交通灯控制器课程设计报告

1、中南林业科技大学课程设计报告设计名称：交通灯控制器姓 名：学 号：专业班级：院（系）: _指导教师评语：成绩：签名：年月日课程设计题目：交通灯控制器时间: 2015年6月29日至 7月13日地点：指导老师：二、课程设计目的交通灯控制信号的应用非常广泛。本电路设计一个交通灯控制 器，需要达到的目的如下：一个周期 64 秒，平均分配，前 32 秒红灯亮，后 32 秒绿灯亮 在红灯亮的期间的后 8 秒与红灯在一起的黄灯闪烁（注意：红 灯同时亮）。为了显示效果明显，设计闪烁频率为 1。 在绿灯亮的期间的后 8 秒与绿灯在一起的黄灯闪烁（注意：绿 灯同时亮），为了显示效果明显，设计闪烁频率为 1。 在黄

2、灯闪烁期间，数码管同时倒计时显示，在此期间以外，数 码管不亮 .三、课程设计方案 为了完成交通灯控制电路的设计，方案考虑如下： 一个脉冲信号发生器，一个二进制加法计数器，一个十进制减 法计数器，红灯与绿灯以及黄灯是否亮是由二进制加法计数器 的输出端状态来决定的，因此，设计一个组合逻辑电路，它的 输入信号就是二进制加法计数器的输出信号，它的输出就是发 光二极管的控制信号，因此，需要一个组合逻辑电路，六个发 光二极管（二个红色发光二极管，二个绿色发光二极管，二个 黄色发光二极管）电路，一个数码管显示电路。结构图如下：四、课程设计原理脉冲信号发生器由定时器555构成。二进制加法计数器由七位二进制加法

3、计数器 4024构成。十进制减法计数器由74LS193可逆可预置十进制计数器构成。 组合逻辑电路根据其输入输出的逻辑关系后再确定电路芯片。驱动器选用4511。从以上讨论可知，需要对所采用的芯片有比较详细的了解。下面对以上几种芯片的基本知识和基本特性进行介绍。1、555定时器555定时器是一块常用的集成电路，电路符号如左图所示，8为电源端VCC 1为公共端GND所加电源电压范围：4.5VWCCV18V 最大输出电流达200mA内部电路原理图如右图所示，内部有三个相 同的分压电阻，每个电阻上的电压都为1/3VCC两个比较器C1和C2, C1的比较电压为2/3 VCC C2的比较电压为1/3 VCC

4、当比较器“ +” 端电压大于比较器“-”端电压时，比较器输出高电平（其状态用 1 表示），当比较器“ +”端电压低于比较器“-”端电压时，比较器输 出低电平（其状态用0表示）。G1, G2两个与非门构成基本RS触发 器，G3为输出缓冲反相器，起整形和提高带负载能力的作用。 T为泄 放三极管，为外接电容提供充放电回路。利用555定时器设计电路时， 主要是考虑如何让2和6的电位发生变化（外接信号或利用电容器的 充放电过程实现）而让定时器的输出状态发生变化，而设计成各种具 有不同功能的电路。实际555器件如小图所示，有小圆点对应的脚为 1脚，依逆时针方向依次为2，3, 4，5，6, 7, 8号脚。2

5、、555应用：多谐振荡器（产生连续矩形波信号），电路原理 如图所示（4脚为高电平时，电路振荡，4脚为低电平时，电路不振 荡）。开始时，内部泄放三极管由于其基极输入为低电平， 是截止的， 电源通过R2和R1对电容器C充电，2，6脚电位开始上升，当上升 到2VCC/3时，电路状态发生翻转，内部泄放三极管由于其基极输入 为高电平，所以饱和导通，电容器通过 R1放电，2，6脚电位又开始 下降，直至降到VCC/3,电路状态再次发生翻转，内部泄放三极管截 止，电源再次对电容器充电。这样周而复始，输出连续的矩形波信号， 由3脚输出。一般取C1为103电容。理论推导：理论推导的依据是电容器的充电时间和放电时间

6、的讨充电时间的计算：从前面对芯片 555的了解可知，在“ 7”脚内部所接的泄流三极管截止时，电容器充电，充电电压从VCC/3充至由此可以利用电容2VCC/3此时是电源通过 R2+R1电阻向电容充电,器的电压与充电时间的函数关系计算出电容充电时间；函数关系式可由中学物理知识或大学电路分析课程中给出：tUc 二Vcc(1 e1)在充电过程中，R= R1+R2.丄因此丄Vcc 二Vcc(1 - e RC)32 上2Vcc =Vcc(1eRC)3分别计算出t1和t2，则充电时间为T1 = t2 - t1放电时间的计算：从前面对芯片555的了解可知，在“ 7”脚内部所接的泄流三极管饱和导通时，电容器放电

7、，放电电压从2VCC/3放至VCC/3,此时是电容通过 R1电阻向电容充电，由此可以利用电 容器的电压与放电时间的函数关系计算出电容放电时间；函数关系式可由中学物理知识或大学电路分析课程中给出：tuc = Vcce RC在放电过程中，R= R12 _t£因此-Vcc =Vcce RC3Vcc =Vcc eC3分别计算出t1和t2，则放电时间为T1 = t2 - t1由以上计算出的充电时间和放电时间之和就是周期，周期的倒数就是频率。最后得到的结果：振荡器的频率由电阻R1, R2和电容C决定。f 1.43一（2R R2）C脉冲波的占空比由电阻R1和R2决定，结果为y _ R1 + R2一

8、 2R R2可见，当R2越小时，占空比接近50%。本电路555多谐振荡器的频率的确定，因为信号灯的状态时间是 以秒来计量的，因此计数器的计数状态应以秒为单位来计数最为方便， 即指定计数器的最低位定为 Q2 （不一定是计数器的最低位，本项目的计数器的最低位用作其它用途）,因状态 Q7Q6Q5Q4Q3Q2有 64 个状态，每个状态对应时间为1秒（频率为1）,即1秒钟状态变化1 次，而每一个状态对应Q1端一个脉冲，因此，Q1端是1秒钟产生1 个脉冲，所以555的振荡频率就应该为2 （因为经过计数器计数后在 计数器的最低位Q1进行了 1/2分频）。3、七位二进制计数器4024七位二进制计数器4024各

9、脚功能如图所示，14脚为电源端，所接电源电压范围：+3V-+15V,7脚接地GND2脚为复位端（清零端）， 高电平有效。 1 脚为脉冲信号输入端，下降沿有效（即计数器在脉冲 下降沿时刻计数）。Q7Q6Q5Q4Q3Q2是七个数据输出端，Q7为最高位， Q1 为最低位。当输入脉冲信号后，计数器输出端的状态变化： 00000001111111。本电路中的组合逻辑电路的输入信号为二进制计数器的输出信号Q7Q6Q5Q4Q3Q设计Q2信号频率为1,而输出应为六个表示路口交 通灯信号的发光二极管（一方为红绿黄灯 DR1 DG1 DY1另一方为 红绿黄灯DR2 DG2 DY2的控制信号，分别用LR1, LG1

10、, LY1和LR2, LG2LY2表示，但注意至U DR1和 DG2状态相同，DG1和 DR2状态相同， DY1和DY2犬态相同，所以实际上只要三个输出信号即可，分别用L1, L2， L3 表示。本电路因为控制周期是 64秒，所以只需要 64个状态，因此只要 用 4024输出端的 6个输出端就可以了， 本人决定用状态 Q7，Q6，Q5， Q4， Q3， Q2。组合逻辑电路的输出信号L1,L2, L3与电路的输入信号Q7, Q6Q5, Q4, Q3, Q2的关系的讨论：信号灯的定义，L1表示红灯，L2表 示绿灯，L3表示黄灯。对于其中一路信号灯来说，前 32 秒（对应的 4024 计数器输出状态

11、 Q7Q6Q5Q4Q3Q2000000011111）红灯 1 亮，绿灯 1 不亮。而在这 32 秒时间内，前 24 秒（对应的 4024 计数器输出状态Q7Q6Q5Q4Q3Q200000C010111）黄灯不亮。后 8 秒（对应的 4024 计数器输出状态 Q7Q6Q5Q4Q3Q2010111011111 ）黄灯亮。另一路的灯亮状态分析与上一路的分析完全相同U?1>CLKQIQ2RSTQ3Q4Q5Q6Q?12nJ"FT2965434024综上所述，用如下真值表表示:编号Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2L11L12 L13L21L22 L23说明0-1500 xx x x100

12、010红1绿2亮16-201 0x x x100010红1绿2亮324-301 1x x x101011红1绿2黄12亮132-410 xx x x010100红2绿1亮748-511 0x x x010100红2绿1亮556-611 1x x x011101红2绿1黄12亮3从以上可知Ll1 =Q7，L21 =Q7，需要低电平有效时，Li =Q7L12二Q7， L22二Q7，需要低电平有效时，L2二Q7L13 二 L23 二 Q6Q5 - Q6Q5考虑到黄灯需要闪烁，可以让 L3信号和Q1信号(频率为1HZ的 脉冲波)加到一个二输入的与非门的两个输入端，输出信号为L4,L4 = L3 Qi当

13、L3为0时，L4 =1当L3为1时，L4 =01可见，需要L4低电平有效，这样，L3为0时，黄灯不亮，L3为 1时，黄灯闪烁。由以上讨论可知，需要二个二输入的与非门，三个非门，为节约 器件，三个非门中的二个非门用与非门实现，另一个非门用三极管实现。这样，需要四个二输入的与非门，正好可以用芯片74LS00, 个三极管构成的非门。VccflXn1 J:4¥<I11JAJVJIQ««cF1>1AI1 11r I鼻卜1aaIs r I3GRUD74LS00外形为DIP14, 74LS00是一块四-二输入的数字集成芯片，内 有四个完全 一样的二输入的与非门，14

14、脚接VCC( +5V), 7脚接地 GND它们中的四个二输入的与非门如图所示，其中A B为与非门的两个输入端，Y为输出端。额定拉电流4mA额定灌电流8mA额定 输出高电平电压3.6V。F面讨论倒计时及显示电路可逆十进制计数器选用74LS1934、可预置二进制可逆计数器74LS193简介74LS193外形结构为DIP16，其中(8)脚接GND ( 16)脚接+5V电源。1) CU 加计数脉冲信号输入端。2) CD 减计数脉冲信号输入端。注意：用其中一个输入端时，另一个输入端接咼电平。74LS193Q3为最高位，Q0TCTCQDQCQBG3 2 p pppuF3CUKiIJ121巧23D U3)Q

15、3,Q2,Q1,Q0-计数器数据输出端,为最低位。4)P3,P2,P1,P0 -计数器预置数输入端,当计数器处于预置数状态时，通过该输入端预置数，此时Q3Q2Q1Q0二P3P2P1P05) MR 复位信号输入端，上升沿有效，即当MF从 0跳到1时，计数器复位，此时Q3Q2Q1Q0=0000当MR=C时，计数器处于计数状态。6) PL 预置数功能控制端，低电平有效，当PL=0时，计数器处于预置数状态，当PL=1时，计数器处于计数状态。7) TCU 加计数进位信号输出端。8) TCD 减计数借位信号输出端。根据设计要求，预置数为8, P3=1,接高电平(电源)，P2=P仁P0=0,接低电平(地 G

16、ND。黄灯不亮，即L3=0时，计数器需要处于预置数状态，即PL=0,黄灯亮，即 L3=1时，计数器需要处于计数状态，即PL=1。可见，PL=L3.作为减法器使用，CU接高电平，CD接脉冲信号Q2因计数器处于计数状态或预置数状态，不能处于复位状态，因此让MR=O.从前面讨论可知，多谐振荡器振荡频率为2H乙以此确定多谐振荡器电路的电阻和电容。5、四线-七段译码器/驱动器74LS48（内带上拉电阻）16脚接电源+VCC=+5V8脚接地GND DCBA为8421BCD码数据输 入端，D为最高位，A为最低位。abcdefg（高电平有效，输出电流小 于6mA为7个输出端，分别接七段数码管的 7个输入端ab

17、cdefg,所 接数码管必须是共阴数码管。LT 灯测试输入端，低电平有效，即当此灯为低电平且 BI/RBO 为高电平（或开路）时，输出全为高电平，数码管内所有发光二极管 全亮。bI/Rbo 消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效）， 只要此端为低电平，输出全为低电平，数码管内所有发光二极管全不RBI脉冲消隐输入端，低电平有效。当此端为低电平且 ABCD也 同时为低电平时，输出全为低电平，数码管内所有发光二极管全不亮。要让数码管正常显示0 9, 3, 4, 5脚都接高电平。要让数码管 显示1 9而不显0,则3接高电平，5接低电平，4悬空（或电源通 过电阻接4）。这实际上就是消0,例于最

18、高位的数码管就希望是这 样。6、四线-七段译码器/驱动器4511（内不带上拉电阻）16 脚接电源 +VCC=+315V, 8 脚接地 GND DCBA为 8421BCE码 数据输入端，D为最高位，A为最低位。abcdefg（高电平有效，输出 电流小于6mA为7个输出端，分别接七段数码管的7个输入端 abcdefg,所接数码管必须是共阴数码管。113A.A122rip110D10oELTFEl0-LEy151445114511的使用与74LS48基本相同，但是有二点需要注意：1）功能脚“5”的使用的区别，74LS48是高电平有效，而4 5 11是低电平有效。2）74LS48是内带限流电阻的，而4

19、511是不带限流电阻的， 因此，在使用4511时，4511的输出端与数码管的输入端之间是要串 接限流电阻的。组成数码管的七段实际上就是七个发光二极管，当这七个发光二极管中不同的二极管亮时，就显示 09中不同的数字。数码管的符号数码管的输出引脚有两种形式，一种是上下排列，一种是两边排列，各引脚名称如下面两图所示。comafbgcedpCUMCJ br J 门屮 C4和I it)DSL3d com数码管的符号数码管的使用需要注意的是:一是数码管有共阴数码管和共阳数码管之分，所谓共阴数码管就 是公共端COM接地，所谓共阳数码管就是公共端 COM接电源。二是要注意数码管的电流大小，一般不要超过 10m

20、A三是要注意各管脚功能的确定。在不清楚数码管的基本情况时，可用测量的方法确定。电源负极 接公共端，电源正极通过一个电阻（5V电源时，电阻可为5 0 0到 IK, 12V电源时，电阻可为1 . 5 K到2K）,再加到任一输入端,观察数码管的亮与不亮情况，判断数码管的类型各管脚。S2十5U3D五、参数确疋与计算过程由芯片NE555构成多谐振荡器，从前面的讨论可知，本电路振荡 频率选用2HZ本电路频率高低由元件 R1, R2和C2决定。按图选用 其参数后，振荡频率为f _1.43(R 2R2)C2计算结果为f =2.04 Hz多谐振荡器的输出信号(脉冲波)从555的”脚输出送到七位二 进制计数器40

21、24的输入端“1”脚。当Q7端状态为低电平时（即前3 2个状态），通过非门U3C输出 高电平，三极管饱和导通， 接在这一路上的一红灯和一绿灯亮（即一 个方向的红灯和另一方向的绿灯亮）。而从U3C输出接到另一路的一 红灯和一绿灯不亮。所以在装配电路时，要注意红灯和绿灯的位置。当Q7端状态为高电平时（即后3 2个状态），通过非门U3C输出 低电平，三极管截止，接在这一路上的一红灯和一绿灯不亮（即一个 方向的红灯和另一方向的绿灯不亮）。而从U3C输出接到另一路的一 红灯和一绿灯亮。在Q6Q5同为高电平（11000 - 111 11）共 8个状态时， 与非门U3B输出低电平，再通过非门 U3A输出高电

22、平，注意与非门 U3D此时一个输入信号为高电平，另一个信号接4 0 2 4的输出最低 端，是一个振荡信号，所以此时接在这一路的二个黄灯闪烁。在Q6Q5不全为高电平（除1 1 0 0 0- 1 1 1 1 1以外的所有状态）时，与非门U3B输出高电平，再通过非门U3A输出低电平，注意 与非门U3D此时一个输入信号为低电平，输出恒为高电平，所以此时 接在这一路的二个黄灯不亮。同时，在Q6Q5不全为高电平（除1 1 0 0 0- 1 1 1 1 1以外的所有状态）时，与非门U3B输出高电平，再通过非门U3A输出低电平， 这个低电平接在74LS193的PL端（注意PL端是低电平有效，是预置 数功能端，

23、PL=0,芯片处于预置数状态，PL=1,芯片处于计数状态）， 所以，此时芯片处于预置数状态，注意，预置数为8,同时，这个信 号又接到4511R的BI端（BI为灭灯功能端，低电平有效），因此， 此时数码管全不亮。当 Q6Q5同为高电平（11000 - 11111） 共8个状态时，与非门U3B输出低电平，再通过非门U3A输出高电平， 这个高电平接在74LS193的PL端，所以此时芯片处于计数状态，注 意计数状态为减计数。同时，这个信号又接到 4511R的BI端（BI为 灭灯功能端,低电平有效） ,因此,此时数码管正常工作。数码管限流电阻的计算：4511输出高电平5V,发光二极管的导通压降为 1.8

24、V 2.0V，若 设计发光二极管电流为310m A则限流电阻为3 0 0欧姆到1K欧姆 本电路选用 1K。六、故障处理与说明 按照印刷板上器件编号找到相应的元件,按以下顺序焊接：电阻, IC 座,瓷片电容,发光二极管,接口。焊接过程中注意以下问 题：（1）各发光二极管 ”+”-”“极。三极管上对应的 “ e”“ b”“c”（2）集成块的脚在印刷板上的对应位置。（3）J1 要与前续电路的输入输出电源接口方位相一致,因此 要注意其方位。ZTED-12FRmra e®RT yT 专+RG« 匚1K模拟交通灯仔细观察各焊接点，检查有无短路现象和虚焊现象。认真测量。在观察所焊接的电路

25、板处于正常状态后，将5V电源接入到J1接口。观察：设计表格并将实验测量状态，理论状态记录在表格中。5）测试：观察红，绿，黄灯的状态以及数码管的状态情况， 并测量各状态下的时间。6）分析故障和排除故障，并将分析和排除过程记录下来。仔细研究电路原理图，集成块 LM555构成多谐振荡器，分析振 荡器频率由什么元件决定，是什么关系。本电路的振荡器频率不能太 高，否则闪烁太快或根本就观察不到闪烁；当然频率也不能太低，否 则闪烁太慢。当然也会使得通行时间以及停车时间也不恰当。集成块4024就是一个计数器。本电路的关键是由集成块 74LS00构成的组合 电路，它是确定发光二极管状态与 4024状态关系的电路

26、。三极管的 作用是驱动发光二极管发光，因为 74LS00输出拉电流要小于4mA所 以不能直接驱动本电路的二个发光二极管， 用三极管扩大带负载能力。 而74LS00输出灌电流要小于8mA所以可以直接驱动本电路的二个发 光二极管， 不需要用三极管扩大带负载能力而直接驱动。 本制作将时 间显示部分电路省略，因为这部分电路的工作情况大家非常熟识。当以上问题弄清以后，试设计电路的时间分配为 40 秒和 24 秒， 将其讨论过程以及设计过程写入报告中。仔细研究印刷电路板，在本印刷电路板上将要装配的器件有： 普通 1/4W 电阻器，瓷片电容器，发光二极管，三极管，集成块 555，集成块4024,集成块74LS00,输入和输出接口等等。仔细研究印刷电路上的图形或符号，确定各位置所装配的是何种 元件。若是发光二极管，还要弄清板上的对应“ +”极和“- ”极，若 是三极管，弄清板上对应的“ e” “b”“c”，对于集成块，要弄清楚各脚在印刷板上的相应位置。仔细研究元器件，各电阻器及其阻值，精度，功率，电阻阻值可 从电阻上所标的色码直接读出， 或者用万能表的欧姆档直接测量确定。 各瓷片电容的电容量 （标注在电容上）。各发光二极管及其 ”+” -”“极。 三极管上对应的“ e