交通信号灯电子技术课程设计.doc

电子信息与控制工程系课程设计

交通信号灯系统设计

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一、内容摘要 3
二、交通信号灯设计内容及要求 3
三、方案分析 3
四、 原理图设计 5
1 信号灯状态控制器 5
2 信号灯译码驱动电路 7
3 置数译码电路 8
4 计时系统 8
5 显示译码器 9
6 共阴七段LED共阴数码管 11
7 555振荡器构成的秒脉冲电路 11
8 元件清单 13
五、 整体电路图以及工作原理 14
六、 原理图仿真 14
七、 收获、体会和建议 15
八、 参考文献 16
附录一 17

一、内容摘要
本电路通过由两个D触发器组成的四进制计数器和由与非门组成的译码器来控制主干道和支干道红、黄、绿灯的状态变化，从而达到疏导车辆安全顺利通过十字路口的作用，由555计时和电容电阻组成秒脉冲发生器；计时器由两个74LS190计数器组成，分别用于计时间的十位和个位；显示译码器把74LS190输出的BCD码译成7位二进制代码，驱动数码管显示相应的BCD码所对应的十进制数。
二、交通信号灯设计内容及要求
由一条主干道和一条支干道的汇合形成十字路口，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了红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行使中的车辆有时间停靠到禁行线之外；
任务和要求：
1、主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒。
2、 每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒，此时原红灯不变。
3、 用十进制数字显示放行及等待时间。
三、方案分析
十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一个主干道和一个支干道的十字路口如图所示。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。

路口交通指挥系统示意图
系统工作流程图如图所示。

主干道绿灯亮，支干道红亮，计数器由30开始递减计数
S1

主干道黄灯亮，支干道红灯亮，计数器由5开始递减计数
S2

主干道红灯亮，支干道绿灯亮，计数器由20开始递减计数
S3

主干道红灯亮，支干道黄灯亮，计数器由5开始递减计数
S4

系统工作流程图
要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、信号灯译码驱动电路、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路等几部分组成，整机电路的原理框图如图所示。四个路口设有红、黄、绿三色灯和两位8421BCD码的计数、译码显示器。

交通信号灯控制系统原理组成框图
十字路口车辆运行情况只有4种可能：1）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30s。2）30s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5s。3）5s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20s。4）50s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为5s。5s后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电路也有4种状态，设这4种状态依次为：S0、S1、S2、S3。状态转换图如图所示。
S0
S1
S2
S3
30s后
5s后
20s后
5s后
状态转换图

四、 原理图设计
1 信号灯状态控制器
十字路口车辆运行情况只有4种可能，实现这4个状态的电路，可以用两个D触发器组成一个四进制的计数器。我采用的一片74HC74实现。
74LS74的引脚排列图：

74LS74的功能表：

74LS74的接线图所示：

D触发器的状态方程为Q*=Q',load每输入一个时钟脉冲Q0的状态改变一次，U7A将load输入的时钟脉冲二分频后送给U7B,即load每四个脉冲U7A和U7B的状态回到原来的状态，即四进制计算器。
2 信号灯译码驱动电路
主、支干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系见真值表。对于信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。列出信号灯的真值表：
状态控制器输出
主干道信号灯
支干道信号灯
Q1
Q0
红（R）
黄（Y）
绿（G）
红（r）
黄（y）
绿（g）
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
根据真值表可以写出各信号灯的逻辑函数式：

用发光二极管模拟交通灯的工作状态，根据逻辑函数表达式画出的电路图如图所示。因为门电路带灌电流负载的能力强，故设计成门电路输出低电平时，相应的发光二极管亮。

3 置数译码电路
要实现30秒、20秒、5秒倒计时，就要在计数器倒计时到零的时候给计数器的置数端送入下一状态相应的时间数。列出置真值表：
Q1 Q0
h g f e d c b a
0 0
0 1
1 0
1 1
0 0 0 0 0 1 0 1
0 0 1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1 0 1
0 0 1 1 0 0 0 0
根据真值表可以写出逻辑函数表达式：
h=0 g=0 f=Q0 e=Q1Q0 d=0 c=a=Q0' b=0

4 计时系统
74LS190具有可对8421BCD进行计数、可逆计数、有联级脉冲输出、可由送数控制进行异步置数、并行输出、可联级到n位应用等功能，所以可以用74LS190做为计时系统的计时器。
74LS190的时序图：

74LS190的引脚排序图：

74SL190的功能表：

计时系统由两片74LS190构成的计数器、74HC00和74HC04构成的置数、状态转换信号输出电路组成。如图所示。用两片74LS190组成两位十进制减法计数器，当计数器状态为零时，U5C输出信号load,作为置数控制信号，将置数译码器输出的数据送入计数器。Load送入状态计数器74LS74，作为状态计数器的时钟脉冲。

5 显示译码器
CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。
CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。
CD4511引脚排序图：

七段显示译码电路真值表：

CD4511接线图：

6 共阴七段LED共阴数码管
数码管分为共阳极结构和共阴极结构。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。数码管的每段都加一个360Ω的电阻。
数码管的接线图：

7 555振荡器构成的秒脉冲电路
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。

555定时器引脚排列图

555的内部电路图
555定时器个引线端的用途如下：
1端为接地线；
2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；
3端U0为输出端；
4端是复位端，当=0时，基本触发器直接置0，使Q=0，=1；
5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；
6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；
7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；
8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。
555定时器功能表，它全面表示了555的基本功能：

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。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+5V的直流电源。只需在+VCC端接上+5V的电源，就能在3脚产生周期性的方波，如图所示。

3脚输出的言方波的周期为 T=(R1+R2)Cln2
本电路采取R1=15K,R2=68K,C1=0.1uF,C2=10uF。
8 元件清单
元件
数量
74LS190
2
74HC74
1
74HC00
2
74HC04
1
CD4511
2
NE555
1
电阻、电容
若干
LED
6
共阴数码管
2

五、 整体电路图以及工作原理
整体电路图见附录一。
由555组成的振荡器产生周期为一秒的时钟信号，送给计时器，计时器做减法计数，CD4511译码器把计时器输出的8421BCD码译成驱动数码管显示的七段二进制代码，使数码管显示相应的十进制数。当计时器减到零状态，RCO1和RCO2分别输出一个低电平信号，通过非门和与非门，load输出一个低电平信号，置数译码电路输出的数据送入计时器，load在上升沿到来时，信号灯状态控制器的计数器加1，信号灯转到下一状态。计时器继续倒计时，如此循环下去。
六、 原理图仿真
这里用的是Proteus仿真软件，仿真原理图如下图：

主干道绿灯亮，支干道红灯亮，开始30秒倒计时。

主干道黄灯亮，支干道红灯亮，开始5秒倒计时。

主干道红灯亮，支干道绿灯亮，开始20秒倒计时。

主干道红灯亮，支干道黄灯亮，开始5秒倒计时。

从仿真结果可知，计时器能够正确置数，时间显示正常，仿真符合题目要求。
七、 收获、体会和建议
查找教材，资料，相应软件，为了这次课程设计，我们在图书馆查找了大量的相关资料，终于被我找全了和本次课程设计相关的不懂问题。
根据所分析的系统的电路原理图，结合系统的设计要求，在Proteus环境下进行元器件之间的连线和编译与仿真，及时检查元器件的放置、连线是否有错误。
根据交通灯系统的控制要求，经过实验，排除所有实验中的错误并实现了预定的功能。
在老师的指导下，通过学习交通灯系统控制器的设计的实验，学习一种设计电子的软件，增加了我们对电子设计的了解。
通过这次课程设计我们对于EDA技术多多少少有了一些了解，EDA技术发展迅速，有着广阔的应用前景，设计面广，内容丰富，它用软件的方法设计硬件；用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；在设计过程中可用有关软件进行各种仿真；系统可现场编程，在线升级；整个系统可集成在一个芯片上，体积小，功率低，可靠性高。EDA技术以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方法，以计算机，大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译，逻辑化简，逻辑分割，逻辑综合及优化，逻辑布局布线，逻辑仿真，直至特定目标芯片的适配便宜，逻辑映射，编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。其中大规模可编程器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体，硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段，软件开发工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具，实验开发系统则是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。
此次实验不但提高了我们实践的能力和理论水平，而且对于我们认识掌握各种操作技巧具有重大意义，使我们的综合素质得到了很大的提高。当然，通过这次实习，对我的影响远不只以上这些，它对我在以后的学习和生活中将会起到不可估量的作用。
最后，我建议学校多搞些这样的设计，在锻炼我们的同时还丰富了我们的生活，还建议在今后的设计报告中，提供一些好的报告让我们参考，谢谢！
八、 参考文献
1. 阎石 《数字电子技术基础（第五版）》 高等教育出版社
2. 苗松池 《电子实习与课设计》 中国电力出版社
3. 彭介华 《电子技术课程设计指导》 高等教育出版社