交通灯(红绿灯)设计实验报告

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东南大学电工电子实验中心

实验报告

课程名称：

数字逻辑设计实践

第四次实验

实验名称：小型数字系统设计（红绿灯）

院（系）：吴健雄学院专业：电班

姓名：李博文学号： 61010116

实验室: 实验组别：

同组人员：实验时间： 2011 年 11 月

28 日

评定成绩：审阅教师：

一、实验目的

① 综合前面所学的各项内容

② 掌握数字系统设计的流程和方法

③ 培养复杂电路连接和调试技能

二、实验原理（简要写出这个综合设计用到哪些实验原理）

本实验使用74LS161级联实现模60的计数，并用74LS161进行状态计数，用74LS138进行状态译码，并使用一些门电路从而达到控制电路的效果。本实验需要掌握74LS161、74LS138的具体使用方法和各端口在不同状态下对应的功能，以及通过表达式的化简从而使用尽量简单的门电路（尽量使用与非门和反相器）。具体过程在实验内容中将进行详细的阐述。

三、实验内容

实验要求（分基本要求和提高要求）：

基础要求：

设计一个十字路口交通信号灯控制器，在每个入口处设置红，绿，黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，在绿灯转红灯之间，黄灯亮

每次放行60秒，其中绿灯55秒，黄灯5秒，红灯60秒

用4个数码管显示时间，其中2个显示东西方向时间，另2个显示南北方向时间，显示采用加计数模式

用6个LED显示两个方向的红灯、绿灯和黄灯

提高要求：

分主次干道，主干道绿灯55秒，黄灯5秒，红灯30秒；次干道绿灯25秒，黄灯5秒，红灯60秒

4个数码管显示，其中2个显示主干道方向的时间，另2个显示次干道时间

原理框图为:

原理框图2011/12/4东南大学电工电子实验中心12 流程图（基础部分）可表示为：

思路：若将两个方向看成一个整体，用一个状态机控制，则本电路应该有四个状态（此处仅讨论基础部分），状态表如下：

状态南北东西

S2 S1 R Y G 计数 R Y G 计数

0 0 0 1 0 0 60 0 0 1 55

1 0 1 1 0 0 0 1 0 5

2 1 0 0 0 1 55 1 0 0 60 3 1 1 0 1 0 5 1 0 0

但我在用这个方法进行提高部分的设计时发现需要进行大量的改动，不利于验收，所以我改变思路，采用两个状态机。这个方法的核心思想就是将两个方向完全分开，只共用同一个时钟信号，这样每个方向只有三个状态，即红绿黄三种灯对应三种状态，每种状态的时间分别为60s，55s，5s。这个部分可通过两个74161级联达到模60的计数功能（至于怎么让电路在55s和5s改变状态取决于计数器后面的门电路和状态机的计数）。下面给出74161的功能表：

CLR’ LOAD’ ENT ENP CLK A B C D Q

0 × × × × × × × × 置零

1 0 × × ↑ a b c d 置数

1 1 1 1 ↑ × × × × 计数

1 1 0 × × × × × × 保持

1 1 × 0 × × × × × 保持

下面以东西方向为例分析具体内容。第一个状态Y0为红灯，共计60s，第二个状态Y1为绿灯，共计55秒，第三个状态Y2为黄灯，共计5s。当计数器74161计到59s（因为是从0开始计数的）或计到54s且状态为Y1时十位的LOAD’端变为低电平，完成十位的置数（其实此时恰好也是置零的效果）；当个位计到9或计到54且为状态Y1或个位计到4且为状态Y2时个位的LOAD’端变为低电平，完成个位的置数。且个位计到9时十位的ENT，ENP才变为高电平，开始计数，其他情况下十位处于保持状态；而个位的ENT，ENP接到VCC上，始终处于计数状态。LED的接口均接到74161的输出端；灯则通过反相器接到74138的输出端（因为输出是低电平有效，而实验箱中的灯是高电平有效）。用作状态计数的74161的ENT和ENP端，只要三个状态的临界状况满足一个即置为高电平，完成状态的计数，且状态计到11（即第四个状态）刚出现时即使用置数功能。

对于南北方向，思路大致与东西方向相同，因为要使两方向的灯亮情况相协调，所以只需改变状态的顺序，即南北方向第一个状态Y0表示绿灯共计55s，第二个状态Y1表示黄灯共计5s，第三个状态Y2表示红灯共计60s。

对于门电路部分，其主要工作其实就是表达式的化简，尽量采用与非表达式（方便搭试电路），由于其难度不大，且属于本课程初期内容，此处就不详细写出化简过程（注意：本实验中列写表达式时注意电路中的高低电平，即明确是低电平有效还是高电平有效）。

综上所述，基础版的电路图大致如下： U174LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U274LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U374LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U474LS138NY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16~G2A4~G2B5十位个位U5NAND4U6NAND4U7A74LS00NU8A74LS04N6VCC5V9U9A74LS00N7810VCCU10A74LS04N12U11A74LS04N14U12A74LS00NU13NAND3U14NAND3U15A74LS00N18U16A74LS04N192016517U17A74LS04N212223V1600 Hz

5 V 0U18DCD_HEXU19DCD_HEX252261411273U2074LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U2174LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U2274LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U2374LS138NY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16~G2A4~G2B5十位个位U24NAND4U25NAND4U26A74LS00NU27A74LS04NVCC5VU28A74LS00NU29A74LS04NU31A74LS00NU32NAND3U33NAND3U34A74LS00NU35A74LS04NU36A74LS04NU37DCD_HEXU38DCD_HEX28544029355336520504948474643454442VCC343332313024U30A74LS04N3739U39A74LS04N51X1 2.5 VX2 2.5 VX3 2.5 V551315U40A74LS04N56X4 2.5 VX5 2.5 VX6 2.5 V384157 提高部分：

对于提高部分，电路并无太大的改动。只是东西方向的红灯变为30s，南北方向的绿灯变为25s。故只需将门电路的部分做些改动，使之在状态临界处改变。电路图为： U174LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U274LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U374LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U474LS138NY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16~G2A4~G2B5十位个位U5NAND4U6NAND4U7A74LS00NU8A74LS04NVCC5VVCC5VU9A74LS00NU10A74LS04NU11A74LS04NU12A74LS00NU13NAND3U14NAND3U15A74LS00NU16A74LS04NU17A74LS04NV1400 Hz

5 V U18DCD_HEXU19DCD_HEXU2074LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U2174LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U2274LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U2374LS138NY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16~G2A4~G2B5十位个位U24NAND4U25NAND4U26A74LS00NU27A74LS04NU28A74LS00NU29A74LS04NU31A74LS00NU32NAND3U33NAND3U34A74LS00NU35A74LS04NU36A74LS04NU37DCD_HEXU38DCD_HEXU30A74LS04N53522428503829484746454443404241390VCC34333231301271322502322212019161817151210VCC76543东西南北265655U39A74LS04N8353649X1 2.5 VX2 2.5 VX3 2.5 V91114U40A74LS04N54X4 2.5 VX5 2.5 VX6 2.5 V375157

验证（静态验证和动态验证）：

静态验证：

两个方向状态的真值表（低电平有效）：

EW为东西方向，SN为南北方向。

某一个方向三个灯的输出波形（因为逻辑分析仪的问题，有一个方向始终调不出来，故此图不好反映两个方向的对比），其中绿灯线表示红灯，白色线表示绿灯，蓝色线表示黄灯（以低电平有效为标准）。

下面是南北方向上三个计数器（74LS161）的真值表（只采了部分数值）

交通灯课程设计实训报告

一、引言

随着城市化进程的加快，交通拥堵问题日益严重，交通信号灯作为城市交通管理的重要手段，对于提高道路通行效率、保障交通安全具有重要作用。为了让学生更好地了解交通信号灯的工作原理和设计方法，我们开展了交通灯课程设计实训。本文将对实训过程进行总结，并对设计成果进行分析。

二、实训目的

1. 熟悉交通信号灯的工作原理和设计方法；

2. 学会使用单片机进行交通信号灯控制；

3. 提高学生的实践能力和创新能力；

4. 培养学生的团队协作精神。

三、实训内容

1. 交通信号灯基本原理

交通信号灯主要包括红灯、黄灯和绿灯三种颜色，分别代表禁止通行、注意和允许通行。交通信号灯的基本工作原理是：通过单片机控制信号灯的亮灭，实现交通信号的变换。

2. 单片机交通信号灯控制系统设计

本实训采用AT89C52单片机作为核心控制单元，设计了一个十字路口交通信号灯控制系统。系统主要包括以下部分：

（1）硬件电路设计：包括单片机、信号灯模块、按键模块、数码管显示模块等。

（2）软件设计：主要包括初始化程序、主程序和中断服务程序。

3. 交通信号灯控制策略

（1）基本控制策略：南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。

（2）时间控制策略：绿灯亮20秒，黄灯亮4秒，红灯亮24秒。（3）手动/自动控制策略：通过按键切换手动/自动模式，实现交通信号灯的手动控制。

四、实训过程

1. 硬件电路搭建：按照设计要求，将单片机、信号灯模块、按键模块、数码管显示模块等硬件电路连接起来。

2. 软件编程：使用C语言编写单片机程序，实现交通信号灯的控制。

3. 系统调试：对系统进行调试，确保交通信号灯工作正常。

4. 优化设计：根据实际情况，对系统进行优化设计，提高系统性能。

五、实训成果

1. 成功设计并实现了十字路口交通信号灯控制系统。

2. 系统具有手动/自动控制功能，可满足实际交通需求。

交通灯设计实验报告

引言：

交通灯是城市交通管理中不可或缺的一部分，它们起着引导和控制车辆和行人流动的重要作用。然而，随着城市化进程的加快和交通流量的不断增加，传统的交通灯设计已经不能完全满足人们对交通效率和安全的需求。因此，在本次实验中，我们对交通灯的设计进行了一系列的改进和尝试，并进行了实地测试和数据分析。

一、设计目标和原则：

在进行交通灯设计之前，我们首先明确了设计的目标和原则。我们的目标是提高交通效率、减少交通拥堵、保障行人安全，并尽可能减少对环境的不良影响。在设计的原则上，我们遵循了以下几点：灵活性、可变性、可控性、可视性和可持续性。

二、设计改进一：智能感应系统

为了提高交通效率和减少拥堵，我们引入了智能感应系统。该系统通过使用传感器和计算机视觉技术，实时监测和分析交通流量，并根据实际情况调整交通灯的信号周期。例如，在交通流量较大的道路上，交通灯的绿灯时间会相应延长，以减少车辆排队等待的时间，提高交通效率。

三、设计改进二：行人优先信号

为了保障行人的安全，我们增加了行人优先信号。在传统的交通灯设计中，行人只有在车辆信号为红灯时才能过马路。然而，由于车辆流量大，行人常常需要等待较长时间才能过马路，容易引发不安全行为。因此，我们在交通灯上增加了行人信号灯，当行人信号为绿灯时，车辆信号为红灯，行人可以安全地过马路。这样一来，不仅提高了行人的安全性，也减少了行人与车辆的冲突。

四、设计改进三：倒计时显示

为了增加交通灯的可视性和可控性，我们在交通灯上增加了倒计时显示。倒计时显示可以让行人和车辆清楚地知道绿灯或红灯还有多长时间结束或开始，从而更好地掌握过马路的时间。这样一来，行人和车辆可以根据倒计时显示来合理安排自己的行动，减少等待时间和不必要的停车。

五、实地测试和数据分析

为了验证我们设计的改进是否有效，我们在城市的交通繁忙路口进行了实地测试，并收集了相关数据进行分析。通过对比实验组和对照组的数据，我们发现在采用智能感应系统、行人优先信号和倒计时显示的交通灯设计下，交通效率明显提高，车辆排队时间减少了30%，行人过马路的等待时间减少了40%。同时，交通事故发生率也有所下降。