交通信号灯设计方案

1、南阳理工学院数字电路课程设计报告书课题名称 交通灯控制电路 姓 名 马钰欣 系 部 计算机与信息工程学院 专 业 15物联网班 指导教师 徐国清 2016年12月18日目 录1 设计目的.32 设计思路.33 设计过程.3 3.1 设计方案.4 3.2 电路设计.5 3.2.1 秒脉冲发生器.6 3.2.2 定时器.6 3.2.3 控制器.8 3.2.4 译码电路.10 3.2.5 显示部分.11 3.2.6 总原理图.124 系统调试与结果.125 主要元件.136 结论.137 设计心得体会.148 附录.14 8.1 总原理图.149 参考文献.15交通灯控制电路摘要：交通信号灯常用于交

2、叉路口，用来控制车辆的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。本交通灯设计主要由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路组成。秒脉冲发生器由LMC555CH产生脉冲，定时器由74LS160实现，控制器由74LS153和74LS74组成，译码电路采用74LS48和七段数码管来显示。控制器通过ST信号对定时器进行控制，从而显示红黄绿灯的转换。关键字：交通灯 控制器 秒脉冲发生器 定时器 译码器1、 设计目的（1） 熟悉集成电路的引脚安排（2） 掌握各芯片的逻辑功能及使用方法（3） 了解面包板结构及其接线方法（4） 了解数字交通灯控制电路的组成及工作原理（5） 学会用仿真软件对设计的原理图进

3、行仿真（6） 熟悉数字交通灯控制电路的设计与制作2、 设计思路（1） 设计秒脉冲发生器（2） 设计交通灯定时电路（3） 设计交通灯控制电路（4） 设计交通灯译码电路（5） 设计交通灯显示时间电路3、 设计过程3.1 设计方案用数字电子技术来实现交通灯控制 交通灯控制系统的原理框图如图3-1所示 它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器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，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。 TL：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔

4、。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。 TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。SY：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个状态的定时。3-1系统的原理图 （1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作态。 （2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 （3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯

5、亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行，绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。 交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表1-1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并做

6、如下表1-1规定：表1-13.2 单元电路的设计3.2.1 秒脉冲发生器秒脉冲发生器由LMC555CH电路及其外围电路组成，其中R2=10k，R3=68k，C3=300nf的电阻电容值决定了脉冲宽度。T=（R2+2R3）C2ln2，当T=1秒时，即可凑出R2、R3、C3，其中C3=300nf是为了保持输出的波形稳定。如图3-2所示，R2=10k、C3=300nF组成一个串联RC充放电电路，在LMC555CH的DIS管脚上输出一个方波信号，C3上得到一个三角波，此三角形波送到LMC555CH的TRI管脚输入端，由LMC555CH内部的比较器和门电路共同作用，维持DIS脚上的方波信号和OUT管脚上

7、的输出方波。3-2 秒脉冲发生器原理图秒脉冲还可以由芯片CD4060和74LS74及其外围电路构成，该电路选用石英晶体结构制成振荡器，在经过分频电路得到秒脉冲。振荡器的频率越高，计时精度越高。如果精度要求不高也可以采用集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器以及集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。因此，该设计选着由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器来产生秒脉冲。3.2.2 定时器定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计时器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号

8、TL。计数器选用集成电路74LS160进行设计比较简便。74LS160是10进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。74LS160功能表如表1-2所示：表1-2表示RD是低电平有效的同步清零输入端，LD'是低电平有效的同步并行置数控制端，EP、ET是设计交通灯的图数控制端，CO是进位输出端，D0D3是并行数据输入端，Q0Q3是数据输出端。设计图如3-3所示：图3-3 交通灯定时器其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CLK分别送给两个74LS160的清零端9处。如图所示：输入端3、4、5、6分别接地。U1的7和10由U2的11、14经过与门相与后相连。即只有当11、14处

9、产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲。当U13C74LS04的ST信号分别送给U1和U2的LOAD，就可以得到TY和TY非是秒脉冲的5倍；TL和TL非得结果是秒脉冲的25倍。除此，还可以用74LS163来实现这个定时器，但是由于该芯片不是十进制的计数器，因此在进位时要加上一个与门，设计如下图3-4，因为该电路与图3-3的定时电路多用了一个与门，因此不选用。图3-4 由74LS193构成的定时电路3.2.3 控制器控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规定控制信号灯工作状态的转换。列出控制器的状态转换表，如表1-3所示： 表1-3 控制器状态转换表根据上表刻意推出状态方程和转

10、换信号方程，其方法是：将Q1n+1，Qnn+1和ST为1的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中“1”用原变量表示，“0”用反变量表示，然后将各项相或，即可得到下面的方程：根据以上方程，选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择器输入端作为控制信号，即可实现控制器的功能。控制器原理图如图3-5所示。图中R、C构成复位电路。由两个双多路转换器74LS153和一个双D触发器74LS74组成控制器。触发器记录4种状态，多路转换器与触发器配合实现4种状态的相互交换。图3-5交通灯控制器 其原理为：CLK分别送给U6A和U6B的3和11的清

11、零端。将TY接入U4的5和U5的4和5；TY非接入U4的4。如上图所示：74LS74两个D触发器作为时序寄存器产生四种状态。选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。 3.2.4 译码电路译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表1-4所示。表中A、B代表甲、乙车道。表1-4 控制器状态编码与信号灯关系 由秒脉冲发生器产生的周期性变化的CLK脉冲，一部分送给了定时器的74LS160芯片，另一部分送

12、给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST同时加到定时器74LS160芯片的情况下，通过芯片74LS160将会输出TY、TY非；TL、TL非。即TY和TY非放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和TL非放大结果是秒脉冲的25倍。前者输出的信号是后者的1/5。将定时器输出的TY、TY非、TL、TL非 分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变换的电平。控制器中的信号再送给由芯片74LS08组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。电路图设计如下：图3-6 译码器部分原理图3.2.5 显

13、示部分 显示部分由74LS48和共阴极七段数码管组成，74LS48作为译码器，对74LS160的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出74LS160的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计如图3-7所示：图3-7 由74LS48和数码管组成的电路3.2.6 总原理图4、 系统调试与结果（1） 组装调试秒脉冲电路。（2） 进行定时电路的组装和调试。当输入1Hz的始终脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到25时，能输出有效的定时时间信号。（3） 调试交通灯控制器以及显示部分。（4） 判断各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。最终调试如下： 接上电源，便可

14、以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为25秒，甲车道方向绿灯亮，行人、车辆都可以自由通行；乙车道方向车道的红灯亮，车辆禁止通行。时间显示器从预置的0秒，以每秒增加1，增加到25到0时，甲道的绿灯转换为黄灯，其余等都不变。从增至5秒又到0时甲车道的黄灯转换为红灯；乙车道的红灯转换为绿灯。如此循环下去。5、 主要原件集成电路：LMC555CH1片74LS1602片 74LS084片 74LS043片 74LS1532片 74LS742片 74LS482片 74LS001片 74LS101片 SEVEN_SEG_COM_A_BLUE2片电阻：200欧姆7个 10K欧姆1个 68K欧姆1个

15、电容：10f1个 300nf1个 10nf1个其他：LED灯6个6、 结论1、 能实现的功能交通灯的状态转换和计时时间的显示，基本能实现甲、乙道路直行和转弯灯的显示功能。2、 不足之处交通灯中没有右转灯，用的芯片太多；应在十字路口设置两组显示器，分别显示计时；应选用减法计数器，方便行人、车辆作出判断。7、 设计心得体会我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。通过这次课程设计，我受益颇多。虽然花了很多时间，但是学到了很多东西，在课程设计的过程中，我想了很多种方案，对同一个问题（像计数器的解法）都想了很多种不同的接法，运用不同的芯片进行了比较，最后还是采用了上面的方法进行连接。我了解到课程实习设计是开端，连接是关键，测试是必须。这次动手设计既巩固了课堂