交通灯控制逻辑电路设计

1、 数字电子技术数字电子技术 课课 程程 设设 计计 题题 目目 交通灯控制逻辑电路设计交通灯控制逻辑电路设计 系系 ( (部部) ) 信息工程系信息工程系 班班 级级 1111 通信通信 1 1 班班 姓姓 名名 学学 号号 指导教师指导教师 20132013 年年 7 7 月月 1 1 日至日至 7 7 月月 7 7 日日 共共 1 1 周周20132013 年年 7 7 月月 5 5 日日课程设计成绩评定表课程设计成绩评定表出勤天数 出勤情况缺勤天数出勤情况及设计过程表现（20 分）课设答辩（20 分）说明书（20 分）设计成果（40 分）成绩评定总成绩（100 分）提问（答辩）问题情况综

2、合评定 指导教师签名： 年 月 日课程设计说明书课程设计说明书目录1 引言.11.1 功能要求 .11.2 总体方案设计 .12 设计原理.22.1 白天工作模式 .22.2 夜晚工作模式和总设计图 .23 总体设计.33.1 单元电路 .33.1.1 秒脉冲产生电路 .33.1.2 信号灯转化器 .43.1.3 JK 触发器.53.1.4 倒计时计数器 .63.1.5 倒计时计数器与信号灯转化器的连接 .73.1.6 黄灯闪烁控制 .83.1.7 白天夜间模式的转换 .93.2 时序仿真结果 .93.2.1 白天工作模式 .93.2.2 夜间工作模式 .104 仿真软件简介.125 设计总结

3、.136 参考文献.147 附录.15课程设计说明书课程设计说明书11 引言城市十字交叉路口为确保车辆、行人安全有序地通过，都设有指挥信号灯。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显效果。因此如何采用合适的方法，使交通信号灯的控制与交通疏导有机结合，最大限度缓解主干道与匝道、城市同周边地区的交通拥堵情况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门以待解决的主要问题。以下就一个简单的交通灯控制系统的电路原理、设计和仿真测试等问题来进行具体分析。1.11.1 功能要求功能要求要求东西方向的红、黄、绿灯和南北方向的红、黄、绿灯按照上面的工作时序进行工作，

4、黄灯亮时应为闪烁状态；1)南北和东西车辆交替进行，各通行时间 24 秒2)每次绿灯变红灯时，黄灯先闪烁 4 秒，才可以变换运行方向3)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；4)可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀状态(选作：通行时间和黄灯闪亮时间可以在 0-99 秒内任意设定)1.2 总体方案设计依据功能要求，交通灯控制系统应主要由秒脉冲信号发生器、倒计时计数器电路和信号灯转换器组成，原理框图如图 1.1.1 所示。秒脉冲信号发生器是该系统中倒计时计数电路和黄灯闪烁点控制电路的标准时钟信号源。倒计时计数器输出两组驱动信号 T5 和 T0，分别为黄灯闪烁和变换为红灯的

5、控制信号，这两个信号经信号灯转换器控制信号灯工作。倒计时计数电路是系统的主要部分，由它控制信号灯转换器的工作。秒脉冲发生器倒计时计数器信号灯转换器 G Y R G Y R 白天工作模式夜间工作模式课程设计说明书课程设计说明书2图 1-1 交通信号灯的逻辑框图2 设计原理2.1 白天工作模式图 2-1 信号指示灯白天工作流程图2.2 夜晚工作模式和总设计图 南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮。因此总设计图如下图所示：图 2-2 总设计图东西信号灯南北信号灯组合逻辑电路计数器分频器秒脉冲产生电路系统电源工作方式控制开关南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，各 20 秒。南北方向黄灯闪亮 4

6、 秒，东西方向红灯亮 4 秒。南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，各 20 秒。南北方向红灯亮 4 秒，东西方向黄灯闪亮 4 秒。课程设计说明书课程设计说明书33 总体设计3.1 单元电路3.1.1 秒脉冲产生电路秒脉冲产生电路的功能是产生标准秒脉冲信号，主要由振荡器和分频器组成。振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的进度决定了计时器的准确度，可由石英晶体振荡电路或 555 定时器与 RC 组成的多谐振荡器构成。一般来说，振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大，故在设计时，一定根据需要设计出最佳电路。石英晶体振荡器具有频率准确、振荡稳定、温度系数小的特点，但如果精度要求不高的时候

7、可以采用 555 构成的多谐振荡器。振荡周期与频率的计算公式为：T=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C,电源电压为Vcc=12V，其中电路图中 C1的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，课程设计中要求输出 T=1S，选取电容为 C=10nF，R1=28.86M，根据振荡周期计算，选择电阻 R2=57.72M。用 multisim 进行仿真，仿真图如图所示：555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI28.86MR157.72MR2100Rl10nFC10nFCfVDD12VVs0636261VDD64图 3-1 555 构成的多谐振荡器此电路

8、就可以产生脉冲频率为 1 赫兹的脉冲。以下对 555 定时器进行简介：课程设计说明书课程设计说明书4NE555 是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。NE555 的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲 。图 3-2 555 定时器内部逻辑电路3.1.2 信号灯转化器信号灯状态与车道运行状态如下：S0:东西方向车道的绿灯亮，车道通行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；S1:东西方向车道的黄灯亮，车道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；S2:东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道通行；S3：东西

9、方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道缓行。用以下 6 个符号来分别代表东西（A） 、南北（B）方向上个灯的状态：GA=1: 东西方向车道绿灯亮；YA=1：东西方向车道黄灯亮；RA=1：东西方向车道红灯亮；GB=1：南北方向车道绿灯亮；YB=1：南北方向车道黄灯亮；课程设计说明书课程设计说明书5RB=1：南北方向车道红灯亮。 实现信号灯的转换有多种方法，现采用比较典型的方法进行设计，实现信号灯的转换工作。若选用 JK 触发器，则原理如下。3.1.3 JK 触发器设状态编码为 S0=00,S1=01,S2=11,S3=10,其输出为 Q1，Q2，则其与信号灯状态关系如表 31

10、 所示。表 3-1 状态编码与信号灯关系表现态次态输出Q0 Q1 0 0 0 1 1 1 1 0Q0* Q1* 0 1 1 1 1 0 0 0GA YA RA GB YB RB 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0可以得出信号灯状态的逻辑表达式： GA =Q1Q0 YA =Q1Q0 RA =Q1 GB =Q1Q0 YB =Q1Q0 RB=Q1JK 触发器的输出状态是与 J 输入端的状态相同的，同时分析表 3-1，触发器 0 的现态与触发器 1 的次态相同，触发器 1 的现态与触发器 0 的次态相反，因此可以将触发器 0 的输出端 Q、Q

11、 （现态）分别接触发器 1 的 J、K 输入端（次态） ，触发器 1 的输出端 Q、Q （现态）分别接触发器 0 的 K、J 端（次态） ，取触发器 0 为 、触发器 1 为 ，连接后的电路如下图所示：U1A7473N1J141CLK11Q121K31CLR21Q13U1B7473N2J72CLK52Q92K102CLR62Q8U2A7408NU2B7408NU2C7408NU2D7408NU4B7408NU4C7408NGa12.5 V Ya12.5 V Ra1 2.5 VGb12.5 V Yb12.5 V Rb12.5 V VCC5V3710VCC11GNDJ9 = SpaceVCC5VR

12、15k555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI28.86MR157.72MR2100Rl10nFC10nFCfVDD12VVs0525150VDDU13A7404NU26A7408N222U15A7432N1U14B7408N3740U19A7408N3138U14A7408N842U16A7432NU17B7408N439U18A7408N64546GND4144VCC394712图 3-3 JK 触发器连接的电路图课程设计说明书课程设计说明书63.1.4 倒计时计数器十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们更直观的把握时间。具体工作方式为：当某方

13、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，直至减到数位“4”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。在倒计时过程中计数器还向信号灯转换器供模 4 的定时信号 T4 和模 0 的定时信号 T0，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红灯的变换。 倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。 根据要求，采用两片 74190 芯片构成计数器，因为 74190 是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能、保持功能。采用两片 74190 芯片可设计成 0099 的百进制计数器，再根据线路连接的改变将其连接成 24 进制计数

14、器。 74190 没有专用的清零输入端，但可以借助 QD、QC、 QB、 QA 的输出数据间接实现清零功能。其功能表如下图所示：表 3-2 74190 的功能表CTEN D/U CLK LOADA B C D QA QB QC QD 0 A B C D 0 1 1 减计数 0 0 1 加计数 1 1 0 0 0 0 要实现 24s 的倒计时，需选用两个 74190 芯片级联成一个从 99 到 00 的计数器，其中作为个位数的 74190 芯片的 CLK 接秒脉冲发生器，再把个位数74190 芯片输出端 QD 用一个与门连起来，再接在十位数 74190 芯片的 CLK 端。当个位数减到 0 时，

15、再减 1 就会变成 9，0（0000）和 9（1001）之间的 QA 、QD 同时由 0 变为 1，把 QA 、QD 起来接在十位数 74190 芯片的 CLK 端，此时会给十位数 74190 芯片一个脉冲数字减 1，相当于借位。则又 74190 芯片的功能性质可知，当个位数 74190 的 C 管脚和十位数 74190 的 B 管脚同时置1，CTEN 端接低电频，加/减计数控制端 D/U 接高电频实现减计数，预置端 LOAD接高电频时计数，接低电频时预置数。因此，工作开始时，LOAD 为 0，计数器预置数，置完数后，LOAD 变为 1，计数器开始倒计时，当倒计时减为 00 时，LOAD 又变

16、为 0，计数器又预置数，如此循环下去。则连接后的电路如下图所示：课程设计说明书课程设计说明书7U5DCD_HEX_YELLOWU7DCD_HEX_YELLOWVCC5VU374190NA15B1C10D9U/D5QA3QB2QC6QD7CTEN4LOAD11RCO13MAX/MIN12CLK14U674190NA15B1C10D9U/D5QA3QB2QC6QD7CTEN4LOAD11RCO13MAX/MIN12CLK14U8A4002BD_5VU8B4002BD_5VU4A7408NU4D7408NU11A4001BD_5VU9A7400NU12A7432NU10A74LS21NJ1J2J3J

17、4J5J6J7J8212320242526272829303334353632U23DCD_HEX_DIG_REDU24DCD_HEX_DIG_RED0U25A7404NVCC131415161957581718图 3-4 倒计时计数器电路3.1.5 倒计时计数器与信号灯转化器的连接倒计时计数器向信号灯转换器提供定时信号 T4 和定时信号 T0 以实现信号灯的转换。TO 表示倒计时减到数“00”时（即绿灯的预置时间，因为到“00”时，计数器重新置数） ，此时给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。接法为：把个位、十位计数器的输出端 QA、QB、QC、QD

18、 分别用一个 4 输入或非门连起来，再把这两个 4 输入或非门的输出用一个与门连起来。T4 表示倒计时减到数“04”时，给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯的变为黄灯，红灯不变。接法为：当减到数为“04” （0000 0100）时，把十位计数器的输出端 QA、QB、QC、QD 用一个 4 输入或非门连起来，个位计数器的输出端 QB、QD 用一个两输入或非门连起来，再把这两个或非门与个位计数器的的输出端 QA、QC用一个 4 输入与门连接起来。最后将 T4 和 T0 两个定时信号用或门连接接入信号灯转换器的时钟端。则连接图如下图所示： 课程设计说明书课程设计说明书8U1A7473N1J

19、141CLK11Q121K31CLR21Q13U1B7473N2J72CLK52Q92K102CLR62Q8U2A7408NU2B7408NU2C7408NU2D7408NU4B7408NU4C7408NGa12.5 V Ya12.5 V Ra1 2.5 VGb12.5 V Yb12.5 V Rb12.5 V VCC5V3710VCC11U5DCD_HEX_YELLOWU7DCD_HEX_YELLOWVCC5VU374190NA15B1C10D9U/D5QA3QB2QC6QD7CTEN4LOAD11RCO13MAX/MIN12CLK14U674190NA15B1C10D9U/D5QA3QB2Q

20、C6QD7CTEN4LOAD11RCO13MAX/MIN12CLK14U8A4002BD_5VU8B4002BD_5VU4A7408NU4D7408NU11A4001BD_5VU9A7400NU12A7432NU10A74LS21NJ1J2J3J4J5J6J7J8212320242526272829303334353632GNDJ9 = SpaceVCC5VR15kU23DCD_HEX_DIG_REDU24DCD_HEX_DIG_RED0U25A7404NU13A7404NU26A7408N222U15A7432N1U14B7408N3740U19A7408N3138U14A7408N842U

21、16A7432NU17B7408N439U18A7408N64546GND41VCCVCC13141516195758171839471244图 3-5 交通灯信号控制器电路图3.1.6 黄灯闪烁控制要求黄灯为闪烁状态，即黄灯 0.5 秒亮，0.5 秒灭，故用一个频率为 1 赫兹的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接至黄灯。在 3.1.1 中已用 555定时器连接成了频率为 1 赫兹的多谐振荡器。课程设计说明书课程设计说明书93.1.7 白天夜间模式的转换根据任务书的要求，要用一个手动开关来控制白天模式与晚上模式的改变。由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式可以看出，白天与夜间模式的

22、转换由单刀双掷开关与与门或或门控制。当开关接上边时为白天工作模式，开关接地时为夜晚工作模式。则电路连接如下图 3-5 所示： GNDJ9 = SpaceVCC5VR15kGNDVCC4147 图 3-6 白天夜间的切换开关在实际生活中，手动开关电路毕竟不方便，因此实际应用中可设计自动开关电路。用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现） ，作为白天与夜间的自动转换开关。这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。第二天天量后经一段延时，系统自动转换

23、成白天工作方式。在本次课程设计中选择使用手动切换白天与夜晚模式的选择。3.2 时序仿真结果3.2.1 白天工作模式交通灯从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，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。信号灯采用红、绿、黄发光二灯模拟。 在实际电路中，开关 J2 和 J7 闭合，使个位 74190 的 C 管脚接高电平，A、B、D 接低电平；十位 74190 的 B 管脚接高电平，A、C、D 接低电平，并且白课程设计说明书课程设计说明书10天夜间的切换开关不接地。计数器的开关如下图所示： J1J2J3

24、J4J5J6J7J84图 3-7 置数法的开关连接方法白天的工作状态结果如下图 3-7 所示：U1A7473N1J141CLK11Q121K31CLR21Q13U1B7473N2J72CLK52Q92K102CLR62Q8U2A7408NU2B7408NU2C7408NU2D7408NU4B7408NU4C7408NGa12.5 V Ya12.5 V Ra1 2.5 VGb12.5 V Yb12.5 V Rb12.5 V VCC5V3710VCC11U5DCD_HEX_YELLOWU7DCD_HEX_YELLOWVCC5VU374190NA15B1C10D9U/D5QA3QB2QC6QD7CT

25、EN4LOAD11RCO13MAX/MIN12CLK14U674190NA15B1C10D9U/D5QA3QB2QC6QD7CTEN4LOAD11RCO13MAX/MIN12CLK14U8A4002BD_5VU8B4002BD_5VU4A7408NU4D7408NU11A4001BD_5VU9A7400NU12A7432NU10A74LS21NJ1J2J3J4J5J6J7J8212320242526272829303334353632GNDJ9 = SpaceVCC5VR15k555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI28.86MR157.72MR2100

26、Rl10nFC10nFCfVDD12VVs0525150VDDU23DCD_HEX_DIG_REDU24DCD_HEX_DIG_RED555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI28.86MR157.72MR2100Rl10nFC10nFCfVDD12VVs0636261VDD0U25A7404NU13A7404NU26A7408N222U15A7432N1U14B7408N3740U19A7408N3138U14A7408N842U16A7432NU17B7408N439U18A7408N64546GND41VCCVCC131415161957581718

27、3947124464图 3-8 白天工作状态3.2.2 夜间工作模式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮，将设置的手动开关，拨动到接地状态。电路图工作结果如下图3-7所示： 课程设计说明书课程设计说明书11U1A7473N1J141CLK11Q121K31CLR21Q13U1B7473N2J72CLK52Q92K102CLR62Q8U2A7408NU2B7408NU2C7408NU2D7408NU4B7408NU4C7408NGa12.5 V Ya12.5 V Ra1 2.5 VGb12.5 V Yb12.5 V Rb12.5 V VCC5V3710VCC11U5DCD_HEX_Y

28、ELLOWU7DCD_HEX_YELLOWVCC5VU374190NA15B1C10D9U/D5QA3QB2QC6QD7CTEN4LOAD11RCO13MAX/MIN12CLK14U674190NA15B1C10D9U/D5QA3QB2QC6QD7CTEN4LOAD11RCO13MAX/MIN12CLK14U8A4002BD_5VU8B4002BD_5VU4A7408NU4D7408NU11A4001BD_5VU9A7400NU12A7432NU10A74LS21NJ1J2J3J4J5J6J7J8212320242526272829303334353632GNDJ9 = SpaceVCC5VR

29、15k555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI28.86MR157.72MR2100Rl10nFC10nFCfVDD12VVs0525150VDDU23DCD_HEX_DIG_REDU24DCD_HEX_DIG_RED555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI28.86MR157.72MR2100Rl10nFC10nFCfVDD12VVs0636261VDD0U25A7404NU13A7404NU26A7408N222U15A7432N1U14B7408N3740U19A7408N3138U14A7408N842U1

30、6A7432NU17B7408N439U18A7408N64546GND41VCCVCC1314151619575817183947124464图 3-9 夜间工作状态课程设计说明书课程设计说明书124 仿真软件简介NI Multisim 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借 NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准 SPICE 模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE 分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与 NI LabVIEW 和 SignalExpress

31、 软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。有如下特点：1 通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路 ；2 通过交互式 SPICE 仿真, 迅速了解电路行为； 3 借助高级电路分析, 理解基本设计特征 ；4 通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试 ；5 通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短研发时间。课程设计说明书课程设计说明书135 设计总结通过本次课程设计，使我对数电知识有了更深更广更深刻的理解和掌握。课设的学习不同于课本的学习，课设是真正要求一个人的思维能力的，课程设计中的每一步没一个小小的细节都必须做到准确无误。这次课程设计更让我懂

32、得了一个严谨的思维是多么的重要。电路的连接，芯片和其它各种器件的放置，电路的检查，都需要一个人的动手能力，对个人的能力提高很有帮助。时间很紧，这一周又在忙碌中过去了，经过一周的数电课程设计，我从原先看见电路图就一头雾水到现在能够设计复杂的数字钟电路，并且能够实现电路的仿真与实物板的制作与调试，之间的巨大变化着实令人吃惊。但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题，正是在解决问题的期间我才慢慢地熟悉了数字电子技术基础的基础知识，才慢慢学会了如何去按照给定的要求设计出合适的电路，作出电路的实物并对电路进行调试。本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计

33、一个符合要求的数字钟，本次设计不仅要求我们要掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对数字钟的各个组成部分的原理，包括振荡器的原理、计数器的原理、译码驱动原理都有深刻的理解和掌握，本次课程设计最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有一定的动手能力，能够根据电路图买到我们所需的原件，绘制出仿真电路并调试。在课设过程中我遇到很多问题，原因有很多比如如何安装软件、调试过程中遇到的问题都不尽相同，但是通过问老师与同学交流都迎刃而解。在每次课设中，遇到问题最好的办法就是请教别人，因为每个人掌握的情况都不一样，

34、一个人不可能做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才能够简单化。在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就遇到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简单，来得快。课程设计说明书课程设计说明书146 参考文献 1 付家才，电子工程实践技术。北京：北京工业出版社，20032 毕满清，电子技术实验与课程设计。北京：机械工业出版社，20013 阎石主编，数字电子技术基础（第五版） 。北京：高等教育出版社，20094 丁润涛主编，电子工程手册。北京：机械工业出版社，19955 唐赣主编，Multisim 10ltiboard 10 原理图仿真与 PCB 设计。北京：电子工业工业出版社，20086 郭锁利主编，基于 Multisim 9 的电子系统设计、仿真与综合应用。北京：人民邮电出版社，20087 王鸿明，段玉生。 电工与电子技术 。等教育出版社，