                |
| S₃(10)          | 1 0 0                | 0 1 0                |

邏輯表達式：
\[
\begin{align*}
A_R&=Q_1 \\
A_Y&=\overline{Q_1}Q_0 \\
A_G&=\overline{Q_1}\overline{Q_0} \\
B_R&=\overline{Q_1} \\
B_Y&=Q_1\overline{Q_0} \\
B_G&=Q_1Q_0 \\
\end{align*}
\]

### 20.6.4 實驗內容及方法
1. 按設計要求完成秒脈沖、定時、控制、譯碼各單元電路設計，繪制整體電路原理圖。
2. 搭建實物電路并分步調試，驗證信號燈時序是否滿足25s綠燈、5s黃燈循環邏輯，分析電路可優化改進方向。

### 20.6.5 實驗器材
1. 示波器 Agilent DSO-X 2012A
2. 數字萬用表
3. 直流穩壓電源
4. 主要元器件（參考）
NE555芯片 1片；
紅、黃、綠LED燈各2個；
74LS08芯片 1片；
74LS153芯片 2片；
74LS04芯片 1片；
74LS163芯片 2片；
74LS74芯片 1片；
電阻、電容、導線、開關若干。

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數字電路交通信號燈怎么設計?