基于数电的交通灯设计

毕业设计〔论文〕诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文《基于数字电路的交通灯设计》是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明；有关教师、同学和其他人员对本文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。本论文和资料假设有不实之处，本人承当一切相关责任。论文〔签字〕时间：年月日指导教师已阅：〔签字〕时间：年月日摘要本课题是基于数字电路关于交通灯控制电路的设计。本文从课程设计的题目要求出发，设计了一个南北方向和东西方向十字路口的交通灯控制电路。本交通灯控制电路采用74LS190可预置四位二进制双时钟可逆计数器实现计数功能，并通过一系列集成逻辑门电路芯片控制红绿灯的交替显示。本交通灯控制电路系统是基于LM555定时器、74LS190可预置四位二进制双时钟可逆计数器、74ls00二输入四与非门芯片、74ls04六反向器、74ls08二输入与门芯片、74ls32二输入或门芯片、74ls28二输入或非门芯片、74ls74双D锁存器、74ls47译码器等中小规模集成芯片，数码管显示器和绿黄红发光二极管指示灯所组成的电路，采用Multisim软件进行电路仿真。通过对各局部电路的分析设计，实现总体电路的功能。由LM555芯片组成的555定时器电路输出时钟脉冲信号。采用74LS190组成计数电路，通过一系列逻辑门电路实现红绿灯的交替显示。按照课题的要求，用74LS190设计了倒计时电路，通过译码器连接数码管显示红绿灯的倒计时。它的计时周期为60秒，南北及东西方向各车道通车30s。本电路设计的优点是，用了尽量少的芯片实现了课题所要求的功能，既实现了红绿灯的指示，又以倒计时的方法对红绿灯的时间进行了显示。由于采用了555定时器，提高了电路的稳定性与精度。关键词交通灯控制电路Multisim仿真电路设计AbstractThistopicisabouttrafficcontrolcircuitdesign.Thisarticlefromtherequirementofthecurriculumdesignofsubject,designanorth-southandeast-westdirectioncrossingthedirectionoftrafficcontrolcircuit.ThistrafficcontrolcircuitUSES74LS190presetfourbinarydoubleclockreversiblecounterrealizecountfunction,andthroughaseriesofintegrationlogicgatechipcontroltrafficlightsalternatedisplay.ThistrafficcontrolcircuitsystemisbasedonLM555timers,74LS190presetfourbinarydoubleclock74ls00reversiblecounter,twoinputfourandsix74ls04NORgatechip,inversechip,74ls08twoinputandgatechip,74ls32twoinputorgatechip,74ls28twoinputorsrchip,74ls74doubleDlatches,suchas74ls47decodermediumscaleintegratedchips,digitaltubedisplayandgreenyellowlightemittingdiodelights,composedofcircuitcircuitemulationbyMultisimsoftware.Throughtheanalysisofthecircuittoeachpartoftheoveralldesign,realizationcircuitfunction.ComposedofLM555chipby555timingcircuitoutputclockpulsesignal.Using74LS190compositioncountscircuit,throughaseriesoflogicalgaterealizationofalternatingdisplaytraffic.Accordingtothetopicrequest,74LS190designwiththecountdowncircuit,throughthedecoderconnectiondigitalpipedisplaytrafficlightscountdown.Itstimingcyclefor60seconds,north-southandeast-westdirectionalllanesopen30s.Theadvantagesofthiscircuitdesign,uselessasfaraspossibleisthechiprealizedthetopictherequiredfunctions,whichachievesbothwiththeinstructions,andtrafficmethodoftrafficlightscountdowntotimeoutforashow.Asaresultofthe555timing,improvesthestabilityofthiscircuitandaccuracy.Keywords：trafficlightmanipulativecircuitemluationwithMultisimdesignofcircuits引言交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国参加WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路〞，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通平安。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。随着社会经济的开展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成局部。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用适宜的控制方法，最大限度利用好消耗巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。以下就交通灯控制系统的电路原理、设计和实验调试等问题来进行具体分析讨论。第一章设计的根本内容1.1设计题目基于数字电路的交通灯设计1.2设计任务1.2.1设计任务及指标〔1〕要求南北方向车道和东西方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行，各车道每次通行时间都设为30秒；〔2〕东西方向、南北方向车道都有红、黄、绿灯指示，且用显示器进行显示允许通行或禁止通行剩余时间〔采用倒计时的方法〕；〔3〕在允许通行剩余5秒时，绿灯转为黄灯，且要求黄灯闪烁，当黄灯转变为红灯时才能变换运行车道；〔4〕黄灯亮时，要求每秒闪亮一次；1.2.2设计相关说明所设计的交通路口为一十字路口是一南北和东西车道车流没有明显差异的路口，且不涉及左右转弯及人行道红绿灯问题。第二章设计方案确实定2.1方案方案一：南北方向车道的倒计时按照30秒、25秒、5秒循环显示，分别对应红灯、绿灯、黄灯；同时东西方向车道那么按照25秒、5秒、30秒循环显示，分别对应绿灯、黄灯、红灯。所以两方向车道倒计时可以采用相同的倒计时，但需要一个周期内需要符不同的数值。方案二：根据题目的要求南北方向车道和东西方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行，两车道均符值为30，也就是一个循环是60秒。如此先显示30秒倒计时〔对应绿灯，到了5秒时由绿灯转为黄灯〕后显示30秒倒计时〔由黄灯转为红灯〕，然后再显示30秒倒计时〔由红灯转为绿灯，到了5秒时由绿灯转为黄灯〕...以此类推。由于南北方向的通行时间也就是支干道的禁行时间，所以两组数码管显示的倒计时是一样的，只需2个74ls47译码器即可。2.2方案比照及确定根据倒计时显示方式的不同，我们设计了两套方案作比拟：两种方案均符合要求，比照之下方案二的元件要少很多，线路的复杂程度也减小了，对于焊接与调试都降低了难度与风险，容易实现且能把所学的知识运用上，所以我决定采用方案二进行设计。第三章设计的根本思路和主要内容3.1设计根本思路在设计要求中要实现四种状态的自动转换，首先要把这四种状态以数字的形态表示出来。以两位二进制数表示所需状态〔00,,10,11〕,循环状态：〔00—01—10—11—00〕。数字电路课程中介绍的计数器就是通过有限几个不同状态之间的循环实现不同模值计数，由此可以尝试设计一模值为4的计数器，其输出〔代表不同状态〕既可以循环转换，而且能够控制其他局部电路。3.2交通灯电路结构框图秒脉冲发生器秒脉冲发生器数码管显示红绿灯显示译码电路灯控电路计数电路状态控制电路图1交通灯电路结构框图3.3设计的主要内容〔1〕．根据本课题设计要求分析并画出简易电路结构框图；〔2〕.根据日常生活经验确定系统中输入/输出信号的种类、数量和特点；

〔3〕.按照要求分析并设计电路，绘制电路原理图；〔4〕.选定各局部集成电路元器件的类型；〔5〕.利用multisim软件及Protel软件对所设计电路进行调试仿真；

〔6〕.绘制电气原理图和接线图；

〔7〕.按论文书写要求撰写毕业设计论文。第四章元件及其简介本课题主要由秒脉冲产生局部、计数电路、译码电路、数码管显示局部、状态控制电路、灯控电路和红绿灯显示局部组成，根据所要实现的功能及各元件参数，本课题主要用到LM555定时器、74LS190可预置四位二进制双时钟可逆计数器、74ls00二输入四与非门芯片、74ls04六反相器芯片、74ls08二输入与门芯片、74ls32二输入或门芯片、74ls28二输入或非门芯片、74ls74双D锁存器和74ls47译码器。4.1LM555定时器图2LM555管脚图图3555电路结构图555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等，应用十分广泛。由图3可知，555定时器是由上、下两个电压比拟器、三个5kΩ电阻、一个RS触发器、一个放电三极管T以及功率输出级组成。比拟器C1的反相输入端⑤接到由三个5kΩ电阻组成的分压网络的2/3Vcc处〔⑤也称控制电压端〕，同相输入端⑥为阀值电压输入端。比拟器C2的同相输入端接到分压电阻网络的1/3Vcc处，反相输入端②为触发电压输入端，用来启动电路。两个比拟器的输出端控制RS触发器。RS触发器设置有复位端④，当复位端处干低电平时，输出③为低电平。控制电压端⑤是比拟器C1的基准电压端，通过外接元件或电压源可改变控制端的电压值，即可改变比拟器C1、C2的参考电压。不用时可将它与地之间接一个O．01μF的电容，以防止干扰电压引入。其功能如表1所示表1555芯片功能表4.274LS190计数器图474LS190计数器引脚图74LS190是单时钟同步十进制加/减计数器，当U/D=0时做加法计数；当U/D=1时做减法计数。它使用方便且功能稳定，因此在平时电路设计中得到了广泛应用。引出端符号及功能：MAX/MIN进位输出/错位输出端

CLK时钟输入端〔上升沿有效〕

CTEN计数控制端〔低电平有效〕

A～D并行数据输入端

LOAD异步并行置入控制端〔低电平有效〕QA～QD输出端

~RCO并行波时钟输出端〔低电平有效〕

U/D加/减计数方式控制端其功能如表2所示：CLKCTENLOADU/D工作状态*11*保持**0*预置数上升沿010加法计数上升沿011减法计数表274LS190功能表4.374LS74双D触发器图574LS74双D触发器引脚图在TTL电路中，比拟典型的D触发器电路有74ls74。74ls74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发D触发器电路。每个触发器有数据输入〔D〕、置位输入〔ST〕复位输入〔CR〕、时钟输入〔CLK〕和数据输出〔Q、~Q〕。CR、ST的低电平使输出预置或去除，而与其它输入端的电平无关。当CR、ST均无效〔高电平式〕时，符合建立时间要求的D数据在CLK上升沿作用下传送到输出端。D触发器功能如表3所示：输

入输出STCRCLKDQn＋1Qn＋101××1010××0100××φφ11↑11011↑00111↓×QnQn表374ls74功能表4.47447四输入译码器在数字显示电路中7447四输入译码器是一种普遍应用的译码器，经常与74LS190一起使用，它引脚功能易读，使用方便。图67447四输入译码器引脚图4.5七段共阴极数码管图7七段共阴极数码管引脚图七段共阴极LED数码管是由7个条形发光二极管和一个小数点位构成，其引脚配置及内部结构，如图7所示。从图中可以看出，其中7个发光二极管构成字形“8〞，可以用来显示数字，另一个发光二极管构成小数点。因此，这种数码管有时也被称为8段LED数码管显示器。将七段共阴极LED数码管的管脚与7447四输入译码器管脚对应相连即可。4.674LS08二输入端四与门芯片图874LS08二输入端四与门芯片引脚及功能示意图引脚符号1A—4A是输入端1B—4B是输入端1Y—4Y是输出端功能表Y=AB4.774ls32二输入四或门芯片图974ls32二输入四或门芯片引脚图引脚符号1A—4A是输入端1B—4B是输入端1Y—4Y是输出端功能表Y=A+B4.874LS28二输入四或非门芯片图1074LS28二输入四或非门芯片引脚图引脚符号1A—4A是输入端1B—4B是输入端1Y—4Y是输出端功能表Y=-〔A+B〕4.974LS04六非门芯片图1174LS04六非门芯片引脚及功能示意图其中1A—6A是输入端，1Y—6Y是输出端。其功能是Y=~A。第五章.交通灯电路设计5.1秒脉冲电路图12秒脉冲电路由555定时器接成的多谐振荡器周期计算公式T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2=〔15+2*68〕*10*ln2*0.001=1.004s图12是由LM555定时器组成的秒脉冲发生器，它将为整个电路提供脉冲信号。从它的引脚3出来的是幅值为5v、频率为1HZ的方波信号，其波形如图13。此方波就是计数电路的脉冲信号，它的准确度决定整个电路的精度。图13555定时器组成的秒脉冲发生器输出的波形5.2计数电路图1474ls190组成的计数电路由于本课题设计的交通灯电路中两车道通行时间均为30秒，所以周期为60秒，但又由于两个半周期计时相同，因此只需要一个30进制计数器。如图14所示，计时电路有两个74ls190组成，电路利用的是74ls190倒计数功能，因此将74ls190的5号引脚U/D接高电平，起始时将高位的预制数为2，低位的预制数为9；当地位减到0时将低位预制为9；当高位地位同时为0时，将高位预制为2，低位预制为9。从74ls190的7623四个引脚输出的8421码可以与后面的数码显示电路和状态控制电路相连做后期处理。5.3译码和数码显示电路图15译码及数码显示电路译码及数码显示电路如图15所示，由于7447芯片价格低廉又完全满足实验需要，因此本课题选择7447芯片作为译码芯片，其中7447芯片的7126引脚分别与74ls190的3267引脚对应相连。数码管选择七段共阴极数码管，其中数码管需外加5V电源以驱动其正常工作。5.4状态控制电路的脉冲信号产生电路图16状态控制电路的脉冲信号产生电路由于本课题采用方案2,：两个半周期均为从30倒计数到0。要求在绿灯减到5秒时转为黄灯和每次减到0秒时转换灯的颜色，因此在计时电路的输出端对输出信号加以处理使之在5秒和0秒时各输出一秒脉冲信号。电路如图16所示，十位为0时输出一高电平，个位为5和0时各输出一高电平，数码管显示5和0时在U6输出端输出高电平，以备状态控制电路进行处理。5.5状态控制电路图17状态控制电路状态控制电路决定交通灯的颜色，状态控制电路的Q1Q2可以出现四种状态。电路如图7所示，关系如下：图18四个状态关系图状态0〔00〕：东西方向绿灯亮，允许通车；南北方向红灯亮，禁止通车。状态1〔10〕：东西方向黄灯亮，提示允许通车时间即将结束；南北方向红灯亮，禁止通车。状态2〔11〕：南北方向绿灯亮，允许通车；东西方向红灯亮，禁止通车。状态3〔01〕：南北方向黄灯亮，提示允许通车时间即将结束；东西方向红灯亮，禁止通车。如果在电路中输入一连续脉冲信号，可以观察到四个状态依次循环出现。如图19所示：图19在状态控制电路中输入一连续脉冲信号的输出波形图5.6灯控电路及红绿灯显示电路图20灯控电路及红绿灯显示电路灯控电路及红绿灯显示电路如图20所示，灯控电路是利用状态控制电路Q1Q2四个状态来控制三种灯的亮灭。由状态控制电路可知Q1Q2有状态0〔00〕、状态1〔10〕、状态2〔11〕、状态3〔01〕四个状态，且状态0〔00〕时绿灯亮、状态1〔10〕黄灯亮、状态2〔11〕和状态3〔01〕红灯亮。四个状态、灯及时间间的关系如下列图所示：注：1.在灯控电路输入秒脉冲信号是为了在黄灯亮时使其闪烁以起到警示作用。2.在电路中串联上不同阻值的电阻是因为各输出端输出电压为5V，超过了发光二极管额定电压，且不同颜色的发光二极管额定电压不同。5.7整体电路图21交通灯整体电路整体电路如图21所示，此电路实现的功能：两车道数码显示均为从30秒减到0秒，且两个30秒为一个周期，在前半个周期时东西方向为红灯，南北方向从30秒减到5秒之前为绿灯，从5秒减到0秒之前为黄灯，且黄灯每秒闪烁一次；后半个周期与前半个周期东西方向和南北方向现象相反。将各局部完好的衔接在一起组成的整体电路，能够到达预期结果，完全符合设计要求。注：此图只绘制了一个路口的数码显示，另一路口与此路口数码显示完全一致。5.8设计实物图图22数电实验箱仿真图图23万能板电路图在Multisim软件及数字实验箱上仿真成功后，在万能板上连接电路，如图23所示，实验结果与预期结果相符，设计成功。第六章数据分析及心得体会6.1实验数据、误差分析及结论我们所设计的电路在Multisim软件的仿真是成功的，说明电路原理是正确的。当然，那只是在软件环境中，而在现实环境下，由于电路的错综复杂，很可能会出现接线错误，还有可能因为元器件存在误差或延时致使电路无法正常工作，也有可能电路受到周围环境的干扰而无法正常工作。我们焊接电路时是将各局部分别焊接，各局部功能完好，但将几局部衔接到一起时就发现数码管显示出错。我们猜测很可能是电路的计数局部出现了问题。果然，经过检查发现，计数电路的某条线路短接了，结果导致数码显示错误。重新接好线路后，数码显示就能正常工作了。还出现了红绿灯显示紊乱，检查电路时没有发现错误，老师建议我们考虑一下元件延时问题，我们就在电路中增加了几对反相器，结果红绿灯显示就正常了。以下是交通灯转换数据的统计：表1东西车道交通灯转换数据黄→红绿→黄红→绿正常正常正常表2南北车道交通灯转换数据红→绿绿→黄黄→红正常正常正常其中，黄灯亮时是每秒钟闪亮一次。经检测，人行横道的红绿灯转换也正常，符合设计的要求。另外，在调试中发现了另一个问题，就是数码管的显示不太正常，虽然数码管的个位倒数正常，能从9到0，但是十位的倒数抖动的比拟厉害。我们猜测是某些管脚虚焊了，我们就逐个检测，经过一番努力数码管终于可以稳定显示。6.2心得体会在本次课题设计过程中，我们的收获和体会良多。通过这次课程设计，加强了我们思考和解决问题的能力以及动手实践的能力。平时在实验室做实验时有老师在现场指导，而这次课程的设计和焊接都是在宿舍进行的，要求我们有很强的自学能力。遇到不懂的问题除了向周围的同学请教外，还需要翻阅相关书籍、