交通灯设计电路

1、华 南 农 业 大 学电子线路综合设计交通灯控制电路设计陈凌浩 王向聪 张雄2011级班级：电子类9班 组别：3组指导老师：薛秀云2013年6月20日摘 要本课题是关于交通灯控制电路的设计。本文从课程设计的题目出发，设计了一个南北方向、东西方向十字路口的交通灯控制电路。首先进行了进行交通灯状态变换的分析和交通灯总体框架的设计，接着提出了两种电路设计方案，最后通过优劣比较选择了方案二：先先设计倒计时显示器按规律运行的电路，再通过倒计时电路的信号来控制交通灯的状态变换。本交通灯控制电路采用74LS193芯片可预置四位二进制双时钟可逆计时器实现计数功能，并通过一系列集成逻辑门电路芯片控制红绿灯的交替

2、显示。1Hz方波脉冲由555定时器产生；用两块74LS193芯片实现倒计时，一块显示十位，一块显示个位，相应的数字显示电路由两块CD4511芯片和7段显示器组成;用2个D触发器（74LS74芯片）实现30s,20s,5s时间的转换；利用倒计时电路控制交通灯的4个状态;最后通过相应的逻辑门控制红灯、黄灯、绿灯的亮灭。关键词：交通灯 触发器 状态控制电路The Design of Digital Control Circuit for Traffic LightChen Linghao, Wang Xiangcong,

3、 Zhang Xiong（College of Engineer, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China）Abstract：This topic is about the design of traffic lights control circuit. Starting from the topic of curriculum design, designed a north-south direction and east-west intersection traffic lights control c

4、ircuit.Basing on the analysis of the traffic light state transform and traffic light overall frame design ,this paper puts forward two kinds of circuit design, and finally choose the solution 2 by comparing advantages and disadvantages. Firstly ,design the countdown display according to the law of o

5、peration circuit, and then use the countdown circuit signals to control the traffic light state transformation.The traffic lights control circuit adopts 74LS193 clip which can be preset four binary reversible double clock timer to realize counting function, and use a series of integrated logic gate

6、clips to control traffic lights for alternate display. 1 Hz square-wave pulse can be generated by the 555 Timer. Using two pieces of 74LS193 clips to countdown, one displays tens digit , the other displays units digit , and the corresponding digital display circuit is composed of two CD4511 chips an

7、d 7 segment display. Using two D triggers(74LS74 clip) to realize time transformation of 30s, 20s and 5s,also using the countdown circuit to control the four states of traffic light. Finally, using the corresponding logic gates to control whether the red light, yellow light or green light lights out

8、 or not.Key word: traffic lights trigger  State control circuit目 录1 设计任务12 交通灯控制电路设计12.1 交通灯控制电路分析12.1.1 交通灯运行状态分析12.1.2 电路工作原理图22.1.3 方案选择22.2 电路设计32.2.1 脉冲电路32.2.2 倒计时电路32.2.3 状态控制电路5 2.2.4 灯显示电路62.2.5 译码显示电路72.2.6 蜂鸣器报警电路82.2.7 软件仿真电路图83 实验数据和误差分析94 结论95 课程设计的收获、体会和建议9参考文献10附录11致谢141 设计

9、任务一、设计任务： （1）要求主干道（南北方向）车道和支干道（东西方向）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30秒、支干道每次通行间为20秒； （2）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示（采用倒计时的方法）； （3）在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道； （4）黄灯亮时，要求每秒闪亮一次； （5）同步设置人行横道红、绿灯指示。二、设计相关提示：所设计的交通路口为一十字路口，不涉及左右转弯问题。2 交通灯控制电路设计2.1 交通灯控制电路分析2.1.1 交通灯运行状态分析 交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，

10、分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯的运行状态共有四种，分别为： 状态0：主车道的绿灯亮，主人行道的绿灯亮；支车道的红灯亮，支人行道的红灯亮； 状态1：主车道的黄灯闪，主人行道的红灯亮；支车道的红灯亮，支人行道的红灯亮； 状态2：主车道的红灯亮，主人行道的红灯亮；支车道的绿灯亮，支人行道的绿灯亮； 状态3：主车道的红灯亮，主人行道的红灯亮；支车道的黄灯闪，支人行道的红灯亮；这4种状态循环往复，并且车道红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。交通灯电路的具体

11、运行状态如表1所示：表1 交通灯运行状态状态主干车道红黄绿主人行道红绿支干车道红黄绿支人行道红绿0灭灭亮灭亮亮灭灭亮灭1亮闪灭亮灭亮灭灭亮灭2亮灭灭亮灭灭灭亮灭亮3亮灭灭亮灭灭闪灭亮灭2.1.2 电路工作原理图交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图1所示，如脉冲电路、计数电路、倒计时电路、状态控制电路、灯显示电路、译码器、数码管显示电路等。计数电路时基脉冲电路倒计时电路蜂鸣器报警电路状态控制电路译码器彩灯显示电路数码管显示电路图1 交通灯控制电路功能模块框图2.1.3 方案选择交通灯控制电路分电路如图1，对于状态控制电路，有如下两种方案：方案一：根据题目，主支干道红绿灯分时亮可以分成四种状态

12、。这四种状态可由计数器输出的两个低位来表示，使用数据选择器，将由计数器产生的表明四种状态的信号Q2和Q1接到数据选择器的地址代码端，数据选择器输出再加上相关的门电路，可实现彩灯显示的循环变化。方案二：通过逻辑推导，根据各彩灯的逻辑表达式选用各种基本的门电路，如与非门，来产生一个满足要求的信号。将由计数器产生的表明四种状态的信号Q2和Q1直接接到相关的逻辑门电路中，用简单的逻辑门组合电路实现对彩灯显示电路的控制。但是用到的器件比较多，而且布线较复杂。所以不采用这个方案。方案1，2均符合设计的要求，但方案一虽然电路相对简单但跟方案二相比需要额外的数据选择器芯片，相比之下需要比较多的芯片。而方案2直

13、接用相关的逻辑门组合电路，虽然相对复杂，但经过实测，能充分利用芯片，使用更少的芯片完成电路设计。综上所述，选择方案2来设计具体的电路。2.2 电路设计2.2.1 脉冲电路利用555定时器组成多谐振荡器，输出1Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。参数的设定参照指导书本的公式，经过调试，得出可实现1Hz矩形方波信号。 公式和具体参数如下：即取R1=10kW，R2=30 kW，C=22uf,可实现调出1Hz,占空比为50%的矩型方波。555定时器构成的方波发生电路如图2所示：图2 脉冲电路2.2.2 倒计时电路作为十字路口红绿灯交通灯系统，倒计时要有数字显示。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，

14、然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数为5和0，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。根据题目的要求南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30秒、支干道每次通行时间为20秒。也就是一个循环是50秒，如此先显示30秒后显示20秒倒计时，然后再显示30秒倒计时。设计时采用两块74LS193，一块是显示十位，一块是显示个位。个位接成十进制，从9开始倒计时，当到达0时，向高位发出一个借位信号，再继续从9倒计时。一开始使十位数置数为3，二进制为0011，个位数为0，二进制为0000，此时个位产生一个借位信

15、号给十位的脉冲输入端，十位的74LS193芯片倒计时一次，结合个位的设置，电路从30开始倒计时。当主车道绿灯亮了25秒，倒计时也已经数到了5了，此时，个位显示5，十位显示0，主车道的绿灯熄灭，主车道的黄灯开始倒计时闪亮5秒，当倒计时到0后，个位芯片74LS193发出一个借位信号，向高位借数，但是高位已经是0了，按照要求此时十位应该是从0翻转2，即二进制0010，为了实现这功能，通过研究十位的二进制数发现，十位的二进制是从0011、0010、0001到0000计数完，翻转为二进制0010，然后从0010、0001到0000倒计时，当到0000后就结束一个循环，又从0011开始新的一个循环。从二进

16、制0011和0010两个不同的预置数，发现可以用1个D触发器74LS74接成T触发器并把Q端接至十位倒计时的最低位来完成这个功能。高位产生借位信号时将Q端的信号置入，当这个借位信号（低电平）消失后，产生一个上升沿的脉冲信号，使T触发器翻转然后保持，下一个借位信号来时就把此时的Q值置入（此时Q值为原来的非，即由0变1或由1变0），然后翻转。通过以上置数方式可实现0011和0010的交替置入。另外，通过在特定时刻（倒计时高位由0000变为0010后）对T触发器进行清零，可实现主次干道通行时间的调整。据此设计倒计时电路如图3所示：图3 倒计时电路2.2.3 状态控制电路用倒计时控制灯的变化，先将状态

17、0、1、2、3编码为00、01、10、11，当倒计时为30、20、5的时候产生一个信号给状态转换的电路，利用边沿触发，此时用计数器表示状态，取其低两位的计数态00、01、10、11为灯的状态，这样的话，来一个边沿信号就能使计数器加一，实现上述四状态转换。则状态控制电路信号转换表如表2所示：表2 状态控制电路信号转换表十位个位状态转换信号电平变化001100000010000000000101由表得出CP为上升沿时的表达式：用与非门和非门实现电路图如图4：图4 状态控制电路2.2.4 灯显示电路把控制的脉冲接入计数器74LS193的非减数的脉冲端，因为脉冲主要有四个，四个为一个循环，只取计数器的

18、低位两位即可，除了让计数器工作的接入端需要接电平外，其他端都不用接，计数器的低位两位即可组成00、01、10、11四种状态。用、表示主干道车道的绿灯、黄灯、红灯，、表示主干道人行道的绿灯、红灯；用、表示支干道车道的绿灯、黄灯、红灯，、表示支干道人行道的绿灯、红灯，交通灯的亮灭用高低电平，亮为1，灭为0表示，得出状态表如表3所示：表3 灯显示电路状态表状态主车道支车道主人行道支人行道 000 0 11 0 00 11 0010 0 10 1 00 10 1101 0 00 0 11 00 1110 1 00 0 10 10 1由表得各交通灯的逻辑表达式：主车道：支车道：根据课题要求，倒计时达到5

19、s时，黄灯要有规律的闪动。那么把控制主、支干道的黄灯前加入一个与门，与时钟脉冲同步即可达到1Hz频率闪动的效果，具体灯显示电路如图5所示：图5 灯显示电路2.2.5 译码显示电路CD4511芯片可以把8421BCD码的二进制数译成七段输出a、b、c、d、e、f、g，用以驱动共阴极数码管。根据倒计时电路输出的电平信号可以利用CD4511芯片完成相应的数字显示。译码显示电路如图4所示：图6 译码显示电路2.2.6 蜂鸣器报警电路当车道通行时间到最后5秒时，蜂鸣器开始鸣响报警，每一秒钟响一次，持续5秒。蜂鸣器导通的有效信号与两车道的黄灯的闪烁的有效信号一致，故可将两车道黄灯前的信号引出接入蜂鸣器电路

20、的输入端，为避免两输入信号直接相连干扰黄灯的正常显示，用两个二极管将两信号隔离开。蜂鸣器报警电路图7所示：图7 蜂鸣器报警电路2.2.7 软件仿真电路图图8 交通灯控制电路3 实验数据和误差分析1、脉冲电路产生的脉冲的20个周期是22.2秒。产生误差的原因是电阻电容值与标称值存在一定误差，因此脉冲电路产生的周期超过1秒。2、调试中发现倒计时的过程中，从20倒计时至00，再变为30时，数码管闪现30,然后跳到29,或是从30倒计时至00变为20，数码管闪现20，然后跳到19。产生误差的原因是十位计数器跟个位计数器都在同一个脉冲里发生借位，而十位计数器是在个位计数器借位之后再变化，即一个脉冲上升沿

21、到达个位计数器约半个脉冲周期之后，十位计数器再发生借位。因此数码管的十位显示“2”或“3”约半秒后就跳到下一个显示状态。3、交通灯电路起始时间显示为28,，不符合要求。这是是因为555定时器构成的多谐振荡器在上一次工作中，电容储存了一定的电能。解决方法是把电路稍加放电，此交通灯电路即可恢复正常工作。4 结论倒计时电路和译码器显示电路工作正常，各灯的运行状态符合课题要求。555定时器构成的多谐振荡电路产生的脉冲周期跟标准值之间有微小的误差和倒计时器在状态周期转换时会出现显示的误差，但这不会影响到整体电路的正常工作，5 课程设计的收获、体会和建议日常从书本学习的知识只局限于理论知识，跟实际运用相比较还有很大的区别。通过课程设计，可以把课堂上学到的理论知识运用到实践中。实践是检验真理的唯一标准。因此在课程设计过程中，我们可以检验我们所学到的科学性，也可以检验自己是否正确的理解了理论知识，可以说本次课程设计是数字电子技术基础跟电工电子实践的完美结合。通过此次劳动，深刻体会到团队合作的重要性。分工的明确与齐心合力是最有效率的工作途径，对于疑点难点，要善用身边资源，比如老师、同学或网络资源，虽然主张攻关难点，但没必要花费大量时间纠结一个小问题。平时电子专业的学习生涯可能感觉是枯燥无味的，但通过课程设计将会使学生深刻了解元器件的使用方法和应用场合，这会很好效率的促进学习。学校应该鼓励学生进行