主次干道红绿灯设计（数电综设）

一、前言

综述：
本设计是基于74LS系列芯片设计的主次干道红绿灯设计。随着生活水平的提高，家庭汽车拥有量越来越多，城市交通堵塞问题越来越严重，解决城市的交通拥挤问题越来越紧迫。交通灯在这个交通环境中起着一个重要的角色，是交通管理部门管理交通的重要工具。十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。智能的交通灯能有效地缓解城市的交通压力，减少交通事故；为人民节省大量出行时间，创造出更多的社会价值。本文运用数字电路理论知识自行设计一个较为完整的小型数字系统。通过系统设计、Multisim软件仿真、电路安排与调试，在此次设计中学会初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，以及提高实际应用水平。

二、实验设计方案

1、时钟产生电路
本次设计采用NE555芯片进行信号的产生。本次设计的时钟频率固定，为1HZ。 OUT脚输出时钟信号。经过测试，若采用下图所示元件数值，电容采用电解电容效果最好，使用贴片电容频率容易变快。
仿真图如下所示：

2、数码管显示电路
主次干道各有两位数字显示的数码管，用于显示红绿灯时间。时间显示为倒计时模式。所用的计数芯片为74LS190，一个控制个位，另一个控制十位。数码管为共阳极类型。数码管驱动芯片为74LS47D。对于190芯片的置数，采用拨码开管的形式，开关接通时为0，断开时为1。
74LS190：

ABCD为置入的数，当LOAD为电平时置入，十位的芯片CLK脚接到个位的RCO脚，个位为变为9时产生高电平触发信号，实现个位减到0，十位减1。

图中74LS245芯片是为了红绿灯交换。
数码管：

在仿真时采用0.3k电阻，实际上采用1k电阻。

主次干道的4个数码管采用两片190计时。本次采用的是共阳极数码管。
74LS47D：

3、4、5脚均接高电平，OA_{OG接数码管，A}D输入信号。
3、红绿黄灯控制逻辑电路
红绿黄灯均采用贴片LED，主次干道各有R、G、Y三个LED灯。实现的功能为：主干道红灯亮时，次干道绿灯亮完后黄灯亮；次干道红灯亮时，主干道绿灯亮完后黄灯亮。
下面的真值表中RGY表示主干道的灯；rgy表示次干道的灯。Q1、Q2、Q3表示控制灯的输入信号。
主干道真值表如下：
Q1 Q2 Q3 Y G R
0 0 0 0 1 0
0 0 1 0 1 0
0 1 0 1 0 0
0 1 1 0 1 0
1 0 0 0 0 1
1 0 1 0 0 1
1 1 0 0 0 1
1 1 1 0 0 1

算得:
① R= Q1
② G= Q1’Q2’+Q1’Q3
③ Y= Q1’Q2Q3’
用门电路设计如下所示:
次干道真值表如下：
Q1 Q2 Q3 y g r
0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 1
0 1 0 0 0 1
0 1 1 0 0 1
1 0 0 0 1 0
1 0 1 0 1 0
1 1 0 1 0 0
1 1 1 0 1 0
算得：
r=Q1’
g=Q1(Q3+Q2’)
y=Q1Q2Q3’
用门电路设计如下所示:

4、Q1设计电路
采用74LS163来产生Q1。74LS163可以产生0、1的循环，当为1时
主干道亮红灯，当为0时，次干道亮红灯，信号输出端QA即为Q1
，当数码管由99变为其他数字时，给163的时钟端一个高电平触发
信号。例如，主干道红灯亮完后，数码管在一瞬间变为99，再变为其
他数字，这时163由1变为0，次干道亮红灯。
74LS163：

LOAD置数端连接到QA‘端可以产生使QA输出01循环。输出的01
循环用来控制使能那个245芯片，形成红绿灯切换。

5、Q2设计电路
Q2为74LS85芯片的OALTB输出信号端。当Q2为1时表示此时显
示的个位数码管时间小于某一个数，是黄灯亮的一个条件。为了实
现黄灯时间可调，加入了拨码开关。
74LS85：

当A0A1A2A3四位二进制数小于B0B1B2B3组成的四位数时，OALTB
输出1，否则输出0。
电路如下所示：

6、Q3设计电路
Q3为十位190芯片的RCO’。当190四个输出为0时，Q3为0，当
190四个输出不为0时，Q3为1。
电路如下所示：

7、黄灯闪烁电路
为了起到警戒作用，黄灯闪烁，有利于提醒红灯即将亮起。
黄灯闪烁采用数据选择器来实现。

当满足黄灯亮时，U14D输出秒时钟信号。
8、紧急开关电路
紧急情况下可以手动闭合开关，使得主次干道上的红灯均亮，并且数
码管数字与红灯均闪烁。为了不影响原先设定的逻辑电路，采用
74LS245来实现这个功能。
74LS245：

DIR控制数据从A到B还是从B到A。接高电平表示从A到B。G为
使能端。
电路如下所示：

当S4开管未闭合时，左边245芯片工作，右边245芯片输出高电平；
闭合时，右边工作，左边不工作，在右边对应GgYy的信号接地，对
应Rr的信号接秒时钟信号可以实现红灯闪烁。

左边工作，数码管共阳极一直高电平，右边工作，数码管共阳极接秒
时钟信号。
9、PCB画板与打板
采用Multisim仿真，Altium Designer画板的方案。将仿真好的电路
图导出网表，将网表添加到PCB工程，显示差异后即可转换成PCB。

三、实验方法

主要仪器设备：电烙铁等焊接工具、示波器、万用表。
实验步骤：先焊接时钟电路，用示波器观察是否由波形输出。再焊接
数码管电路，观察是否有数字显示。最后全部焊接完成，测试。

四、实验结果分析和讨论

按照实验步骤测试，结果是时钟电路输出正常，数码管显示正常，但
是黄灯不会亮，只有红绿灯交替。初步判端有可能是Q2或者Q3出
错。

五、结论

检查方法：分别测试Q1、Q2、Q3是否正常输出。
结果：最后发现Q3输出不正常，虽然仿真出来没有问题，但是实际
上RCO只有在变为输出9时才会输出0，其他时间均输出1。
解决方法：将Q3接到(MAX/MIN)’端。

六、心得体会

①仿真要一步一步做，循序渐进，这样不会导致出错的时候排查困难
的问题。
②要注意仿真与实际的区别，必要时在打板前先用芯片测试一下。比
如：仿真实验中，555芯片产生的时钟信号不是正常的。但在实际电
路中是正常的。
③仿真时，高阻态可能是高电平，也可能是低电平，实际上也是，实
际中高阻态并不是直接断开。
④ 在转成网络表时，会出现某些元件出现没有连线的情况，要仔细检
查一遍。出现这种情况的原因是Multisim的元件引脚与实际封装引脚不一致。
比如，Multisim中发光二极管0805封装的引脚为A和C，而实际引脚为1和2；
Multisim中数码管的公共端为3脚和8脚，而实际上为1脚和6脚。

附录：
1、完整仿真图：

2、完整转PCB的仿真图：
图中的555芯片（Multisim中没有封装）和usb接口用其他元件代
替，只要管脚连接正确，在画PCB时就不会出错。

最后，附上完整pcb+multisim的pcb图和multisim仿真图购买链接