交通灯设计数电课程设计报告

1、课程设计论文题 目：交通灯定时控制系统的设计、制作学 院：_ _专 业：_学 号：_姓 名：_指导教师：_完成日期： 设计任务书在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设

2、为25秒。（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。选做扩展功能：（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数；（5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在099s内任意设定。目录一、交通灯设计原理4二、单元电路的设计.81、秒脉冲发生器.82、定时器.93、控制器.114、译码器.145、显示部分.166.整个交通灯控制系统的布局.17三、仿真过程与效果分析.17四、元器件清单.19五、体会总结.20六、参考文献.21七、附录一交通灯设计原理交通灯控制系统的原理框图如图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

3、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。图中： 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。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。ST：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工作状态的定时。图1 交通灯控制系统的原理框图两方向车道的交通灯的运行状态共有4种(因人行道的交通灯和车道的交通灯是同步的,所以不考虑)，如

4、表1所示表1信号灯状态车道运行状态甲绿，乙红甲黄，乙红甲红，乙绿甲红，乙黄甲车道通行，乙车道禁止通行甲车道缓行，乙车道禁止通行甲车道禁止通行，乙车道通行甲车道禁止通行，乙车道缓行一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下：（1）图甲车道绿灯亮，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隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。（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，乙车道黄灯亮。表示甲

5、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，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已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2所示表2控制工作状态及其功能控制器状态信号灯状态车道运行状态S0（00）S1（01）S2

6、（11）S3（10）甲绿，乙红甲黄，乙红甲红，乙绿甲红，乙黄甲车道通行，乙车道禁止通行甲车道缓行，乙车道禁止通行甲车道禁止通行，乙车道通行甲车禁止道通行，乙车道缓行控制器应送出甲、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，并作如下规定： AG=1：甲车道绿灯亮；BG=1：乙车道绿灯亮；AY=1：甲车道黄灯亮；BY=1：乙车道黄灯亮；A R=1：甲车道红灯亮； BY=1：乙车道红灯亮；由此得到交通灯的ASM图，如 图2所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。只有当S0的持

7、续时间等于25秒时，TL=1，跳转到S1，这时当S1持续时间小于5秒时TY=0，控制器保持S1不变，只有当持续时间等于5秒时，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），也就是说每跳转一次持续总时长为30秒，然后转换到下一个S2状态，满足条件又跳到S3的总时长30秒工作状态。依此类推可以弄懂ASM图所示表达的含义。AR BYSTAG BR01TYTL010011TLAR BGSTTYAY BR图2画出交通灯控制器的ASM三单元电路的设计（1）秒脉冲发生器脉冲信号发生器用的是555定时器构成多谐震荡器，震荡频率为： f=1.43/(R1+2R2)C电路图如下图：图3 秒脉冲产生器图4 秒

8、脉冲产生器结果（2）定时器定时器由与系统秒脉冲（由上面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，计数器从0开始进行加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TL。计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。其功能表如表所示。表中，LD为置数端，RD为清除端，EP,ET为使能端。图4则为两片74LS163连接的定时电路图。表3 74LS163功能表CLKRDLDEP ET工作状态XXX0 1111X0111X XX X0 1X 01 1置零预

9、置数保持保持（C=0）计数图5 74LS163组成定时器电路图还可以用74LS160来实现这个定时器。但是由于该芯片不是二进制而为十进制计数器，在进行拓展是更加方便。其定时器电路图如下：图6 74LS160组成的定时器电路图（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则控制信号灯工作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表12、3所示。选用两个D触发器做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1 00状态时，如果TL 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1 01状态。这两种情况与条件

10、TY无关，所以用无关项X表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。表3 控制器状态转换表 根据表12、3、可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1、Q0n+1和 ST为1的项所对应的输人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，然后将各与项相或，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7所示。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

11、触发器配合实现4种状态的相互交换。 电路逻辑图如下：图 7控制器逻辑图其原理为： CLK分别送给U7A和U7B的3和11的清零端。将TY接入U4的5和U5的4和5；TY非接入U4的4；TL接入U4的10和U5的3和6；TL非接入U4的13。如上图所示：74LS74两个D触发器作为时序寄存器产生4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。(4）译码器 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

12、关系如表 4所示。表4控制器状态编码与信号灯关系表Q1 Q0AG绿灯AY黄灯AR红灯BG绿灯BY黄灯BR红灯0 01000010 10100011 10011001 0001010通过与门来简洁翻译成两路交通的亮灭，其中，黄灯的闪烁，是通过时钟信号的高低电平和Q1，Q0的状态控制其亮灭及闪烁。下图为译码器及交通灯部分的电路图：图8 译码器及交通灯电路图其原理为：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中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片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

13、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。(5）显示部分显示部分由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。其设计如图下：图9 显示部分电路图(6)整个交通灯控制系统的布局四 仿真过程与效果分析1.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。当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到25时，能输电有效的定时时间到信号。（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

14、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1，增到25到0时，甲道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。从增至5秒又到0后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。2.实体电路仿真成功后，按照仿真图进行实物连接及调试。调试过程如下：（注：调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。）电路通电前的检查：电子安装完毕，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。其检查内容包括：（1） 连线是否正

15、确按照实际线路来对照原理图电路进行查线。以元件为中心进行查线。把每个元件引脚的线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，防止出现错线和少线，多线。同时对于已查过的线通常应在电路图上做出标记。 （2） 元器件的安装情况 检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。以上检查完毕后把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。若无异常则直接通电。四元器件清单 集成电路 74LS74 1片 74LS48 2片 74LS163 2片（或74LS160

16、2片） 74LS04 1片 74LS08 2片 74LS153 2片 74LS00 1片 N555 1片 芯片座若干 电容 10F , 0.01F , 电阻 47K 两个 发光二极管 6 个 （红黄绿各2个） 五体会心得通过这次课程设计，不仅加深了我对数字逻辑电路的理解，而且加强了我独立思考和合作交流及动手能力。通过每个模块的设计加深了对理论知识的掌握，同时在焊接电路板时，真切的到实践和理论并非同一回事，比如在TL和TL非的转换是，我一开始采用的是与门和非门，结果需要给74LS163高电平信号才能进行循环，但是在仿真中却能得出正确结论，经过多次示波器检测，发现TL和TL非处出现了不定态所导致，

17、最后将TL和TL非处的转换变成与非门和非门的连接方式。从这次实践中，深深的体会到了“实践出真知”这句话的真正内含。同时在这次实践中，加强了对各种元器件的认识，比如电解电容引脚长的为正极，集成片该如何放置等，同时使更加熟练了焊接技术。还认识到多跟同学交流的重要性，这样不仅可以是自己设计出更好更简洁的电路，而且能使自己少走弯路，分享彼此在实践中中的遇到的问题，还可以使自己学到更多，对问题理解的更加透彻。比如刚开始时自己设计的仿真电路出问题时，通过和他人讨论发现问题出在74LS163的置数端没有接高电平，并且我也帮别人检查的仿真电路时知道了74LS153的输入端口应该注意顺序。通过本次实践，我也知道了耐心才能出成绩，坚持才能达成目的。在第一遍仿真的时候，我发现自己的电路图出不了答案，但是对自己的思路进行检查发现没有错误。为了防止是接线上的错误，我又做了第二遍，结果依然失败。最终经过四次仿真，多个问题的逐个解决才得到了正确数据。而在焊实际电路板时，我第一次的电路板出现了电源和地之间出现了部分短接，经过多次排查依然查找不出原因。在这样的沮丧下，我只好重新焊过，并且改进自己的方法，最终我才获得了一块成功的交通灯电路板。不得不说，如果不是这