数电课程设计交通信号灯控制系统的设计仿真与制作

1、武汉理工大学交通信号灯控制系统的设计仿真与制作课程设计说明书学 号： 0121309341416 课 程 设 计题 目交通信号灯控制系统的设计 仿真与制作学 院信息工程学院专 业电子信息工程班 级电信1301 姓 名周鸣一指导教师孟哲2015年7月11日课程设计任务书学生姓名： 周鸣一 专业班级： 电信1301 指导教师： 孟哲 工作单位： 信息工程学院 题 目: 交通信号灯控制系统的设计仿真与制作初始条件：集成译码器、计数器、555 定时器、数码管、红黄绿 LED 和必要的门电路、其他必须的器件等。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计

2、工作量：1 周内完成对数字频率计的设计、仿真、装配与调试。 2、技术要求： 设计一个具备东西、南北 4 个路口基本交通灯控制系统电路。 利用 555 定时器构成秒脉冲产生电路。 扩充功能用数码管显示灯控倒计时时间。确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。3、查阅至少 5 篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文 用 A4 纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：1） 第 1-2天，查阅相关资料，学习设计原理。2） 第 3-4天， 方案选择和电路设计仿真。 3） 第 4-5天， 电路调试和设计说明书撰写。

3、 4） 第 6 天，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要31设计任务51.1基本部分52设计方案62.1方案一：62.2方案二：72.3最终确定的方案73.具体电路的设计83.1系统概述83.2单元电路的设计93.2.1振荡电路93.3控制电路的设计113.4 74LS192构成的计数器133.4.1 74LS192的介绍143.4.2 74LS153的介绍153.5译码显示电路173.6倒计时显示电路184电路的测试与仿真195设计电路图206总设计思路207个人体会218元件清单229实物图及其调试分析2310参考文

4、献26摘要交通灯控制系统在城市交通控制中发挥着重要的作用，本次课程设计就是以城市交通灯控制系统为背景的，主要通过运用学过的数字电路设计的知识完成基础的交通灯基本功能，包括时间的定时和交通灯各种状态之间的转换，并且要实现通行和禁行的时间的设置，本次设计采用数字电路仿真软件Proteus对所设计的电路进行仿真和测试，并通过观察仿真结果看设计是否符合要求。关键字：交通灯 减计数器 状态译码 数字电路仿真Abstract Traffic light control system in urban traffic control plays an important role in the design

5、 of this course is to urban traffic lights control system for the background, mainly studied through the use of the digital circuit design based on knowledge of the completion of the basic functions of traffic lights, including time traffic signal timing and the conversion between the various state

6、and to achieve the passage of time and cut-line setting, this design uses a digital circuit simulation software for the design of Proteus circuit simulation and testing, and by observing the simulation results to see whether it meets the requirements design.Keywords: Traffic Lights Decrease Counter

7、State Decoding Digital Circuit Simulation1设计任务在主、支道路的十字路口分别设置三色灯控制器，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮要求压线车辆快速穿越。根据车流状况不同，可调整三色灯点亮或关闭时间。设计要求：1.1基本部分可用LED红，绿，黄三色灯来模拟交通红绿灯；设置主道路绿、黄、红灯亮的时间分别为60秒、5秒、25秒；次道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、65秒；主、次道路时间指示采用倒计时制，用2位数码管显示。时序关系应该符合如下要求：主道路绿灯：主道路黄灯：主道路红灯：次道路黄灯：次道路红灯：5秒5秒60秒25秒20秒65秒循环周期

8、图1-1交通灯时序图2设计方案2.1方案一：根据设计要求，主道路绿、红、黄灯亮的时间分别为60s、25s、5s,次道路绿、红、黄灯亮的时间分别为20s、65s、5s。设计的系统可以由控制器、定时器、秒脉冲信号发生器、信号灯等组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器及移位寄存器的工作。秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需要的标准信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。Tl和Ty为定时器的输出信号，St为控制器的输出信号.图2-1 方案一原理框图Tl：表示主道路或次道路绿灯亮的时间间隔，即车辆正常通行的时间间隔。定时到Tl=1，否则Tl=0.Ty：表示黄灯亮的时间间隔，定时到，Ty=1，否则Ty

9、=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一个工作状态的定时。2.2方案二：设主干道方向红绿黄灯分别为R,G,Y,次道路方向红绿黄灯分别为r,g,y。用十进制减数计数器控制三种状态的保持和切换，主干道和次干道共用同步的脉冲信号，主干道方向先由60s减数到0s的时候切换为黄灯并开始5s倒计时，到第二次减数到0s时切换为绿灯并开始25s倒计时，待减数到0s时在切换为绿灯，为一个循环（周期为90s）。同理，次干道方向红黄绿三灯保持亮的时间分别为65s、20s、5s，一个循环也是90s，可实现红黄绿的切换。如图2-2为工作流程图：图2-2方案二流程图2.3最

10、终确定的方案方案一采用的是基本数字电路，原理比较简单，且其原理和所使用器件都是我们在数字电子技术课程中所学过的，但是此方案也有1个大的缺陷：它对两路时间对称的系统容易实现，但对设计要求的两路时间不对称的系统较难实现，如果要实现两路时间不对称的控制就要多加控制信号，这样实现就很麻烦，且条理不清。方案二采用的也是数字电子技术中所学的基本原理与芯片，具有方案一的全部优点，且其设计思路清晰，只是简单的计数，译码再通过逻辑门电路对其进行控制。最大的优点是各部分电路是相互独立的，可以采用分开接线，分开测试的方法，方便检查线路，当各部分电路检测输出无误后再将各部分连接成整体。对实际检验校对很有帮助，且此电路

11、能较方便地实现对控制时间的倒计时。综上分析，此设计方案选择方案二，其原理简单，便于连线，便于调试，且容易实现与灯控制信号同步的倒计时功能。3.具体电路的设计3.1系统概述 在城镇的十字路口中，为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。在主干道和支干道两条道路上，每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯。主干道与支干道上的车辆交替运行，主干道上的车辆比较多，因此主干道的车辆通行时间长；支干道的车辆少，因此支干道的车辆通行时间短。主干道通行时，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，时间为60s；支干道通行时，支干道绿灯亮，主干道红灯亮，时间为20s；每次绿灯变红时，黄灯先闪烁5s

12、。此时另一路口的红灯不变。基于以上规则设计的交通控制器控制十字路口两组红、黄、绿交通信号灯的状态转换，可以方便得实现指挥各种车辆和行人通行，实现十字路口交通管理的自动化。根据要求中交通指示灯定时亮灭，时间指示采用倒计时显示，则需要由定时系统，计数器，时钟电路等来满足，状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过译码器分别点亮相应状态的信号灯。秒信号发生器产生整个定时系统的时基脉冲，通过减法计数器对秒脉冲计数，达到控制每一种工作状态的持续时间。减法计数器的的回零脉冲时状态控制器完成状态转换。其工作框图如图3-1所示：时钟电路主道计数器次道计数器译码显示器译码显示器组合电路路组合电路秒脉冲

13、电路主绿主黄主红次绿次黄次红计 数 器组 合 逻 辑 电 路图3-1 工作框图3.2单元电路的设计交通控制器电路按功能分成3个单元电路：振荡电路、计数器和译码显示电路、主控制电路和信号灯译码驱动。3.2.1振荡电路振荡电路输出频率为1Hz、幅度为5V的时钟脉冲，为提高精度，本设计系统利用555定时器设计一个输出频率为1Hz的多谐振荡器。555定时器是一种多用途的模拟、数字混合集成电路，在波形的产生与变换，控制与检测、家用电器以及电子玩具等许多领域中得到了应用。555定时器功能多样，应用广泛，只要外部配上几个阻容元器件即可构成单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器等电路。由555定时器构成的1H

14、z多谐振荡器电路原理图如图3-2所示。电路由一个555芯片、两个电阻和两个电容组成，通过电阻给电容充电、放电的过程来产生振荡，从而输出矩形脉冲。因为该电路输出脉冲周期为：T（R1+2R2）Cln2,若T=1s,令C=10µF，R1=10K，R2=70K，经过计算的T=1s，则f=1/T=1Hz。从而使传输脉冲周期为1s。为了便于调节，R2会采用100K的滑动变阻器。555定时器构成的多谐振荡器及输出图 图3-2 555定时器构成的1Hz多谐振荡器电路原理图图3-3 555脉冲发生器的仿真图3.3控制电路的设计 本次交通灯控制系统可划分为四个状态（S0，S1，S2，S3），具体表现为：

15、表3-1 交通灯控制系统状态表状 主道交通灯 次道交通灯态 绿 黄 红 绿 黄 红00 1 0 0 0 0 101 0 1 0 0 0 110 0 0 1 1 0 011 0 0 1 0 1 0注：表格中1表示相应的灯亮，0表示相应的灯灭。由于涉及四个状态之间的转换与循环，属于时序逻辑电路的范畴，根据学过的数字电路的相关知识可以利用普通的两位计数器完成状态控制模块的设计，也可以通过仅使用普通四位计数器的低两位即可完成相应的功能，计数器的低两位按如下方式进行循环：图3-4 控制电路状态转换图经分析各状态后，发现四种状态可以综合为三种状态:在00的时候主干道置数60s开始倒计时，同时次干道置数65

16、s开始计时，01的时候主干道置数5s开始倒计时次干道置数20s开始倒计时，10s的时候主干道置数25s开始倒计时次干道置数5s开始倒计时。则可清除的形成以下状态：主干道绿灯变红灯时有60s减至00s此时次干道红灯倒计时至5s，主干道变黄灯由5s开始倒计时至0s而次干道红灯继续由5s倒计时至0s，此时主干道变红为25s开始倒计时次干道变绿灯有20s开始倒计时，20s后主干道还处于红灯状态由5s继续倒计时，而此时次干道正为黄灯开始5s倒计时，5s以后变为00状态，开始新一轮循环，便实现了时序图的要求。图3-5 控制电路图3.4 74LS192构成的计数器 计数器是一个用以实现计数功能的时序部件，它

17、不仅可用来计脉冲数，而且常用作数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能，在电路设计中应用相当广泛。交通灯的减计数分主干道和支干道两部分，由于两部分的计数时间不同因而要分别采用两个计数器对其进行计数，计数采用倒计时的方式，因而需要采用带减计数功能的计数芯片，并且需要计数的长度可以进行预置。根据设计要求，交通控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，该定时器由两片74LS192构成的两位十进制可预置减法计数器完成。预置到减法计数器的时间常数通过三片8路双向三态门74LS153来完成。三片74LS153的输入数据分别接入三个不同的数字，任一输入数据到减法计数器的置入由状态译码器

18、的输出信号控制不同74LS153的选通信号来实现。图3-6 计时电路图计数器电路具有65s倒计时（计数范围为651的减数计数）、60s倒计时（计数范围为601的减计数）、25s 、20s 、以及5s 计时功能。这些电路的实现主要是由2片十进制计数器74LS192芯片组成，然后通过主控制电路实现转换，最终各个方向的倒计时公用一套译码显示数码管显示出来。3.4.1 74LS192的介绍74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟十进制可逆计数器、异步并行置数功能、保持功能以及清零功能。 其引脚图和功能表如下：图3-7 74LS192引脚图图中: CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输

19、入端；PL为预置输入控制端，异步预置；MR为复位输入端，高电平有效，异步清除；TCu为进位输出：1001状态后负脉冲输出；TCd为借位输出：0000状态后负脉冲输出。其功能表如下：表3-2 74LS192功能表              输入     输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1 × × ×××××00

20、00 0 0 × ×dcbadCbA 0 1  1××××    加计数 0 1 1 ××××    减计数 3.4.2 74LS153的介绍74LS153 为两组 4 选 1 数据选择器，数据选择端（AB）为两组共用，按二进制译码，以供两组从各自的 4个数据（1C01C3，2C02C3）中分别选取 1 个所需的数据。

21、只有在 两组各自的选通端（1G、2G）为低电平时才可选择数据。其引脚图和功能表如下：图3-8 74LS153管脚图引出端符号：A、B选择输入端1C01C3、2C02C3数据输入端1G、2G选通输入端（低电平有效）1Y、2Y数据输出端表3-3 74LS153功能表17武汉理工大学十字路口交通灯的设计与实现课程说明书3.5译码显示电路 由于置数位60s后开始倒计时的时候用于状态转换的74LS192此时Q0Q1处于01等待下次置数的输入，所以主干道01时显示绿灯10时显示黄灯00时显示红灯，次干道方面01是显示红灯10时显示绿灯00是显示黄灯： 状态控制输出 主干道交通灯 次干道交通灯Q1Q0 G

22、Y R g y r 00 0 0 1 0 1 001 1 0 0 0 0 110 0 1 0 1 0 0有真值表可求出各信号灯的逻辑函数表达式为： G=Q0 g=Q1 Y=Q1 y= R= r=Q0现在选择半导体发光二极管模拟交通灯，根据逻辑表达式设计组合电路以达到交通灯状态转换。故状态译码器的电路组成如图图3-9 状态译码器的电路组成3.6倒计时显示电路减数计数显示部分为两个74LS192相互级联并接上7端数码管，分别控制十位和各位的输出，由低位的借位端BO连至高位的减数输入信号DN端实现60、65、25、20、5进制的减数计算如图9所示：图3-10 倒计时显示电路图4电路的测试与仿真状态译

23、码器主要完成对状态计数器的输出进行译码的工作，是整个设计的核心所在，也是电路其它部分正常工作的基础，调试时将状态计数器接至Proteus提供的数字脉冲源，将脉冲周期设置为1s，仿真运行，观察主道和次道个交通灯的状态转换与状态计数器的输出与表3和表7列出的真值表进行对比看是否符合要求计数器模块主要实现倒计数功能， 而译码显示则是将计数器的状态进行译码并通过数码管加以显示，仿真调试主要是观察计数器能否正确减计数，并且在减计数至00时能否自动进行预置数，在仿真调试时将两片计数器的预置数端接Proteus调试工具中的逻辑状态（LogicState），时钟脉冲选用Proteus提供的时钟信号源，进行仿真

24、分析，观察计数器的计数是否符合要求，并且在减计数至00时能否自动进行预置数。用protues软件仿真绘制的电路图，观察两只译码显示器的变化，通过测试分别得其四种状态的结果如下:图10-1 仿真效果图5设计电路图图5-1 仿真完成电路图6总设计思路交通灯控制系统主要由状态控制模块，减计数模块，译码显示模块，计时时间预置模块，秒脉冲发生模块几部分构成，系统初次上电时由于状态控制器的计数器初始值不确定，因而会进入一不确定状态，但在依次状态转换（主道和次道任一计数器减计数至零）后，系统即可进入正常的工作状态。在正常工作状态下，状态计数器的低两位一直在四个状态之间循环，通过对四种状态的输出（Q1，Q0）

25、的译码即可控制交通灯的四个工作状态，同时对其状态译码还可以控制主道和次道减计数器下一状态的预置数，从而实现不同时间的定时。从设计要求所给的波形图可以发现，主道和次道任一计数器减计数至零时即进行依次状态转换，而减计数至零时将进行预置数，因而可以通过预置数反馈线信号取反后经过或非门为状态控制器的计数器提供转换信号，使在任一计数器减计数至零时均会发生状态转换。假设状态计数器处于Q1=Q0=0的状态，经状态译码电路后,G=r=1，Y=R=g=y=0,交通灯主道的绿灯亮，次道的红灯亮；T2=0；T1=T3=t1=t2=t3=1，三态总线收发芯片主道黄灯的计时周期预置数工作，在主道计数减计数至00时，产生

26、的借位信号经反馈为主干道计数器预置数，实现依据计时需要选择不同的预置数。同时错位信号产生的时钟上升沿使状态计数器的状态加一，进入下一计数状态，然后再进行状态译码，减计数，预置数，从而实现循环。7个人体会这次是第二次做课程设计。大二第一学期做过一份模拟电子的课程设计，所以这次已经没有了第一次的慌乱无措。当拿到这次的题目十字路口交通管理的设计与实现后，我就立刻开始查询相关资料，进行方案论证，选择方案，系统设计，基本电路的设计，做准备工作。但是这次的准备时间比较短，在所有考试完成后只有三天的时间，整个的过程都很匆忙。首先是要下载仿真软件protues。之前没有接触过这个软件，对它的各种使用都不是很熟

27、悉。在这次的仿真过程我一步一步的学会了使用它。与此同时，由于我自己准备的电路图，不是很简练，仿真的过程中，我也对电路进行了进一步的化简，增强了我对电路的理解。因为没有用到单片机，我的电路图中是时序逻辑图，涉及到很多的芯片，各种器件之间的接线很多很复杂。在仿真的过程中，因为粗心大意，好几次都接错了线，又因为对protues的不熟悉，导致仿真的过程是寸步难行。做电路图的仿真，做了整整15个小时。懂得付出的人，都值得得到回报。最后，终于是把仿真做出来。那下一步，就是电路板的焊接。同样的原因，因为用的是时序逻辑电路的组合，电路图很繁琐，画出完整的焊接图也耗费了一晚上的时间。因为电路图的两部分几乎是一模

28、一样，出于便于测试的目的，我把两部分完全分开焊接。主干道的焊接，用了一上午的时间，只要细心，都不会有太大的问题，一个上午也基本完成了。剩下的电路焊接基本相同，进行的很顺利的。但是最后组合到了一起怎么都不能成功。无奈之下，只能放弃这个焊接的电路，改用杜邦线来连接。但是，最后也并没有做出来。失败的原因在后面的调试环节中有做相关的总结。接下来就是写报告。报告中，对于我来说，最难的两个点是方案论证和原理的叙述。对于方案论证，我查阅了很多的资料，最后总结出了两个方案写在报告中，我采纳了其中的一个方案。原理的叙述困难在，我自己知道原理是什么，但是要很条理清晰的写出来，让没有做过这个实验的人也能看得懂，我觉

29、得就很困难了。这两个部分也是在最后一天占用我时间最长的。通过这次的数字电子课程设计的设计与制作，我将课堂上所学的数字电子知识运用到了实践当中，进一步加深了我对数字电子理论知识的理解。同时，这次的设计题目也是与现实生活息息相关的，让我切身感受到了数字电子与实际生活之间的联系，激发我对数字电子极大的兴趣。再者，我也学会了protues仿真软件的使用。以上所列种种，都为我以后对本专业的学习打下了坚实的基础。我也会吸取这次课程设计中的种种经验教训，运用到以后的学习生活过程中，争取在大四毕业时，成为一名合格的毕业生。8元件清单原件清单功能数量引脚数CD4511BCD译码器41674LS00与门21474LS04非门21474LS32或门11474LS153双向三态门61674LS192可逆计数器616555芯片18共阴数码管41016脚芯片座1614脚芯片座58脚芯片座1LED灯(红，绿，黄)各2个100K电位器1排针5排导线5m1K电阻4010K电阻1010uf电容100.1uf电容109实物图及其调试分析图9-1 555脉冲调试波形图图9-2 555实物正面图图9-2 555实物背面走线图分析：以上是所焊出来的实际电路图。这是焊接的第二块板子。第一块板子是用导线和锡连接的。但是鉴于芯片很多，芯片与芯片之间