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怎样去设计一种基于74LS190通行时间可调的两路***通灯

怎样去设计一种基于74LS190通行时间可调的两路***通灯？

如何对基于74LS190通行时间可调的两路***通灯进行优化并仿真？

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王东

2021-8-18 17:34:36
一、设计要求简述：
东西方向的红、黄、绿灯和南北方向的红、黄、绿灯按照正常的工作时序进行工作，黄灯亮时应为闪烁状态。
通行时间和黄灯闪亮时间可以在0-99秒内任意设定。
十字路口要有数字显示作为时间提示，以倒计时按照时序要求进行显示；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，直至减到数为“0”，十字路口红、绿等交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。
可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀状态。
二、方案论证（设计理念）
本次实验需要设计一个十字路口的交通灯控制电路。通过控制开关控制10进制加/减计数器74LS190的置数位，设计出符合题目要求的N进制倒计时计数器。然后通过逻辑分析和表达式化简将计数器的输出和控制开关的输入信号经过一些逻辑变换后作为交通灯的控制信号，这样的设计方式可基本完成实验结果。
三、过程论述
1.倒计时设计
1）芯片选用
由题目可知路口需要0~99的N进制的倒计时电路，而显示数码管的输入信号是分成十位和个位分别显示。所以计数芯片选用10进制加/减计数器74LS190，由2块74LS190级联设计成N进制的减计数器。
2）级联设计
查阅74LS190功能表可知，当计数方式控制端U’/D接高电平时，计数器进行减计数。因为74LS190的使能端CTEN’是低电平有效，所以将低位片的进位错位输出端MAX/MIN经过一个非门连接到高位片的使能端CTEN’能把两个计数器级联起来。
3）置数设计
实验需要的是N进制的减计数，设数N的十位个位分别为A1A0，所以计数器的输出应为（A1A0-1）→0→（A1A0-1），所以在计数器计数到0时，应控制置数位DCBA和置数使能端LOAD’将计数器置数为（A1A0-1），置数使能端的输入信号此时可由高位片的错位输出端MAX/MIN通过一个非门输入。

由仿真可知，74LS190是异步置数的，所以直接在0时置数为（A1A0-1）的话，计数就变为了（A1A0-1）→10→（A1A0-1），不符合预期情况。此时的解决办法是将置数位输入信号设为（A1A0+10），然后把高位片的输出信号进行减1操作，这样可以达到预期效果。高位片输出减1的电路可求出1的二进制补码（1111）后，由2进制超前进位全加器74LS283实现。
2.信号灯控制设计
信号灯的有效电平为高电平。
首先设置的是第一个路口绿灯和黄灯的交替点亮。
假设整个通行时间为0~A1A0，其中黄灯在B1B0→0点亮，绿灯在A1A0→B1B0点亮。
由要求可知，绿灯在计数为A1A0→B1B0时点亮，此时红灯和黄灯熄灭，黄灯在B1B0→0时点亮，此时绿灯和红灯熄灭。因为红灯在下一个计数周期才会点亮，所以先设计此计数周期绿灯和黄灯的交替点亮。
1）黄灯和绿灯设计
分析可知，绿灯变为黄灯的条件为计数值B1B0变为（B1B0-1），所以可以先让绿灯亮，把计数值n=B1B0作为黄灯亮，绿灯不亮的条件。绿灯亮与黄灯亮在一个技术周期内是互反的逻辑，所以可以在计数值n=B1B0时利用JK触发器设置一个T’触发器的翻转电路来控制绿灯和黄灯的点亮。
计数值n=B1B0的值为黄灯亮的时间，可由控制开关输入。可以由两片超前进位全加器74LS85D级联构成一个比较电路，比较N进制计数器的输出n和控制开关输入的黄灯点亮的时间B1B0，当比较相等的结果输出OAEQB作为T’触发器的CP。T’触发器的输出Q作为绿灯的输入，Q’作为黄灯的输入。
分析可知，当计数为0时会由黄灯亮变为绿灯亮，此时也会有一个翻转。所以再设置一个比较电路，比较计数器的输出n和值0，将相等的结果输出OAEQB，和刚刚上一个比较电路的相等输出进行或运算之后的结果作为T’触发器的时钟CP。

2）红灯设计
分析可知，红灯是在一个计数周期内点亮，在下一个计数周期又熄灭，相当于每经过一个计数周期就翻转一次。所以可以使用T’触发器的翻转功能实现。当计数值n=0时翻转，前面已经有计数器输出n和值0的比较结果，所以把此比较电路的输出OAEQB作为T’触发器的CP，触发器的输出Q作为红灯的输入。这样就可以得到红灯逻辑输入。

3）设计优化
因为在红灯点亮时，绿灯和黄灯都不亮，而刚刚设计的绿灯和黄灯在每个计数周期都会交替点亮。所以将红灯输入端的反与刚刚设计的绿灯的输入端经过一个与门，重新作为绿灯的输入端。黄灯同理。这样完成了一个路口红绿灯交替点亮的预期效果。（这里我把红灯对应触发器的输出Q’作为红灯的输入，保证绿灯先亮）
设绿灯和黄灯原先的输入分别为G0和Y0，优化后的输入分别为G和Y，红灯的输入为R。灯亮值为1，灯灭值为0，灯正常工作时为Q。得到交通灯真值表如下所示：

得到绿灯和黄灯输入的逻辑表达式为：
G = R’&G0
Y = R’&Y0

3.两个路口关联设计
分析可知，两个路口的红灯是分别在不同的计数周期内交替点亮的，所以第二个路口红灯的输入可由第一个路口红灯输入的反来得到。
绿灯和黄灯的输入端接法与第一个路口绿灯和黄灯的接法类似。取前面未和第一个路口红灯相与之前的绿灯和黄灯的对应的输入，和第二个路口的红灯相与之后就可得到。

4.夜间模式设计
夜间模式需要两个路口的黄灯闪烁，绿灯和红灯熄灭。设计一个开关来控制是白天模式还是夜间模式。开关闭合的时候为白天模式，开关断开的时候为夜间模式。
设绿灯和红灯原先的输出分别为G0和R0，加上开关控制后的输出分别为G和R。灯亮值为1，灯灭值为0，灯正常工作时为Q。开关闭合为1，开关断开为0。得到真值表如下所示：

得到绿灯和红灯输出的逻辑表达式为：
G = K&G0
R = K&R0
所以绿灯和红灯的控制可由开关与原来的绿灯和红灯的输入端通过一个与门来控制。
黄灯由分析可知，开关闭合的时候黄灯正常工作，开关断开的时候黄灯一直闪烁。
设黄灯原先的输出为Y0，加开关控制后的输出为Y，灯亮值为1，灯灭值为0，灯正常工作时为Q。开关闭合为1，开关断开为0。得到真值表如下所示：

得到黄灯输出的逻辑表达式为：

所以可将黄灯输入的反和开关经过一个与非门，得到的结果再和时钟CP经过一个与门之后得到新结果作为黄灯新的输入，这样可以达到预期效果。
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