十字路口交通灯控制器数电优秀课程设计.doc

课 程 设 计

设计题目： 十字路口交通灯控制器

系 别 班级
学生姓名 学号
指导老师 职称
起止日期： 年 月 日起——至 年 月 日止

课程设计任务书

课程设计题目： 十字路口交通灯控制器

系 别 班级
学生姓名
学号
指导老师 职称
课程设计进行地点：
任 务 下 达 时 间： 年 月 日
起止日期： 年 月 日起——至 年 月 日止

教研室主任 年 月 日同意

十字路口交通灯控制器
1 设计关键内容及要求
1.1 设计目标：
（1）掌握十字路口交通灯控制器组成、原理和设计方法；
（2）熟悉集成电路使用方法。
1.2 基础要求
（1）设计一个含有三种信号灯（红、黄、绿）十字路口交通灯控制器，红灯亮严禁通行，绿灯亮许可通行，黄灯亮则给行驶中车辆留出时间停在禁行线外；
（2）主、支干道交替许可通行，主干道每次放行40秒，黄灯亮5秒；支干道放行20秒，黄灯亮5秒；
（3）各计时电路显示
2 设计过程及论文基础要求：
2.1 设计过程基础要求
（1）基础部分必需完成，发挥部分可任选2个方向：
（2）符合设计要求汇报一份，其中包含逻辑电路图；
（3）设计过程资料、初稿要求保留并随设计汇报一起上交；汇报电子档需全班统一存盘上交。
2.2 课程设计论文基础要求
（1）参考毕业设计论文规范打印，包含汇报中全部电路图。
（2）装订次序：封面、任务书、成绩评审意见表、汉字摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思绪、设计框图、各部分电路及参数计算、工作过程分析、元器件清单、关键器件介绍）、小结、参考文件、附录（逻辑电路图）。
3 时间进度安排
次序
阶段日期
计 划 完 成 内 容
备注
1

讲解关键设计内容，学生依据任务书做出原始模块图
打分
2

讲解怎样绘制逻辑原理图并检验及修正模块图
打分
3

讲解计算机仿真软件应用及怎样对电路进行仿真
打分
4

讲解设计汇报书写及继续修正逻辑原理图,部署答辩
打分
5

检验汇报完成情况、答辩
打分

数字电子技术课程设计成绩评定表
系（部）： 班级： 学生姓名：
指 导 教 师 评 审 意 见
评价
内容
具 体 要 求
权重
评 分
加权分
调研
论证
能独立查阅文件,搜集资料；能制订课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2

工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，
0.2
5
4
3
2

工作量
按期圆满完成要求设计任务，工作量饱满，难度适宜。
0.2
5
4
3
2

说明书质量
说明书立论正确，叙述充足，结论严谨合理，文字通顺，技术用语正确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.5
5
4
3
2

指导老师评审成绩
（加权分累计乘以12）
分
加权分累计

指 导 教 师 签 名：
年 月 日
评 阅 教 师 评 审 意 见
评价
内容
具 体 要 求
权重
评 分
加权分
查阅
文件
查阅文件有一定广泛性；有综合归纳资料能力
0.2
5
4
3
2

工作量
工作量饱满，难度适中。
0.5
5
4
3
2

说明书质量
说明书立论正确，叙述充足，结论严谨合理，文字通顺，技术用语正确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.3
5
4
3
2

评阅老师评审成绩
（加权分累计乘以8）
分
加权分累计

评 阅 教 师 签 名：
年 月 日
课 程 设 计 总 评 成 绩
分

中 文 摘 要

伴随社会经济发展，城市交通问题越来越引发大家关注，人、车、路三者关系协调，已成为交通管理部门需要处理关键问题之一。
分析了现代城市交通控制现实状况，结合十字路口交通实际情况，本文具体叙述了基于数字电路十字路口交通灯控制器工作原理，并给出了合理设计方案。该十字路口交通灯控制器是在传统设计基础上深入加以改善，添加了感应特殊车辆通行功效。经过时序逻辑电路和组合逻辑电路相结合，实现了用数字信号来自动控制十字路口红、绿、黄交通灯状态转换。因为该交通灯控制器价格低廉、可靠性好且使用寿命较长，所以被广泛应用于中小型城市十字路口交通灯控制中。
在该设计中，依据项目标要求，将整个系统划分为若干个功效模块，具体制订了各部分实现方案。并综合考虑了各方面原因，选择最适合器件。在较充足原理试验基础上，经过反复调试，最终达成了设计项目要求。

关键词 交通灯，控制器，秒脉冲发生器，定时器，译码器

目 录
课程设计任务书 II
数字电子课程设计成绩评定表 IV
中 文 摘 要 V
1 设计任务描述 1
1.1 设计题目：十字路口交通灯控制器 1
1.2 设计要求 1
1.2.1 设计目标 1
1.2.2 基础要求 1
2 设计思绪 2
3 设计方框图 3
4 各部分电路设计及参数计算 5
4.1 秒脉冲信号发生器 5
4.2定时器 6
4.2.1 设计思绪 6
4.2.2 关键元器件介绍 6
4.2.3电路组成 7
4.3控制器 7
4.3.1设计思绪 7
4.3.2关键元器件介绍 9
4.3.3电路组成 10
4.4 译码器 10
5 工作过程分析 12
6 元器件清单 13
7 关键元器件介绍 14
7.1 555 14
7.2 74163 14
7.3 74160 17
小 结 20
致 谢 21
参考文件 22
附 录 23
A1 逻辑电路图 23

1 设计任务描述
1.1 设计题目：十字路口交通灯控制器
1.2 设计要求
每个选题最多只许可8人进行设计，每题n个设计必需确保不雷同——包含设计和汇报；不然，轻微雷同影响成绩，严重不及格。尽可能能够进行仿真验证运行，仿真工具可自选MultiSim/ModelSim/QuartusII/ISE/Protous中之一。
1.2.1 设计目标
(1) 掌握十字路口交通灯控制器组成、原理和设计方法；
(2) 熟悉集成电路使用方法
1.2.2 基础要求
(1)设计一个含有三种信号灯（红、黄、绿）十字路口交通灯控制器，红灯亮严禁通行，绿灯亮许可通行，黄灯亮则给行驶中车辆留出时间停在禁行线外；
(2)主、支干道交替许可通行，主干道每次放行40秒，黄灯亮5秒；支干道放行20秒，黄灯亮5秒；
(3)各计时电路显示。

2 设计思绪
现在，能够这么说在世界各个地方马路上全部能够看见红绿灯，正是有了这个高科技产品，降低了很多人力在指挥交通上，同时也避免了很多本能够避免交通事故。现在她已经成为疏导交通车辆最长见和最有效手段。
但这一技术早在19世纪就已经问世了，而且伴随时代发展，社会进步，信号灯技术也得到了发展。1858年，在英国伦敦关键街头安装了以燃煤气为光源红、蓝两色机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行，这是世界上最早交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区议会大厦前广场上，安装了世界上最早煤气红绿灯。19，电器开启红绿灯出现在美国，她被安装在纽约市5号大街一座高塔上。19，又出现了带控制红绿灯和红外线红绿灯。
现在正在应用红绿灯关键有三种类型，定周期信号机，多时段且含有没有电缆协调功效微电脑型信号机和联网式自适应多相位智能式信号机。其中定周期信号机这一类型以其设计简单，成本低，安装及维护方便等特点得到了广泛应用。此次课程设计中我所设计十字路口交通灯控制器就属于这一类型。
在此次课程设计中针对“十字路口交通灯控制器”这一课题，我采取了555脉冲发生器产生1KHz方波，并经过三个74160分频器进行分频，产生大小为1KHz方波，即1秒脉冲信号供电路使用。我选择74163对信号进行计数，经过非门和6线和门产生T30秒，Ts20秒，Ty5秒计数范围为74153数据选择器提供信号，同时返回St是计数器清零重新计数。数据选择器输出信号经过D触发器向译码器传输，然后经过非门和或门产生四种分配状态，即主绿——支红，主黄——支红，主红——支绿，主红——支黄循环，达成十字路口交通灯作用，满足课程设计要求。

3 设计方框图

主干道信号灯

触发器
译码器

支干道信号灯

定时器
秒脉冲发生器
主控器

计数显示器
译码器

由对十字路口交通灯控制器分析能够画出十字路口交通灯控制器原理方框图，如上图所表示。她是由控制器、定时器、译码器

状态0
支干道
绿灯亮

状态1
支干道
黄灯亮
状态2
主干道
绿灯亮
状态3
主干道
黄灯亮

信号灯状态和车道运行状态以下：
S0：主干道车道绿灯亮，车道通行；支干道车道红灯亮，车道严禁通行。
S1：主干道车道黄灯亮，车道缓行；支干道车道红灯亮，车道严禁通行。
S2：主干道车道红灯亮，车道严禁通行；支干道车道绿灯亮，车道通行。
S3：主干道车道红灯亮，车道严禁通行；支干道车道黄灯亮，车道缓行。

4 各部分电路设计及参数计算
4.1 秒脉冲信号发生器

本电路中振荡器是由555定时器和R和C组成多谐振荡器。因为555内部比较器灵敏度较高，而且采取差分电路形式，它振荡频率受电源电压和温度改变影响很小。
工作原理：经过调整电阻R阻值和电容C容值来调整振荡器产生频率，此次设计中振荡器振荡频率为1Hz，即所需要秒脉冲信号。
秒信号产生电路参数计算
参数标注图4.1所表示，555振荡器电路振荡周期可由下式估算：
T=t1+t2=1 s
t1=0.7(R1+R2 +R2)C1
t2=0.7R2C1
若选定脉冲占空比为0.6，可得
==0.6
t1=0.61s=0.6s
t2=T-t1=1-0.6=0.4s
取电容C=470F，则R2===1k
则R1=1 k.

4.2定时器
4.2.1 设计思绪
定时器由计数器组成，且该计数器和系统秒脉冲同时。首先，计数器在状态转换信号St作用下清零。然后，当初钟脉冲上升沿到来时候，计数器从零开始计数。接着计数器分别向控制器提供模5定时信号TY和模30、20定时信号Tl Ts。所以选择含有同时清零、同时计数计数器会比较简单，在这次设计中选择了74163。
4.2.2 关键元器件介绍
74163 为中规模集成计数器芯片，是4位二进制同时计数器，它含有同时清零、同时置数功效。它管脚排列及功效表以下
表3.1 74163功效表

输入 输出
CP CLR CLOD P T A B C D QA QB QC QD
0 * * * * * * * 0 0 0 0
1 O * * A B C D A B C D
* 1 1 0 *　 * * * * 保 持
* 1 1 * 0 * * * * 保 持
1 1 1 1 * * * * 计 数

由功效表可见，当清零端 CLR=1 ，置入 CLOD，计数许可端 P=T=1 时工作在计数状态，管脚 15 输入进位脉冲。 该芯片也能够实现可编程计数器，即它每一个输出可被预置为任一电平，当置入端 CLOD=0 时，在下一个时钟脉冲到来后，输出端数据便和输入数据一致。这种计数器清零是同时清零，即清零端 CLR=0 时在一个时钟脉冲到来后才能清零。

4.2.3电路组成

从和门中输出信号被输送到下一级数据选择器中进行选择。
4.3控制器
4.3.1设计思绪
控制器关键部分，它应该根据交通灯管理规则控制信号灯工作状态转换。依据前面分析可知设计思绪
控制器是交通交通灯有四种正常工作状态：
S0 S1 S2 S3

主红灯亮
干绿灯亮
主红灯亮
干黄灯亮
主绿灯亮
干红灯亮
主黄灯亮
干红灯亮

依据分析及图可列出控制器状态转移表：
表3.2 控制器状态转移表

输入 输出
现态 状态转换条件 次态 状态转换信号
Q1N Q0N Tl TY Q1N+1 Q0N+1 SR
0 0 0 * 0 0 0
0 0 1 * 0 1 1
0 1 * 0 0 1 0
0 1 * 1 1 1 1
1 1 0 * 1 1 0
1 1 1 * 1 0 1
1 0 * 0 1 0 0
1 0 * 1 0 0 1
依据表所表示，现态和次态相同，故能够选择两个D触发器FF0和FF1作为时序寄存器产生四中状态。制器状态转换条件为Tl和TY，当控制器处于Q1nQ0n＝ 00状态时，假如Tl＝ 0，则控制器保持在00状态；假如Tl＝1，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝ 01状态。这两种情况和条件TY无关，所以用无关项"*"表示。其它情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号SR
依据表能够列出状态方程：
Q1n+1=Q1nQ0n TY +Q0nQ1n+ Q1n Q0n TY
Q0n+1=Q1n Q0n Tg+Q0nQ1n+ Q1n Q0n Tg
Sr=Q1n Q0n Tg+ Q1nQ0n TY +Q0nQ1n Tg + Q1n Q0n Ty
依据以上方程，能够选择数据选择器74153来实现每个D触发器输入函数。

4.3.2关键元器件介绍
1.D触发器
D触发器功效表：
表3.3 D触发器功效表
D QN+1

0 0
1 1

依据功效表可知该触发器次态总是和输入端D保持一致，可被应用于数据存放。
2.74153
74153是双四选一数据选择器，即一个芯片中包含了2个四选一电路，功效表为：
输入 输出
ST A1 Ao Y
H * * L
L L L D0
L L H D1
L H L D2
L H H D3
表3.4 74152功效表

4.3.3电路组成

4.4 译码器
译码器器关键任务是将控制器输出Q1、Q0四种工作状态翻译成东西道、南北道上6 个信号灯工作状态。在正常情况下控制器状态编码和信号灯控制信号之间关系
以下表所表示：
（状态）Q1 Q0 Y0 Y1 Y2 Y3
0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 1 0
1 1 1 0 0 0
1 0 0 1 0 0
经过译码器传出信号，再经过有或门和非门组成电路，将最终信号传送到发光二极管。

5 工作过程分析
交通灯控制器工作过程分析以下：
1.第一个工作状态：由上控制器输出状态Q1=0，Q0=0，依据控制器状态编码和信号灯关系表可知，主干道绿灯亮，支干道绿灯亮。依据电路图，数据选择器74153共用地址输入端A1、A0和输出状态Q1、Q0相同A1=Q1=0，A0=Q0=0，当计数器未记到30时，计数器没有输出；当计数器计到30时，输出时间间隔Tl即Tl=1，Tl和经过反相器Tl同时送到数据选择器中，跟据第二片数据选择器A1、A0状态能够判定出输出信号Y=D0即输出Tl，该信号又被送入第二片D触发器中，输出Q0=Tl即Q0=1，Q1连续上一状态 Q1=0。和此同时，依据第三片数据选择器可知，输出状态转换信号St，这么计数器清零，开始进入下一工作状态。
2.第二个工作状态：主干道黄灯亮，支干道红灯亮，有表4即控制器状态编码和信号灯关系表可知，控制器输出状态Q1=0,Q0=1。依据电路图，数据选择器74153共用地址输入端A1、A0和输出状态Q0、Q1相同，即A1=Q0=1，A0=Q1=0。当计数器未记到5时，计数器没有输出；当计数器计到5时，输出时间间隔TY即TY=1，TY和经过反相器TY 同时送到数据选择器中，跟据第一片数据选择器A1、A0状态能够判定出输出信号Y=D2即输出TY，该信号又被送入第一片D触发器中，输出Q1=TY即Q1=0，Q0连续上一状态 Q0=0。和此同时，依据第三片数据选择器可知，输出状态转换信号SR，这么计数器清零，开始进入下一工作状态。
3.第三个工作状态：由上控制器输出状态Q1=1，Q0=1，依据控制器状态编码和信号灯关系表可知，主干道红灯亮，支干道黄灯亮。依据电路图，数据选择器74153共用地址输入端A1、A0和输出状态Q0、Q1相同A1=Q0=0，A0=Q1=1，当计数器未记到20时，计数器没有输出；当计数器计到20时，输出时间间隔TY即TY=1，TY和经过反相器TY同时送到数据选择器中，跟据第一片数据选择器A1、A0状态能够判定出输出信号Y=D1即输出TY，该信号又被送入第一片D触发器中，输出Q1=TY即Q1=1，Q0连续上一状态 Q0=1。和此同时，依据第三片数据选择器可知，输出状态转换信号SR，这么计数器清零，开始进入下一工作状态。
4.第四工作状态：由上控制器输出状态Q1=1，Q0=0，依据控制器状态编码和信号灯关系表可知，主干道红灯亮，支干道绿灯亮。依据电路图，数据选择器74153共用地址输入端A1、A0和输出状态Q1、Q0相同A1=Q1=1，A0=Q0=1，当计数器未记到5时，计数器没有输出；当计数器计到5时，输出时间间隔TG即TG=1，TG和经过反相器TG同时送到数据选择器中，跟据第二片数据选择器A1、A0状态能够判定出输出信号Y=D3即输出TG，该信号又被送入第二片D触发器中，输出Q0=TG即QO=0，Q1连续上一状态 Q1=1。和此同时，依据第三片数据选择器可知，输出状态转换信号SR，这么计数器清零，开始进入下一工作状态。

6 元器件清单
序号
元件名称
规格及用途
数量
1
定时器
555
1片
2
计数器
74163
3片
3
计数器
74160
5片
4
译码器
74139
1片
5
非门
3049
20个
6
或门
3068
3片
7
六输入和门
74LS30
3片
8
电阻
1k
2个
9
电阻
510
6个
10
电容
470 uF
1个
11
发光二极管
BS201
6个

7 关键元器件介绍
7.1 555
555定时器是一个将模拟电路和数字电路混合在一起集成电路，此次设计中选择555是一个应用尤其广泛、作用很大集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中全部有应用。555作用是用内部定时器来组成时基电路，给其它电路提供时序脉冲。该电路是由三个5千欧电阻组成份压器、两个高精度电压比较器、一个基础R-S触发器、反相缓冲器及放电管组成，它结构简单，使用灵活方便，所以应用很广泛。
若选集成计数器74160，74160是一个含有同时清零、同时置数、可保持状态不变4位二进制加法计数器。
74163 为中规模集成计数器芯片，是4位二进制同时计数器，它含有同时清零、同时置数功效。当清零端 CLR=1 ，置入 CLOD，计数许可端 P=T=1 时工作在计数状态，管脚 15 输入进位脉冲。 该芯片也能够实现可编程计数器，即它每一个输出可被预置为任一电平，当置入端 CLOD=0 时，在下一个时钟脉冲到来后，输出端数据便和输入数据一致。这种计数器清零是同时清零，即清零端 CLR=0 时在一个时钟脉冲到来后才能清零。
7.2 74163

7.3 74160

小 结
为期五天数字电子课程设计已经结束，能够这么说在这次数字电子技术课程设计中我收获很丰富。
经过上半学期对数字电子技术这一门课程学习，我学会了很多相关数字电子技术知识，当然这些均是理论知识。而这些理论知识在这次课程设计中起到了关键性作用，这些知识为此次数字电子技术课程设计进行做好了充足理论准备。
在课程设计第一天，老师向我们认真讲解了此次数字电子技术课程设计思绪，这为以后课程设计做好了铺垫。
此次课程设计采取分组进行方法，但我们只是做同一个课题，老师要求我们每一个人全部要亲自设计完成一个电路。刚开始时还有些不了解这是为何，但当我开始正式进行课程设计时我就明白这其中意义了。多个人一组让我们有了相互学习讨论伙伴，而自己设计自己电路又提升了我们自己独立思索和动手能力。
在以后课程设计中，我们每个人全部认真研究自己课题，碰到不会问题我们先在小组中讨论，小组组员间认真主动学习态度，深深感染了我，使我深刻体会到了团体力量，也被这种气氛深深感染，愈加主动投身于工作之中。然而人多并不代表一定能成功，我们还是碰到了部分我们无法处理问题，每到此时我们全部会去请教老师，而老师对于我们每一次提问全部是很耐心细致讲解，这么我们学到了许很多多在课堂上学不到东西，也培养了我们遇问题先经过查找资料、讨论等方法自我处理良好习惯。
开始刚刚拿到课题时，我感到很迷茫。但经过课后图书馆学习和网上资料搜集整理和小组组员间讨论分析，我逐步有了思绪，而在此以后我则进入到了设计电途经程。在此过程中我会为每一次仿真成功而兴奋不已，一样也会为失败而沮丧，每到这时，小组其它组员全部会激励我，而且大家全部会聚集在一起讨论，研究，分析。大家在一起共同进步，降低了很多弯路，提升了工作效率。
经过这一次数字电子技术课程设计，我深刻体会到了实践关键性。作为一个现代大学生仅仅会书本上知识点是无法将它应用到实际中去，而这么成为我们以后道路上阻碍，所以在平时我们就应该重视实际，多多将理论同实际联络在一起。
总而言之，这次课程设计令我终生难忘，因为在这期间我不仅收获了知识，也收获了能力，学到了很多书本上没有知识。很感谢学校安排这次数字电子技术课程设计，更要感谢老师辛劳付出，和小组组员间帮助和合作。

致 谢
为期五天数字电子技术课程设计已经结束了，在此次课程设计中，我首先要感谢老师，一样也衷心感谢我们这个小组组员，和其它给我帮助同学，正是因为这些大家帮助，我数字电子技术课程设计才能顺利完成。
感谢老师细心指导，正式因为有老师耐心细致讲解，我对此次数字电子技术课程设计课题有了深入了解，同时也对数字电子技术有了更深层次认识和了解。并在此基础之上完成了理论和实际结合第一步——仿真。
感谢我们小组组员，因为有了她们，我不再是一个人在奋斗。在这个小组之中我们一起讨论，一起研究，共同进步。相互帮助将每一个人优点发挥淋漓尽致，这是一个优异团体。在这里一样让我体会到了合作关键性，提升了合作精神。
感谢帮助过我同学们，即使说有了小组合作提升了我知识贮备，但人数毕竟有限，为此在此期间我也向其它同学请教不少问题，在这里很感谢这些同学热心帮助。
最终感谢学校安排这一次数字电子技术课程设计，经过这次课程设计我收获颇多。

参考文件
[1]康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，
[2]张建华.数字电子技术.北京：北京理工大学出版社，1991
[3]汪一鸣.数字电子技术试验指导.苏州：苏州大学出版社，
[4]吕思忠.数字电路试验和课程设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，
[5]汤山俊夫.数字电路设计和制作.科学出版社，

附 录
A1 逻辑电路图