数电交通信号灯课程设计交通信号灯控制器仿真设计

1、电子技术电子技术课程设计报告课程设计报告 题 目 交通信号灯控制器仿真设计 学 院 电子与控制工程学院 专 业 自动化 班 级 32010903 学生姓名 孙岩 学 号 3201090328 12 月 19 日至 12 月 30 日 共 2 周 指导教师（签字） 目录目录 第第 1 1 章章 摘要摘要 -2-2 第第 2 2 章章 引言引言-2-2第第 3 3 章章 信号灯的设计目的和设计要求信号灯的设计目的和设计要求-3-3第第 4 4 章章 设计原理及总方案设计设计原理及总方案设计-3-3第第 5 5 章章 系统元件介绍系统元件介绍-4-4 5.1 74LS163 计数器-4 5.2 55

2、5 振荡器构成的秒脉冲电路-5 5.3 共阴极 LED 七段数码管-8 5.4 74LS190 加减计数器-9第第 6 6 章章 设计模块思路和过程设计模块思路和过程-11-11 6.1 信号获取和传递模块-11 6.2 数码管显示模块-13第第 7 7 章章 调试结果调试结果-14-14 第第 8 8 章章 心得体会心得体会-15-15第第 9 9 章章 参考文献参考文献-16-16交通信号灯控制系统的设计交通信号灯控制系统的设计一、摘一、摘 要要 随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于 1918 年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市

3、五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。 当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调， 多值化方向发展随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注.随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的.全部有数字电路组成,比较以前的方案更为精确。关键词关键词：控制器 计数器 信号灯 译码电路二、引二、引 言言黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为

4、董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。 中国最早的马路红绿灯，是于 1908 年出现在上海的英租。 从最早的手牵皮带到 20 世纪50 年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样

5、化、方便人、车、路三者关系的协调， 多值化方向发展随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注.随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的.全部有数字电路组成,比较以前的方案更为精确。 三、交通信号灯的设计目的以及要求三、交通信号灯的设计目的以及要求十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。实现红绿灯的自动指挥是城市交通自动化的重要课题。本课题利用数字路的基本知识和设计方法，设计一个简单的交通灯控制系统要求。目的：1.掌握系统设计

6、的一般步骤和方法，掌握一个大的系统中各子系统之间的相互作 用和相互制约关系；2.运用数字电路理论知识自行设计并实现一个较为完整的小型数字系统。通过系统设计、电路安排与调试、写设计论文等环节，初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平；3.学会用中规模器件设计一个符合要求的系统，并熟悉常用中规模器件的用法。4.学会按照电路图在面包板上合理布局使各器件在系统中的连线更简单，清晰；5.在实践中运用理论知识，培养实际动手能力；要求：1.设计一个十字路口交通控制电路，要求东西方向和南北防线扯到两条叫你观察道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为 45s。 2.在绿灯

7、转为红灯时，要求黄灯先亮 5s，才能变换运行车道。 3.黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。4.东西方向，南北方向，车道出来有红,黄，绿灯指示外每一种灯亮的时间段偶用显示器进行显示（采用倒计时的方法） 5在一个主支干道的十字路口，东西和南北方向各设置一个红，黄，绿三种颜色的交通灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行。在绿灯变红灯时先要求黄灯亮 5 秒钟，以便让后来车辆准备停车。由于主干道车辆较多，支干道车辆较少，所以要求主干道处于通行状态的时间要长一些，为 30 秒；而支干道通行时间为 20 秒.四、设计原理及总体方案设计设计原理及总体方案设计 十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一

8、个主干道和一个支干道的十字路口如图 3-1 所示。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。主主主主主主主主主主主主 路口交通指挥系统示意图 交通灯控制系统的原理框图如下。整个系统可以分为4个模块，秒脉冲信号发生器、倒计时计数电路、信号灯转换器和信号显示器组成。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，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

9、换器的工作。交通灯控制系统的原理如下：交通灯控制系统的原理如下：倒计时计时器秒脉冲发生器信号灯转换器南北方向五、五、系统所需要的元件系统所需要的元件信号转换器中需要计数器 74163，在倒计时计数器中采用 74190 计数器，下面分别介绍这两种元件的功能，用法，及其原理5.15.17474LSLS16316374LS163 引脚功能表及管脚定义图引脚功能表及管脚定义图 (带时序波形图带时序波形图)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，计数器从零开始进行增1计数，东西方向向控制器提供模5的定时信号

10、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。74LS163的外引线排列图和时序波形图如图（一）所示，其功能表如表（二）所示。图中，是低电平有效的同控制器提供模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。74LS163的外引线排列图和时序波形图如图（二）所示，其功能表如表12、2所示。图中， 是低电平有效的同步清零输入端， 是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTT

11、 是计 图（一）交通灯的 ASM 图数控制端，CO 是进位输出端，D0D3是并行数据输入端，Q0Q 3是数据输出端。由两片74LS163级联组成的定时器电路如图(一)所示。 图（一） 图（二）5.2 555 振荡器构成的秒脉冲电路振荡器构成的秒脉冲电路 555 定时器是种中规模集成电路，只要外部配上适当阻容元件，就构成脉冲产生和整形电路。1 555 定时器的引脚定时器的引脚 时器 555 定时器内部结构和引脚排列图，如内部电路图，引脚排列图。555 定时器内部含有一个基本 RS 触发器，配个电压比较器 C1,C2,一个放电三极管 T 由三个 5K 的电阻的分配器，555 定时器因此而得名一个输

12、出缓冲器 G3。比较器 C1 的参考电压为 2VCC/3 加在同相输入端 C2 的参考电压为 VCC/3 加在反相输入端，两者均由分在器上取得。图 555 的内部电路图 555 定时器引脚排列图555 定时器个引线端的用途如下：11 端为接地线；22 端为低电平触发端，也称为触发输入端。当 2 端的输入高电压高 于 VCC/3 时，C2输出为 1；当输入电压低于 VCC/3 时，C2 的输出为 0，使基本触发器置 1；33 端 U0为输出端；44 端是复位端，当=0 时，基本触发器直接置 0，使 Q=0，=1；53 端 UDD 为电压控制端，如果 CO 端另加控制电压，则可以改变 C1，C2

13、的参考电压。工作中不使用 CO 端时，一般都通过一个 0.01uF 的电容接地，以防旁路干扰；66 端 TH 为高电平触发端，当输入电压低于 2VCC/3 时，C1 的输出为 1；当输入电压高于 2VCC/3 时，C1 的输出为 0，使基本触发器置 0，即 Q0=0，=1，这时定时器输出 U0=0；77 端 D 为放电端。当基本触发器的=1 时，放电晶体管 T导通，外接电容元件通过 T 放电；88 端 VCC为电源端，可在 4.3-1.6V 范围内使用，若为 CMOS 电路，则 VCC=3-18V。表 7-1 555 定时器功能表，它全面表示了 555 的基本功能。55 定时器功能表2 555

14、 定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器产生矩形波的自激振荡电路，由于矩形波包含和高次谐波成分，因此称为多谐振荡器。如图 7-3 555 定时器图 7-4 波形图采用 555 设计的多谐振荡器及其工作波形，其振荡频率与实际的数字钟频率略有出入，但可以通过校时装置校时。多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡） 。用 555 实现多谐振需要外接电阻 R1，R2 和电容 C，并外接+3V 的直流电源。只需在+VCC端接上+3V 的电源，就能在 3 脚产生周期性的方波。图 本次设计的秒脉冲电路图5 53 3 共阴极共阴极 L

15、EDLED 七段数码管数码管分为共阳极结构和共阴极结七段数码管数码管分为共阳极结构和共阴极结构构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。此次设计采用的是共阴极连接如图图 共阴极数码管引脚图 5.2 CD4511 译码器图 CD4511 管脚功能排列图 1.以下介绍各引脚的功能：其功能介绍如下： BI：4 脚是消隐输入控制端，当 BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3 脚是测试输入端，当 BI=1，LT=0 时，译码输出全为 1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“

16、;8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当 LE=0 时，允许译码输出。 LE=1 时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在 LE=0 时的数值。 A1、A2、A3、A4、为 8421BCD 码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平 1 有效。2.数码连接译码电路。CD4511 是一种 BCD 码输入端,其中 D 是高电位;a、b、c、d、e、f、g 是输出端,输出高电平有效,和共阴极半导体发光数码管各发光段的阳极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，CD4511 和数码管的管脚排列图:图 段数码显示器管脚接法图 数码管连接电路

17、图 3. 真值表共阳极数码管的数字显示真值表如下表所示表 七段显示译码电路真值表5.4 74SL190 加减计时器五、设计模块思路和过程通过总控制端控制两组倒计时器，分别循环计时，并在预定时间获取相应信号，提供给信号灯转换模块，从而实现信号灯按预定时间实现循环转换，交通信号灯的电路连接完成。我负责的是信号获取和传递模块和数码管显示模块，所采用的方法全部都是我们自己的思路，因此很多地方可能走了弯路，做的比较麻烦，望老师见谅。下面我重点介绍信号获取和传递模块和数码管显示模块。5.15.1 信号获取和传递模块信号获取和传递模块从倒计时计数器获得适当脉冲信号部分，由于我们所做的倒计时计数器无法实现从

18、45s 到 5s 再到 25s 再到 5s 倒计时的循环，因此在经过多次尝试无果的情况下，采用了 2 组倒计时器分别从 50s 和 30s 开始计时，当倒计时计数到 05s 的时候获得一个脉冲信号，传递给信号灯转化模块，使得黄灯亮，于是是第一组计数器先工作，计数由 50s 到 05s 过程中主干道绿灯亮，次干道红灯亮，05s 到 00s 过程中是主干道绿灯亮，次干道红灯亮，然后转为第二组计数器工作，计数由 30s 到 05s 时次干道绿灯亮，主干道红灯亮，05s 到 00s 时次干道黄灯亮，主干道红灯亮，因此只要在工作计数器示数为 05s 和 00s 时获得脉冲并提供给信号灯转换模块，就能实现

19、信号灯按预定想法转换，我的思路是直接从倒计时计数器的输出端来获取信号，即当且仅当计数器在所需示数时获得高电平，其余时候均为低电平，由此产生脉冲传递给信号灯转换模块，由于信号灯转换模块采用了74ls163 计数器接收脉冲信号，而 74ls163 接收端 clk 仅当下降沿有效，因此若要想使信号灯在 5s 和 0s 的时候转换，需在倒计时计数器示数为06s 和 01s 的时候产生高电平，使其到 05s 和 00s 的时候出现下降沿使信号灯转换模块的 74ls163 工作，让交通信号灯发生变化，按照这个思路，需要在 06s 和 01s 时获得高电平，其余时间均为低电平，由 74ls190 的特性可知

20、，当计数为 06 时，十位计数器输出端为 0000，个位计数器输出端为 0110，为保证当且仅当在此输出时才会出现高电平，将十位计时器的四个输出端相或非，将个位计数器输出低电平的端接非门，然后再将四个相与，最后将从十位计数器接出的端和个位计数器接出的端相与，这样，只有当示数为 06 的时候，输出端才会变为高电平，其与情况下均为低电平，同理，连接出只有当示数为 01 时才会变为高电平的输出端，并将这两组共四个输出端相或，这样一来，只要工作的计数器出现 06 或者 01 就能产生一个高电平信号传递给信号灯转换模块，使其按预定工作，在制作这一部分过程中，由于对 multisim 门电路认识不够深刻，

21、开始时使用 4 输入1 输出的与门，发现每次都会产生两个下降沿信号，经过多次调试均不能解决，然后通过示波器仿真发现每次输出并不是一个高电平，而是一个完整周期的方波脉冲，因此每次都产生两个下降沿，然后通过调试发现是门电路选用不恰当，后经更改消除了这一错误，并在这个过程中对 multisim的门电路有了一定的了解。信号获取传递模块如下 图U974LS193DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U1174LS193DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14VCC5VU30A7432

22、NU30B7432NU33A7404NU34A7404NU32A7408JU40A7408JU41A7408JU41B7408JU31B7432NU42A7404NU43B7432NU45A7404NU46A7404NU47A7404NU48A7408JU49A7408JU50A7408JU44B7408JU57B7432NU374LS193DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U774LS193DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U25A7404NU26A7404NU

23、27A7432NU27B7432NU29A7408JU24A7408JU35A7408JU36A7408JU28B7432NU37A7404N5.2 数码管显示模块该模块的作用即是只将工作的计时器的输出信号显示出来，不工作的计时器不予显示，要想实现这一过程，首先得从计时器控制端入手，找出计时器模块的控制端，由于计时器控制模块是由 74ls160 通过计数变化控制两组计数器，当其控制输出端为 1 时，被控制的倒计时器工作，由此可将控制端与倒计时器的输出端分别相与，这样不工作时不论倒计时计数器示数为多少，都为 0，数码管都不会显示，然后分别将两组计数器的输出端相与，相与后的信号按对应的高地位相或后

24、连上数码管，即可产生数码管只显示工作计数器的输出情况，不显示不工作计数器的输出情况，由于两组计数器循环工作，因此数码管一直循环显示两组计数器的输出,从而实现主干道支干道不同时间的同步显示数码管显示模块如下图：U58DCD_HEX_BLUEU59A7408JU60A7408JU61A7408JU62A7408JU63A7408JU64A7408JU65A7408JU66A7408JU57A7432NU43A7432NU31A7432NU39A7432NU67A7408JU68A7408JU69A7408JU70A7408JU71A7408JU72A7408JU73A7408JU74A7408JU

25、75A7432NU76A7432NU77A7432NU78A7432NU79DCD_HEX_BLUEU80DCD_HEX_BLUEU81DCD_HEX_BLUE第第 7 7 章、调试结果章、调试结果将上述三部分依次完美连接，通过总控制端控制两组倒计时器，分别循环计时，并在预定时间获取相应信号，提供给信号灯转换模块，从而实现信号灯按预定时间实现循环转换，交通信号灯的电路连接完成。以下是总电路图VCC5VVCC5VVCC5VU374LS193DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U774LS193DA15B1C10D9UP5QA3QB2

26、QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U20A7404NU1774LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U18A7433NU22A7408JU974LS193DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U1174LS193DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14VCC5VVCC5VU174LS163NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD

27、9CLR1CLK2VCC5VU2NOTU5NOTU6NOTU13NOTU14NAND2U15AND4U16AND4U19AND4U21AND4X12.5 V X22.5 V X32.5 V X42.5 V X52.5 V X62.5 V U25A7404NU26A7404NU27A7432NU27B7432NU29A7408JU30A7432NU30B7432NU33A7404NU34A7404NU24A7408JU35A7408JU36A7408JU28B7432NU37A7404NU39B7432NU32A7408JU40A7408JU41A7408JU31B7432NU42A7404NU

28、41B7408JU43B7432NU45A7404NU46A7404NU47A7404NU48A7408JU49A7408JU50A7408JU44B7408JU38A7404NU51A7404NU52A7404NU53A7408JU54A7408JU55A7408JU56A7408JU57B7432NX72.5 V X82.5 V X92.5 V X102.5 V X112.5 V X122.5 V X132.5 V X142.5 V X152.5 V X162.5 V X172.5 V X182.5 V U58DCD_HEX_BLUEU59A7408JU60A7408JU61A7408JU

29、62A7408JU63A7408JU64A7408JU65A7408JU66A7408JU57A7432NU43A7432NU31A7432NU39A7432NU67A7408JU68A7408JU69A7408JU70A7408JU71A7408JU72A7408JU73A7408JU74A7408JU75A7432NU76A7432NU77A7432NU78A7432NU79DCD_HEX_BLUEU80DCD_HEX_BLUEU81DCD_HEX_BLUEVCCOUTU4555_TIMER_RATEDGNDDISRSTTHRCONTRIR7100C310FR8100C410nFVCC5VVCCOUTU8555_TIMER_RATEDGNDDISRSTTHRCONTRIR1100C110FR21