学位论文-—基于数字电路的交通灯设计.doc

基于数字电路的交通灯课程设计报告
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2013年7月3日

摘要
交通灯控制器是可以自动控制交通灯，并以倒计时的方式显示出时间，方便行人和车辆在通行时有条不紊的通行，达到交通井然有序，出行人员安全快捷的到达目的地的效果。本次设计的就是想通过这样的一个实例，达到理论和实践相结合的目的。
关键字:交通灯控制器；数字电路；Multisim；555多谐振荡器

目 录
1引言 1
2设计任务和要求 2
3系统模块功能关系设计 3
4电路设计计算与分析 4
4.1时钟脉冲信号 4
4.2主状态控制电路 4
4.3信号灯驱动电路 5
4.4计时器电路 6
4.4.1百进制计数器电路 7
4.4.2置数端开关信号与主控器脉冲信号输出电路 7
4.4.3由主控器状态控制的置数信号输入 8
4.5计时器显示电路 10
4.6总电路图仿真 11
5焊接与调试 12
6心得体会 13
参考文献 14
附录 15
附录A元件清单表 15
附录B芯片管脚图 16
附录C 实物图 19

1 引 言
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，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费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。因此，本次通过对交通灯的设计，了解交通灯的工作原理。

0

2 设计任务和要求
利用所学数字电路知识，设计简单交通灯控制电路。在由一条主干道和一条支干道汇合形成的十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每一个入口处设置红、黄、绿三色信号灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁止线外，以此实现红绿灯对城市交通的自动指挥。
（1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。
（2）当主道允许通行时绿灯亮，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。
（3）主支干道交替允许通行，主干道每次允许放行30s，支干道20s。设计30s和20s计时显示电路。
（4）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s的黄灯作为过渡，设置5s计时显示电路。

3 系统模块功能关系设计
本系统设计中，根据要求可以建立四个功能模块，分别是主控制器模块、时钟脉冲信号发生模块、计时器与时间显示模块、信号灯驱动模块。主控模块起到控制和联系其它各模块的作用，其它模块反过来作用于主控模块，实现整个系统的正常运行。经过最终设计与论证，得到个模块的关系如图1所示：
时钟脉冲
主控制电路
信号灯与时间显示

计时器电路

图1各个模块关系图

4 电路设计计算与分析
4.1 时钟脉冲信号
时钟脉冲信号由555定时器与相应大小的电阻和电容连接而成的多谐振荡器来产生。由于电路中需要的脉冲信号周期为1s，如果选用的电容分别是10uF和0.01uF，则根据周期计算公式T=(R1+2R2)CLn2，可得到R1+2R2的阻值为144K欧，因此我们令R1等于39K欧，R2等于51K欧，则连接而成的由555定时器构成的多谐振荡器如图2所示。

图2 555定时器构成的多谐振荡器
4.2 主状态控制电路
主控电路是本系统的核心，它的输入信号来自主干道和次干道计时系统有进位输出时产生的脉冲，它的输出一方面经显示驱动电路控制主干道和次干道信号灯的状态，另一方面控制计时系统的置数，根据信号灯的不同状态，给主干道和次干道计时器置入时间信号，让计时器按照预定的时间间隔工作。主控电路属于时序逻辑电路，由于主干道和次干道各自的三种灯正常工作时只有四种可能，即四种状态：主绿灯和支红灯亮，主道通行；主黄灯和支红灯亮，主干道准备停车；主红灯和支绿灯亮，支干道通行；主红灯和支黄灯亮，支干道停车。因此，我们可以用双D触发器构成二进制加法器，实现四个状态的循环转换，关系图如图3所示。

图3 主控器状态转换图
双D触发器的连接如图4所示。

图4双D触发器构成的二进制计数器
令左边触发器两个输出端为Q1和Q1’,右边触发器的两个输出端分别为QO和Q0’，则Q1Q0的状态变化依次是00、01、10、11。
4.3 信号灯驱动电路
主控制器的四种状态分别要控制主、支干道红黄绿灯的亮与灭。令灯亮为“1”，灯灭为“0”，主干道红黄绿灯分别为R、Y、G，支干道红黄绿灯分别为r、y、g，则信号灯驱动电路真值表如表1所示：

表1信号灯驱动电路真值表

输 入
输 出
Q1
Q0
R
Y
G
r
y
g
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
由以上真值表可得到各灯的逻辑表达式分别为：
R=Q1Q0’+Q1QO=Q1;Y=Q1’Q0; G=Q1’Q0’
R=Q1’Q0’+Q1’Q0=Q1’;y=Q1Q0; g=Q1Q0’
因此得到主支干道的信号灯驱动电路如图5所示。
主干道 支干道

图5 信号灯驱动电路图
4.4 计时器电路
计时器电路是本次设计中做复杂也最为关键的一部分，这一部分又可以分为输出和输入两部分。输入的信号除了秒脉冲时钟信号以外，更重要的是主控电路对其输入的置数信号。输出信号为三部分，分别是主次干道的计时显示电路、置数端开关控制信号、主控电路的脉冲控制信号。
4.4.1 百进制计数器电路
这一部分我们选用两片十进制计数器芯片74LS190D级联而成。74LS190D可以实现加计数和减计数，由U/D控制，当输入为低电平时进行加计数，反之则为减计数，本次设计选用减计数，因此U/D端输入始终为高电平。CTEN端为扩展功能端，接入低电平时正常工作，级联接线如图6所示。

图6计时器级联电路图
4.4.2 置数端开关信号与主控器脉冲信号输出电路
当计数器每完成一个状态的计数后，需要打开自己的置数端接受主控器下一个状态的置数，同时输出脉冲送往主控器使其产生新的状态。由于每完成一个计数状态，计时器都会有一个低电平进位输出，我们可以将这个低电平送往置数端开关端口打开置数端，同时反向后送往主控器切换状态。但由于进位输出信号过于短暂，可能使主控器电路来不及反应就消失，造成电路不稳定。为了解决这一个问题，使进位输出信号有足够的宽度，我们想到用基本RS触发器组成反馈置数电路，由于进位输出信号是低电平，所以反馈电路可设计如图7所示。

图7 基本RS触发器组成的进位输出电路
4.4.3 由主控器状态控制的置数信号输入
按照设计要求，当主干道允许通行并亮绿灯时，主道计数器需置入30s信号，30s计完以后输出进位信号和主控脉冲信号，主控电路进入下个状态，给主道计数器置入5s信号，同时主道黄灯亮起，开始5s计时，5s计完以后输出进位脉冲和主控脉冲信号，置数端被打开，主控制器接到脉冲切换到下一个状态，给主计数器输入下一个置数信号；在此过程中，次道信号灯一直是红色禁止通行，计时器共计35s时间，因此，在主道开始亮绿灯允许通行时，支道计数器应该被主控器置入35s计数信号，30s后尽管主控器状态发生变化，但次道仍然为红灯，次计数器没有进位输出，置数开关关闭，不允许置数，直到35s后有进位输出而打开置数端开关。35s后，次道计数器和主道计数器同时送出进位输出，两个置数开关被打开，主控器接受脉冲切换状态，并送出新的置数信号，此时由于次道绿灯亮起允许通行，应该被置入20s计时信号，20s后输出进位信号，置数端打开，同时送出主控器脉冲，使主控器切换到下一个状态，即次道黄灯亮起，接受5s置数信号，并开始计时，直到5s后再次输出进位信号，打开置数开关，接受新的置数，与此同时输出主控脉冲，使主控器状态变化。在次道这25s的绿黄灯过程中，主道一直是红灯禁止通行，因此主计数器在次道绿灯亮起的时刻应该被置入25s计时信号开始计时，直到25s后与次道同时输出进位信号和主控脉冲信号，进入下一个状态。至此，主次道以及主控器完成一次状态循环，具体关系如图8所示。

图8主控器置数关系图
对于主干道和支干道计时器的置数信号输入端，设主道分别为D1、C1、B1、A1（高位端），d1、c1、b1、a1（低位端），次道分别为D0、C0、B0、A0（高位端），d0、c0、b0、a0（低位端）。由于主道需要的置数信号为30、5、25，次道需要的置数信号为35、20、5，因此主道计时器置数输入端只需要用到B1、A1、c1、a1，次道计时器置数输入端用到的端口是BO、A0、c0、a0。其它端口接低电平置零。所用端口与主控制器状态的关系表如表2所示：
表2所用端口与主控制器状态的关系表
主控器
主干道
次干道
Q1
Q0
B1
A1
c1
a1
值
B0
AO
c0
a0
值
0
0
1
1
0
0
30
1
1
1
1
35
0
1
0
0
1
1
5
×
×
×
×
×
1
0
1
0
1
1
25
1
0
0
0
20
1
1
×
×
×
×
×
0
0
1
1
25
由以上关系表可以得到主道和次道计时器的置数有效输入端与主控制器状态的逻辑关系如下所示：
B1=Q1’Q0’+Q1Q0’=Q0’; A1=Q1’Q0’;
c1=Q1’Q0+Q1Q0’; a1=c1;
B0=Q0’; A0=Q1’Q0’;
c0=Q1’Q0’+Q1Q0; a0=c0;
所以主次道计时器与主控制端连接电路如图9所示。

图9 主道计时器与主控电路连接图
次道计时器与主控制电路的连接如图10所示。

图10次道计时器与主控电路连接图
4.5 计时器显示电路
在本次设计中，主道和次道的计时显示电路我们仅仅用数码显示管DCD_HEX来完成，用于计时状态的显示，主道于此道显示器接法相同，如图11所示。

图11计时器显示电路连接图
4.6 总电路图仿真
总电路仿真图如图12所示

图12总电路仿真图
5 焊接与调试
（1）用堆锡的方法连接各个芯片的正负极，在与电源相连接，其他管脚尽量用堆锡，不能用堆锡则用飞线，使电路板线路清晰。
（2）焊的过程一定要小心，一不小心就会造成短路。焊好后要用万用表检查看是否短路，否则有可能烧坏芯片。
（3）事先要把线路图整理清楚，焊的板子才会脉络清晰，检查错误也比较方便，外观也比较美观。
（4）在检查电路过程中，万用表是一个不可或缺的工具。利用万用表，可以检查短路，检查是否通电，检查555脉冲是否正常，检查计数器计数是否正常，检查发光二极管是否烧坏。

13

6 心得体会
开始拿到题目的时候，还不知道怎么去做，因为对这门课程的一般设计都不是很会，对很对芯片的功能不是很清楚，还有Multisim仿真软件，以前从来没有接触过，只有现在需要的时候才开始用它，许多功能以及按键都不清楚。现在设计已经做好了，自己感觉还是比较好的，虽然花了很多的时间，但是学到了很多东西。在做这个题目时，遇到了些问题，比如说计数器的接法，最开始的时候采用的是异步清零法，LED灯显示出来的状态总是有问题的。最近我们采用了置数的方式控制计数器的状态，终于达到了实验的要求。在老师给课题的基础上，我们又想到实际生活中有些十字路口的红、绿、黄灯是数码管显示的，因此我们就在原有电路图的基础上对输出端进行了改进，达到了我们预期的目标。但是，中间遇到了很多的问题，例如在元器件封装的时候，不知道是什么原因，有时候软件会自动关闭，保存不及时直接导致前面所有做的工作全部作废，这样浪费了很多时间。反复做了几次之后终于成功。但是至于软件为什么会自动关闭的问题仍然没有搞清楚。通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力，使我们的动手能力都有了一定的提高，特别是能把我们所学的书本知识运用到实际生活中去，提高我们对知识的理解能力 ！
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2005.
[2]郭海文.电气实验技术[M].江苏:中国矿业大学出版社,2008.
[3]苗松池.电子实习与课程设计[M].北京:中国电力出版社,2009.
[4]李银华.电子线路设计指导[M].北京:北京航空航天大学电力出版社,2005.
[5]薛鹏骞.电子设计自动化技术实用教程[M].江苏:中国矿业大学出版社,2007.

附 录
附录A元件清单表
表3元件清单表

序号
名称
元件编号
数量
1
十进制同步加/减计数器
74LS190
4
2
四/R-/S 锁存器
74LS279
1
3
四输入与门
74LS08
2
4
六输入非门
74LS04
1
5
双D触发器
74LS74
1
6
7段显示译码器
74LS48
4
7
四2输入或门
74LS32
1
8
四2输入异或门 
74LS86
1
9
NE555时钟芯片

1
10
七段数码管

2
11
发光二极管红绿黄

6
12
电阻

3
13
电容

2
14
USB母头

1
15
万用板

1

表3元件清单表

18

附录B 芯片管脚图
各芯片引脚图如图13至图21所示

图13 74LS04引脚图

图14 74LS08引脚图

图15 74LS32引脚图

图16 74LS48引脚图

图17 74LS74引脚图

图18 74LS86引脚图

图19 74LS279引脚图

图20 74LS190引脚图

图21 55定时器引脚图

附录C 实物图
实物图如图22、图23所示

图22实物正面图

图23实物背面图