交通灯控制系统 FPGA 设计 Verilog Quartus（2）

名称：交通灯控制系统 FPGA 设计 Verilog Quartus（2）

软件：Quartus

语言：Verilog

功能介绍

本设计实现了一个双向路口交通灯控制系统，使用 Verilog 编写，工程环境为 Quartus。系统面向主路与支路的交通信号控制，能够完成红、黄、绿三色信号灯的周期切换，并通过 4 位七段数码管显示主路和支路当前状态的倒计时。 正常运行时，交通灯按照固定相位循环：主路绿灯25秒、主路黄灯5秒、支路绿灯25秒、支路黄灯5秒。主路绿灯和黄灯期间，支路保持红灯；支路绿灯和黄灯期间，主路保持红灯，符合双向路口互斥放行的基本控制要求。 系统带有紧急按键输入 lock_key。当紧急信号有效时，主路与支路均进入红灯状态，适合模拟紧急车辆通行、异常路况处理等场景。紧急状态解除后，系统恢复正常相位运行。 显示功能使用 HEX0、HEX1、HEX2、HEX3 四个 8 位段码输出接口，分别显示主干道和支干道的倒计时信息。整体设计结构清晰，适合作为 FPGA 课程设计、Verilog 状态机练习、交通灯控制实验和数码管显示综合实验参考。

运行环境

开发语言：Verilog 开发软件：Quartus 仿真环境：ModelSim 工程顶层模块：traffic_light 主要文件：traffic_light.v、led.v、shumaguan.v、display.v、div.v、traffic_light.qsf 工程输出包含 SOF、POF、编译报告、时序分析报告、引脚报告等 Quartus 生成文件。

设计思路

系统采用分层模块化设计，将双向路口交通灯控制拆分为时钟分频、交通灯状态控制、倒计时数据处理和七段数码管显示几个部分。顶层 traffic_light 模块负责统一管理外部接口，并把 50MHz 系统时钟、紧急按键、主支路灯输出以及 HEX0-HEX3 数码管输出连接到各个功能模块。 核心控制思路基于有限状态机。正常模式下，系统按“主路绿灯25秒、主路黄灯5秒、支路绿灯25秒、支路黄灯5秒”的顺序循环运行；主路通行时支路保持红灯，支路通行时主路保持红灯，从而保证两个方向不会同时放行。每个阶段通过秒脉冲推进计数，并输出对应的 BCD 计时数据，供后级倒计时显示使用。 紧急处理由 lock_key 输入控制。当 lock_key 为高电平时，系统进入紧急状态，主路和支路均切换为红灯，计时过程暂停，避免继续执行正常相位切换；紧急状态解除后，系统从安全状态重新进入正常交通灯流程。 显示部分将主路和支路的剩余时间转换为数码管显示数据。shumaguan_data 模块根据当前灯色和对应计时值计算倒计时，display 模块再将 BCD 数据转换为 HEX0-HEX3 的七段段码，实现四位数码管的实时显示。

模块结构

工程主要由 traffic_light、led、div、shumaguan_data、display 等模块组成。 traffic_light：顶层模块，连接系统时钟、紧急按键、主支路红黄绿灯输出和四位数码管输出，并完成各子模块实例化。 led：交通灯核心控制模块，负责主路与支路的红、黄、绿灯状态切换、倒计时计数以及紧急状态处理。 div：时钟分频模块，将 50MHz 系统时钟分频为 1Hz 秒脉冲，为交通灯相位切换和倒计时提供时间基准。 shumaguan_data：倒计时数据处理模块，根据当前交通灯状态和计时数据生成主路、支路的 BCD 倒计时显示值。 display：七段数码管显示模块，将 BCD 数据转换为 HEX0-HEX3 的段码输出，实现主路和支路倒计时显示。

演示视频

演示视频展示了交通灯控制系统的运行效果，可用于直观看到主路、支路信号灯切换以及倒计时显示的联动过程。结合工程仿真结果，适合在下载前了解系统功能表现和交互效果。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

配套设计文档包含工程文件说明、程序文件说明、编译结果、RTL 图、Testbench、整体仿真图以及分频模块、控制模块、倒计时模块、显示模块的仿真说明。 整体仿真覆盖 clk、lock_key、主路红绿黄灯、支路红绿黄灯以及 HEX0-HEX3 数码管输出。仿真中可以观察到主路与支路按设定相位交替通行，数码管实时显示剩余时间；当 lock_key 为高电平时，系统进入紧急模式，主路和支路均显示红灯。 分频模块仿真验证了 50MHz 输入时钟到 1Hz 秒脉冲的转换。控制模块仿真展示了主路绿灯、主路黄灯、支路绿灯、支路黄灯的循环过程，以及主路红灯时间与支路绿灯加黄灯时间、支路红灯时间与主路绿灯加黄灯时间之间的对应关系。 倒计时模块仿真说明了主路和支路在红灯、绿灯、黄灯不同状态下的剩余时间计算方式。显示模块仿真展示了 BCD 数据到七段数码管段码的转换，支持数字 0-9 的显示，HEX3+HEX2 与 HEX1+HEX0 分别用于两路倒计时显示。

部分代码

以下展示顶层模块 traffic_light 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

module traffic_light(
input clk,//50Mhz
input lock_key,//紧急按键--按下均为红灯,为1紧急状态，为0正常状态
output main_red,//主路灯
output main_green,//主路灯
output main_yellow,//主路灯
output branch_red,//支路灯
output branch_green,//支路灯
output branch_yellow,//支路灯

output [7:0] HEX0,//（主干道）数码管0
output [7:0] HEX1,//（主干道）数码管1
output [7:0] HEX2,//（支干道）数码管2
output [7:0] HEX3//（支干道）数码管3
);

 wire clk_1Hz;
 wire [7:0] main_green_BCD;
 wire [7:0] main_yellow_BCD;
 wire [7:0] main_red_BCD;
 wire [7:0] branch_green_BCD;
 wire [7:0] branch_yellow_BCD;
 wire [7:0] branch_red_BCD;
 wire [7:0] main_data_out;
 wire [7:0] branch_data_out;
 
wire main_red_led;//主路灯
wire main_green_led;//主路灯
wire main_yellow_led;//主路灯

wire branch_red_led;//支路灯
wire branch_green_led;//支路灯
wire branch_yellow_led;//支路灯

assign main_red=main_red_led;//主路灯
assign main_green=main_green_led;//主路灯
assign main_yellow=main_yellow_led ;//主路灯

assign branch_red=branch_red_led;//支路灯
assign branch_green=branch_green_led;//支路灯
assign branch_yellow=branch_yellow_led ;//支路灯 

//分频模块
div div100
(
. clk(clk),
. clk_out(clk_1Hz)
);

//红灯时间30秒，绿灯时间25秒，黄灯时间5秒
//按键调整时间
wire [7:0]main_green_time;//由外部控制
wire [7:0]main_yellow_time;
wire [7:0]branch_green_time;//由外部控制
wire [7:0]branch_yellow_time;

assign main_yellow_time=8'd5;//主路黄灯时间设置为5秒
assign branch_yellow_time=8'd5;//支路黄灯时间设置为5秒
assign main_green_time=8'd25;//默认绿灯25秒
assign branch_green_time=8'd25;//默认绿灯25秒


///////////////////////////////
reg [7:0] display_main;
reg [7:0] display_branch;

////////////////////////////////
//交通灯控制模块
led led(
. clk_1Hz(clk_1Hz),
. lock_key(lock_key),//紧急按键,为1紧急状态，为0正常状态

. main_red(main_red_led),//主路灯
. main_green(main_green_led),//主路灯
. main_yellow(main_yellow_led),//主路灯

. branch_red(branch_red_led),//支路灯
. branch_green(branch_green_led),//支路灯
. branch_yellow(branch_yellow_led),//支路灯

. main_green_time(main_green_time),
. main_yellow_time(main_yellow_time),
. branch_green_time(branch_green_time),
. branch_yellow_time(branch_yellow_time),

. main_green_BCD(main_green_BCD),//绿灯时间计数
. main_yellow_BCD(main_yellow_BCD),//黄灯时间计数
. main_red_BCD(main_red_BCD),//红灯时间计数
. branch_green_BCD(branch_green_BCD),//绿灯时间计数
. branch_yellow_BCD(branch_yellow_BCD),//黄灯时间计数
. branch_red_BCD(branch_red_BCD)//红灯时间计数
);

//显示数据生成模块（倒计时）
shumaguan_data shumaguan_data(
. clk(clk),

. main_red(main_red_led),//主路灯
. main_green(main_green_led),//主路灯
. main_yellow(main_yellow_led),//主路灯

. branch_red(branch_red_led),//支路灯
. branch_green(branch_green_led),//支路灯
. branch_yellow(branch_yellow_led),//支路灯

. main_green_BCD(main_green_BCD),//绿灯时间计数
. main_yellow_BCD(main_yellow_BCD),//黄灯时间计数
. main_red_BCD(main_red_BCD),//红灯时间计数
. branch_green_BCD(branch_green_BCD),//绿灯时间计数
. branch_yellow_BCD(branch_yellow_BCD),//黄灯时间计数
. branch_red_BCD(branch_red_BCD),//红灯时间计数

. main_green_time(main_green_time),
. main_yellow_time(main_yellow_time),
. branch_green_time(branch_green_time),
. branch_yellow_time(branch_yellow_time),

. main_data_out(main_data_out),//主路数码管数据显示
. branch_data_out(branch_data_out)//支路数码管数据显示
);
// ... 以下代码略，完整源码请下载压缩包查看

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