交通灯控制器设计 广工 数电

1、课课 程程 设设 计计 课程名称 电子技术综合设计与实践 题目名称 交通灯控制器 学生学院 自动化学院 专业班级 09 自动化 4 班 学 号 学生姓名 指导教师 张学习 2011 年 9 月 31 日I广东工业大学课程设计任务书广东工业大学课程设计任务书题目名称交通灯控制器学生学院自动化学院专业班级09 自动化 4 班姓 名马聪文学 号3109001620一、课程设计的内容设计一个十字路口的红、绿、黄三色信号交通灯控制电路。二、课程设计的要求与数据1). 用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。主干道为东西向，有红、绿、黄三个灯；支干道为南北向，也有红、绿、黄三个灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通

2、行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。2).由于主干道车辆较多而支干道车辆较少，所以主干道绿灯时间较长。当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯，两者交替重复。主干道每次放行 50 秒，支干道每次放行 30 秒。在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，需要亮 5 秒的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停靠到禁行线以外。3). 能实现正常的、即时显示功能。用 DE2 上的四个七段数码管作为倒计时显示器。分别显示东西、南北方向的红灯、绿灯、黄灯时间。4).能实现特殊状态的功能显示。设 S 为特殊状态的传感器信号，当=1时，进入特殊状态。当=0 时

3、，退出特殊状态。按 S 后，能实现特殊状态功能：（1）显示器闪烁；（2）计数器停止计数并保持在原来的数据；（3）东西、南北路口均显示红灯状态；（4）特殊状态结束后，能继续对时间进行计数。5).能实现总体清零功能。按下 R 后，系统实现总清零，计数器由初始状态II开始计数，对应状态的指示灯亮。三、课程设计应完成的工作利用 QUARTUS软件，设计符合以上功能要求的交通灯控制器。用图形输入方法。控制器、计数器的功能用功能仿真的方法验证，可通过观察有关波形确认电路设计是否正确。通过编译，仿真和综合，并下载到相应芯片中实现，最后在学习机上验证设计课题的正确性。在学习机上验证结果。四、课程设计进程安排序

4、号设计各阶段内容地点起止日期1Quartus II 入门学习，熟悉设计流程实 2-2149.262进一步学习 Quartus II，讲解各设计任务及其要求，分配设计任务实 2-2129.263通过查阅资料，独立完成电路设计，提交纸质电路原理图草稿实 2-2129.264在 Quartus II 和 DE2 板上实现设计实 2-2129.27295演示和验收实 2-2129.296完成设计报告9.30五、应收集的资料及主要参考文献1 童诗白等. 模拟电子技术基础M.北京， 高等教育出版社, 1983：2 阎石.数字电子技术基础M.北京， 高等教育出版社, 2003.3 陶涛.十字路口交通灯设计J

5、.青海交通科技,2006,(6).4 孙芹芝,张瑾,苏晓鹭.基于 EDA 的交通灯控制系统J.今日电子,2005,(5).5 王艳玲,全宏瑞,桂明辉.基于 EDA 技术的数字电路课程设计J.桂林师范高等专科学校学报,2009,(2).发出任务书日期： 2011 年 9 月 26 日 指导教师签名：计划完成日期： 2011 年 9 月 31 日 基层教学单位责任人签章：III主管院长签章：摘 要本次的任务是设计一个十字路口的红、绿、黄三色信号交通灯控制电路。其要求是：用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。主干道为东西向，有红、绿、黄三个灯；支干道为南北向，也有红、绿、黄三个灯。红灯亮禁止通行；绿灯

6、亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。由于主干道车辆较多而支干道车辆较少，所以主干道绿灯时间较长。当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯，两者交替重复。主干道每次放行 50 秒，支干道每次放行 30 秒。在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，需要亮 5 秒的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停靠到禁行线以外。在整个过程中，我首先通过查找资料来确定了设计思路，然后画出了电路图，通过编译与仿真来不断完善电路图，最后在学习板上成功的实现了要求的功能。 本说明书包括了设计任务目的与要求、模块及其原理介绍、设计方案、 实验结果与数据分析、结

7、论与问题讨论等五个模块。关键词：交通灯 控制电路 IV目 录1 设计任务目的与要求设计任务目的与要求.11.1 设计目的.1 1.2 设计要求.12 模块及其原理介绍模块及其原理介绍.12.1 器件清单.1 2.2 分频电路.2 2.3 主控制器电路.3 2.4 计数器电路.3 2.5 数码管显示电路.4 2.6 交通灯显示电路.4 2.7 预置数电路.5 2.8 总体电路相关说明.53 设计方案设计方案.53.1 设计方案.54 实验结果与数据分析实验结果与数据分析.74.1 实验结果分析.75 心得与体会心得与体会.85.1 心得与体会.8参考文献参考文献.8V1 1 设计任务目的与要求设

8、计任务目的与要求1.1 设计目的：设计一个十字路口的红、绿、黄三色信号交通灯控制电路。1.2 设计要求： 1). 用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。主干道为东西向，有红、绿、黄三个灯；支干道为南北向，也有红、绿、黄三个灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。2).由于主干道车辆较多而支干道车辆较少，所以主干道绿灯时间较长。当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯，两者交替重复。主干道每次放行 50 秒，支干道每次放行 30 秒。在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，需要亮 5 秒的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆

9、有时间停靠到禁行线以外。3). 能实现正常的、即时显示功能。用 DE2 上的四个七段数码管作为倒计时显示器。分别显示东西、南北方向的红灯、绿灯、黄灯时间。4).能实现特殊状态的功能显示。设 S 为特殊状态的传感器信号，当=1 时，进入特殊状态。当=0 时，退出特殊状态。按 S 后，能实现特殊状态功能：（1）显示器闪烁；（2）计数器停止计数并保持在原来的数据；（3）东西、南北路口均显示红灯状态；（4）特殊状态结束后，能继续对时间进行计数。5).能实现总体清零功能。按下 R 后，系统实现总清零，计数器由初始状态开始计数，对应状态的指示灯亮。6）.利用 QUARTUS软件，设计符合以上功能要求的交通

10、灯控制器。用图形输入方法。控制器、计数器的功能用功能仿真的方法验证，可通过观察有关波形确认电路设计是否正确。通过编译，仿真和综合，并下载到相应芯片中实现，最后在学习机上验证设计课题的正确性。在学习机上验证结果。2 2 模块及其原理介绍模块及其原理介绍2.12.1 器件清单器件清单序号名称备注数量说明1边沿脉冲触发器JKFF2边沿触发，使得状态跳转2同步加/减计数器741684实现时间的计数VI3分频器742921使得输入的脉冲频率为 14BCD7 段高有效译码器74474使得数字显示在显示器5非门not46二端或门Or277二端与门And2238三端或门Or319四端或门Or4110输入器件I

11、nput311输出器件Output3412接高电压端Vcc213接地端Gnd2 2.2 Clock 的分频电路图 2 Clock 的分频电路（74292 分频器）分频器一种是对模拟信号的处理。是利用带通滤波器实现。例如在音频功率放大器中把不同频率段的音频信号区分开，再进行放大输送给不同的扬声器还原成不同频段的声音。这种分频器通常是利用电感电容对高低频信号的不同阻抗来把信号区分开。VII另一类是对脉冲信号进行 2 的 n 次方分之一的分频，例如把 32768HZ 的脉冲信号变成1HZ 的秒信号。这类分频器通常是利用 T 触发器实现，每来一个脉冲后触发器状态改变一次，经过 n 个 T 触发器处理后

12、就可以得到 2 的 n 次方分之一的分频信号。2.32.3 主控制器电路主控制器电路根据设计任务，共有 4 种状态，可以用二位二进制码（S1 S0）表示，若将红、绿、黄灯分别用 R、G、Y 表示，A、B 分别代表主干道的东西向和支干道的南北向，设主干道绿灯亮的时间为 TA,支干道绿灯亮的时间为 TB 黄灯亮的时间为 TY，则有如图 1 所示交通灯控制状态图。根据这个状态图可得出主控制器的电路。主控制器是由两个边沿触发器连接而成，当从反馈电路传来下降沿信号时，触发器便会从一个状态跳到下一个状态，从而实现了状态的转换。2.42.4 计数器电路计数器电路计数模块接收置数模块数据后，在秒脉冲作用下进行

13、减法计数。当计时时间到达，则重置数据后再进行减运算。计数模块也有和两个。计数模块中是由两个 74168 芯片组成。因为50 是一个两位数，所以我们要用两个 74168 芯片组成一个减数器。当芯片开始工作时，减数器便从预置好的数字开始做减数运算。由于输入的时钟信号的周期是 1s，因此每一秒钟便减去一，从而实现了计算时间的目的。VIII2.52.5 数码管显示电路数码管显示电路数码管工作原理是由 7 个发光二极管组成,行成一个日字形,它门可以共阴极,也可以共阳极.通过解码一般由单片机的程序来完成电路得到的数码接通相应的发光二极而形成相应的字。 7447 工作电压为 5V,常用的 BCD 对七段显示

14、器译码器/驱动器之 IC 包装计有 TTL 之7446、7447、7448、7449 与 CMOS 之 4511 等等。在这主要是运用 7447 与七段显示器译码器连用。7447 必须使用共阳极七段显示器，在正常操作时，当输入 DCBA=0010 则输出abcdefg=0010010。故使显示器显示2。当输入 DCBA=0110 时，输出 abcdeg=1100000，显示器显示6。译码电路将主控器的输出状态(S0 S1 ) 译码为东西、南北方向 6 个交通灯的信号，“1”表示亮灯， “0”表示灭灯，对应的真值表如表 1 所示。2.62.6 交通灯显示电路交通灯显示电路在交通灯显示电路钟，主要

15、是对照着交通灯控制器的真值表，通过与门和或门用逻辑关系把主控制器输出的状态转化为输出的高电平或是低电平状态，从而实现控制哪个灯亮，哪个灯不亮的目的。IX2.72.7 预置数模块预置数模块置数模块分为 A、B 二个部分，分别给东西、南北方向的计数器 A 和 B 提供计数时的初始值，它们都是两位 BCD 码。置数模块 A 的预置数据如表 2 所示。在预置数模块中，主要是采用了通过逻辑关系来实现把状态转换成每个状态的初始值。2.8总体电路原理相关说明总体电路原理相关说明交通信号灯是由交通灯控制器控制其红绿灯周期变化的。该交通灯控制器的整体图如附图所示。它主要由分频器、主控电路、计数器模块、预置数模块

16、、数码管显示电路和交通灯显示电路（红、黄、绿灯显示）等部分组成。分频器是该系统中数码显示电路和主控电路的标准时钟信号源，数码显示电路输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，主控电路是系统的主要部分，由它控制数码显示电路和交通灯显示电路的工作。当主控制器输出状态后，通过交通灯显示电路来控制交通灯的亮暗。同时通过预置数模块、计时器模块以及数码管显示电路来实现时间的显示。本电路有两个特殊功能。1）当有特殊状态出现时，通过传感器向电路中 S 输入键中，输入一个高电平，然后通过控制计数器 74168 的使能端来使计数器停止计数，并和时钟信号用一个与门连接后接到 7447 的使能端使得显示器

17、不停的闪烁。同时，通过与或门连接到交通灯显示电路中，使得红灯亮，其他灯灭。当特殊状态过后，S 重新恢复低电平，一切跟接着正常工作。2）总体清零功能。当需要总体清零是，给 R 一个高电平，然后接到主控制器中，使得主控制器的状态变为“00”态，同时接到计数器“LDN”端，使得计数器重新计数，从而实现了清零的功能。3 设计方案设计方案3.1 设计思路交通灯控制器的框图如图 1 所示，包括置数模块、计数模块、主控模块、译码器模块和数据选择器模块几个部分。置数模块将交通灯的点亮时间预置到置数电路中。计数模块以基准时间秒为单位做倒计时。当计数值减为零即预置时间到，主控电路改变输出状态，电路X进入下一个状态

18、的倒计时。译码器模块将主控电路的当前状态译码为红、绿、黄三色灯的点亮信号。其中，核心部分是主控制模块。1)主控器模块根据设计任务，共有 4 种状态，可以用二位二进制码（S1 S0）表示，若将红、绿、黄灯分别用 R、G、Y 表示，A、B 分别代表主干道的东西向和支干道的南北向，设主干道绿灯亮的时间为 TA,支干道绿灯亮的时间为 TB 黄灯亮的时间为 TY，则有如图 1 所示交通灯控制状态图。根据这个状态图可得出主控制器的电路。该电路可设计成时序电路，也可以设计成组合电路并在输出端加触发器。2)译码电路译码电路将主控器的输出状态(S0 S1 ) 译码为东西、南北方向 6 个交通灯的信号，“1”表示

19、亮灯， “0”表示灭灯，对应的真值表如表 1 所示。采用真值表写出逻辑式后，画出交通灯的译码电路。3)置数模块置数模块分为 A、B 二个部分，分别给东西、南北方向的计数器 A 和 B 提供计数时的初始值，它们都是两位 BCD 码。置数模块 A 的预置数据如表 2 所示。图 1 1态RAGB态YARB1 1 态GARB1态RAYBTA=1TY=1TB=1TY=1TY=0TB=0TY=050秒秒未未到到,保保持持原原态态50秒秒到到,转转下下一一状状态态5秒秒未未到到,保保持持原原态态5秒秒到到,转转下下一一状状态态30秒秒未未到到,保保持持原原态态30秒秒到到,转转下下一一状状态态5秒秒未未到到

20、,保保持持原原态态5秒秒到到,转转下下一一状状态态TA=0交通灯控制器状态图表 1 交通灯控制器的真值表S S1 S2AG AR AY BG BR BY1 X X 0 1 0 0 1 00 0 0 0 0 1 0 1 00 0 1 0 1 0 1 0 0XI0 1 0 0 1 0 0 0 10 1 1 1 0 0 0 1 0表 2 置数模块 A 的预置数据表主控制器状态置数模块 A 的数据S1 S0Q31A Q21A Q11A Q01A Q30A Q20A Q10A Q00A0 00 0 0 0 0 1 0 10 10 0 1 1 0 1 0 11 00 0 0 0 0 1 0 11 10 1

21、 0 1 0 0 0 04)计数模块计数模块接收置数模块数据后，在秒脉冲作用下进行减法计数。当计时时间到达，则重置数据后再进行减运算。计数模块也有和两个。计数模块可以用可预置十进制减计数器，连接成两位十进制计数器。5)数据选择器 (MUX)当出现特殊情况时，要求计时显示发生闪烁，因此，可在计数器后面加入二选一的数据选择器，或其它器件。用 S 和 CP 控制。2 原理框图交通灯控制器框图如图 2 个位 十位 译码器 译码器MUX 计数器A 置数器A 个位 十位 译码器译码器MUX计数器B置数器B 绿 黄 红 红 黄 绿 东西方向显示器 南北方向显示器 主控制器特殊状态清零时钟.图 2 交通灯控制

22、器框图4 实验结果与数据分析实验结果与数据分析4.1 通过下载到学习板可以得到最终的结果：开始时，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，显示屏上显示“50” “55”字样。然后主干道50 秒倒计时结束后跳变到黄灯，进行 5 秒倒计时，支干道继续亮红灯，进行倒计时；主干道 5 秒倒计时结束后跳变到红灯，经行 55 秒倒计时，支干道跳变到绿灯，进行 20XII秒倒计时；支干道 20 秒倒计时结束后跳变到黄灯，进行 5 秒倒计时，主干道继续亮红灯，进行倒计时；支干道 5 秒倒计时结束后，跳到红灯，回到主干道绿灯亮，支干道红灯亮的状态，重新开始下一个循环的计时.当按下“S键时，可以看到主干道和支干道到时红灯亮，计数器停止计时，显示器闪烁。再按回“S键时，一切又开始正常工作。当按下“R”键时，可以看到一切回到