简易交通信号灯控制器课程设计报告

电子技术课程设计报告题目简易交通信号灯控制器学院（部）汽车学院专业汽车运用工程班级22021004学号月日至月日共周指导教师（签字）前言在城镇街道的十字交叉路口，为保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通信号灯控制器自动控制十字路口两组红、黄、绿交通信号灯的状态转换，指挥主、从干道上各种车辆和行人的安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。自从交通信号灯产生后其内部控制电路几经完善使其更加合理与人性化，科技含量不断提高，各种新型算法的诞生使得控制理论向着智能化方向迈进，前人的基础上给信号控制器的进一步发展提供了宽阔的平台与一定的技术基础。该设计是利用数字电路实现对交通灯的控制可以提高其时间上准确度及抗干扰能力,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。本实验设计目的是培养数字电路的能力，掌握交通信号灯控制电路的设计方法。设计要求1定周控制主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒2每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡；3分别用红、黄、绿发光二极管表示信号灯；4设计计时显示电路。设计过程中参考了一些相关文献，主要资讯来源于长安大学电子图书馆以及相关馆内藏书。为节约成本，实际操作主要用MULTISIM101软件仿真实现。本设计主要由三位同学完成。由于所学知识有限，设计中难免出现错误，请老师批评指正目录前言2题目及摘要4关键字4设计要求4第一章系统概述511系统概述512交通灯逻辑分析513总体设计方案5第二章单元电路设计与分析821秒脉冲信号发生器的设计822定时器的设计823控制器的设计1024显示电路的设计14第三章系统综述、总体电路图、电路安装、调试1831系统综述1832调试步骤及测量数据1833故障分析及处理1834整体性能指标测量1835总体电路图见附图22第四章结束语41总结及心得体会1942芯片介绍19附设计总电路图22元器件明细表23鸣谢24参考文献24评语25简易交通信号灯控制器摘要交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。交通灯控制器主要由秒脉冲发生器、控制器、定时器、译码显示电路及信号灯组成。脉冲发生器是用555定时器构成的多谐振荡器实现，控制器由JK触发器与各种逻辑门来实现，定时器采用74LS192及各种逻辑门来实现，显示电路由自带译码器的七段数码显示器来实现，控制器出来的信号通过74LS139译码后连到信号灯上，控制器通过ST对定时器进行控制，从而实现计时器的重置数开始新一轮计数过程。关键字控制、计数、译码、显示、时钟信号设计要求1定周控制主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒；2每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡；3分别用红、黄、绿色发光二级管表示信号灯；4设计计时显示电路。第一章系统概述11系统概述系统由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器、信号灯显示器五大部分组成。其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号，通过定时器向控制器发出三种时间到信号，使相应的发光二极管发光。译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，分别产生三种倒计时时间显示，控制器根据定时器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变，同时产生使计时器重新置数的信号开始下一轮计数。12交通灯逻辑分析位于主干道和支干道的十字路口交通灯系统，每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3个灯组成，红灯表示禁止通行，黄灯为过渡灯，绿灯表示允许车辆通行，表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。13总体设计方案图1为交通灯的一个整体设计框图。系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器、信号灯显示器组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作，秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。图中TL、TS、TY为定时器的输出信号，ST为控制器的输出信号。R、Y、G分别表示主干道红、黄、绿三色灯，R、Y、G分别表示支干道红、黄、绿三色灯。当主干道绿灯亮时，允许车辆通行，同时定时器开始计时，当达到指定时间时，TL输出为，否则TL输出为；当某车道黄灯亮后，定时器开始计时，当计时到秒时，TY输出为，否则TY；当主道红灯亮时，定时器开始计时，当计时到指定时间时，TS输出为，否则TS。图1交通灯整体框图因此，用定时器分别产生三个时间间隔后，向控制器发出“时间已到”的信号，控制器根据定时器的信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制器发出状态转换信号并发出清零信号ST，定时器开始清零，准备重新计时。交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用S0、S1、S2、S3表示。S0状态主干道绿灯亮，支干道红灯亮，此时主干道允许车辆通行，支干道禁止车辆通行。当主干道绿灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S1状态主干道黄灯亮，支干道红灯亮，此时主干道允许超过停车线的车辆继续通行，而未超过停车线的车辆禁止通行，支干道禁止车辆通行。当主干道黄灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S2状态主干道红灯亮，支干道绿灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道允许车辆通行，当支干道绿灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S3状态主干道红灯亮，支干道黄灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道允许超过停车线的车辆通行，而未超过停车线的车辆禁止通行。当支干道红灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态S0状态。S0、S1、S2、S3状态分别分配状态编码为00、01、11、10，由此得到控制器的状态，如表1所示。表1状态转换表状态主干道支干道时间（S）S0绿灯亮，允许通行红灯亮，禁止通行45S1黄灯亮，停车红灯亮，禁止通行5S2红灯亮，禁止通行绿灯亮，允许通行25S3红灯亮，禁止通行黄灯亮，停车5图2画出了控制器的状态转换图，其中TL、TS、TY为控制器的输入信号，ST为控制器的输出信号。图2控制器状态转换图第二章单元电路设计与分析21秒脉冲信号发生器的设计图2秒脉冲信号发生器22定时器的设计用74LS192直接构成减计数器，在秒脉冲信号上升沿的作用下，实现从预置数字开始减计数，计数器输出零时产生时间到信号，三组计数器分别产生M5、M25、M45的信号，即TY、TS、TL的时间信号。在JK触发器状态发生转换时进行异步置数开始下一轮计数。74LS192是双时钟同步二进制可逆计数器，用它进行减计数与数字显示倒计时相符合。并且是十进制计数器可以直接与自带译码器的现实管相连十分方便。置数端需要输入数字但同时可以满足各种时间要求的状态转换，在条件变化时即所要求的红绿灯亮的时间发生改变时可以很方便的通过改变置数来改变。用74LS192设计方便，容易调整，而且由于经常应用，因而使用起来较方便。因而选择方案（）。1功能介绍74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。管脚图和功能表分别为图5和表2图374LS192管脚图表274LS192功能表CPUCPDCLRLOAD工作状态XX00置数XX1X清零101减计数101加计数74LS192是8421编码的十进制可逆计数器，管脚12、13是低电平有效的进位端与借位端用于计数器的级联，4、5管脚分别是减与加脉冲输入端，高电平有效。2设计应用共用五块74LS192芯片，分三组，一片自己构成5秒时间到控制计时器，两片级联构成25秒时间到控制计时器，其余两片级联构成45秒时间到控制计时器。当5秒计时器输出为零时说明5秒时间按到，此时由于是减计数器，其借位端BO将会输出低电平，经非门转换后作为时间到信号送到JK触发器即信号TS。当25秒计时器组输出为零时说明25秒时间按到，此时由于是减计数器，其借位端BO将会输出低电平，经非门转换后作为时间到信号送到JK触发器即信号TY。当5秒计时器输出为零时说明25秒时间按到，此时由于是减计数器，其借位端BO将会输出低电平，经非门转换后作为时间到信号送到JK触发器即信号TL。当JK触发器的状态发生改变时，即信号ST有效时5片74LS192同时异步重置数重新开始计数。电路图如图6所示图4计时控制电路23控制器的设计方案一列出状态转换表，如表3所示。选用两个触发器作为时序寄存器产生四种状态，控制器的转换条件为TL、TY、TS，以及QN、QN1的状态。当控制器处于Q1NQ0N00状态时，如果TL0，则控制器保持在00状态；如果TL1，则控制器转换到Q1N1Q0N101状态。这两种情况与条件TY和TS无关，所以无关项用“”表示。其余情况依次类推，同时列出状态转换信号ST。表3控制器的状态转换表输入输出现态状态转换条件次态重置数信号Q1NQ0NTLTYTSQ1N1Q0N1ST0000010110101111010101XX0XX1000101101011110001010101根据表3，写出状态方程和状态转换信号方程为用JK触发器和各种逻辑门电路实现，与触发器的特性方程比较系数有根据方程（3）可以知道用两个三输入与门一个两输入与门以及一个四输入或门可实现清零反馈信号，注意到引出信号是高电平但是74LS192置数端是低电平有效因此加一个非门。触发器的时钟输入端输入秒脉冲。电路图如图7图7控制器的设计电路与反馈置数信号引出连接图系统的输出是以Q1Q0为控制信号经过译码器驱动动下的六个发光二极管，各状态与信号灯的关系由表2给出。电路连接图如图8图8信号指示灯连接电路方案二交通灯态序分析（1）主车道绿灯亮，支车道红灯亮。表示主车道上的车辆允许通行，支车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔45秒时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。（2）主车道黄灯亮，支车道红灯亮。表示主车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，支车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（3）主车道红灯，绿（左）灯亮，支车道红灯亮，表示主车道上车辆左拐进入支道，支车道禁止通行，如图3。红灯，绿（左）灯亮足规定时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（4）工作状态同（2）。（5）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行，支车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（6）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行，支车道上位过县停车线的车辆停止通行，未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，系统又转换到第（1）种工作状态。交通指示灯以上6种工作状态的转换是由控制器进行控制的。设控制器的四种状态编码为000、001、010、011、100、101，并分别用S0、S1、S2、S3、S4、S5表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示，控制器应送出主、支车道红、黄、绿灯、绿（左）灯的控制信号。表4车道运行状态表态序主干道支道时间/秒S0绿灯亮通车红灯亮停45S1黄灯亮停红灯亮停5S2红,绿（左）灯亮红灯亮停25左转S3黄灯亮停红灯亮停5S4红灯亮停绿灯亮通车25S5红灯亮停黄灯亮停5由上述状态转换可得用74LS161构成同步置数的六进制计数器，表示信号灯的六种状态表574LS161真值表输入输出CRCPLDEPETD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00000010DCBADCBA110Q3Q2Q1Q0110Q3Q2Q1Q01111状态码加1由于定时器部分使用的74LS192，它是双时钟同步二进制可逆计数器，并且是十进制计数器。考虑到定时器的设计，故而选择第一种方案。24显示电路的设计交通灯的数字显示采用倒计时，因而应采用减计数器。方案一采用74LS193进行减计数，然后将输出接到七段显示译码器上。方案二采用74LS192进行减计数，然后将输出接到七段显示译码器上。74LS193是二进制计数器，而74LS192是十进制计数器。由于显示的是由个、十位构成的数，因而用十进制计数器较好，选择方案二。每个干道需要两位数字显示，由于用减计数器，因而每个干道需要5片74LS192，由表3可看出主干道74LS192应该向七段显示译码器提供M45（S0状态）、M5（S1状态）、M30（S2、S3状态）的倒计数，而支干道74LS192应该向七段显示译码器提供M50（S0S1状态）、M25（S2状态）、M5（S3状态）的倒计数。74LS192的RD、LD端由Q1、Q0来控制，根据S0S3状态改变Q1、Q0从而控制RD、LD端，使它们进行减计数和清零。CPD端输入秒脉冲信号，而CPU端输入高电平。电路如图6、7所示。图9主干道显示电路图10支干道显示电路第三章系统综述、总体电路图31系统综述通过分析交通灯控制系统的要求可知，整个系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器构成。其中，秒脉冲信号发生器由石英晶体振荡器及由14分频器CD4060芯片和一个D触发器共同构成的分频电路组成；定时器由两片异步四位二进制计数器74LS161芯片、三片D触发器及若干与非门、非门、与门共同组成；控制器由三片数据选择器74LS153及两片D触发器芯片构成；译码显示器由十片74LS192、四片译码管驱动芯片7447和四个七段数码管构成。驱动电路的工作。主控制器和定时计数器必须使用同一脉冲信号，译码电路输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作。控制电路是系统的主要部分，由它控制定时计数电路和译码驱动电路的工作能够实现交通灯四种状态的自动转换。32调试步骤及测量数据1打开MULTISIM软件进入仿真实验图，倒计时计数模块调节开关进行置数，实现两条车道的预置时间均可设置修改。2观看交通灯转换关系，实现东西方向通行时间为45秒，南北方向通行时间为20秒。在绿灯转为红灯时，黄灯先亮5秒钟变换运行车道。黄灯亮时，每秒闪亮一次。33故障分析及处理连接完总电路图模拟时，很容易出错，这时很难检查出错误的地方，所以我们应该到分电路中分别检测，改正错误，最后再连接成总电路图。34整体性能指标测量实现设计要求的所有功能，即东西方向为主干道，通行时间为45秒，南北方向为匝道，通行时间为20秒。两条交叉道路上的车辆交替运行，并且两条车道的预置时间均可设置修改。在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。黄灯亮时，每秒闪亮一次。每一种灯亮的时间都是显示器倒计时进行显示。35总体电路图见附图。第四章结束语41总结及心得体会这个课程设计的任务我们三人花了差不多两周的时间。在这段时间里我们几乎用尽了我们的一切能想到以及能用上的方法，我们可以说是做了我们所能尽的一切的力量，但是我觉得我们的结果还是不太成功原因当然是多方面的。第一点我觉得本次我们所选的课设任务并不是太难，所以我们花了两周的时间本身就是一种办事效率的低下所导致的后我们的学习工作以及生活中都将是非常不该得，毕竟现在社会运行是非常的高效的。这一点我觉得我们在以后的生活学习中一定要不断的加强这方面的要求，争取成为一个办事高效的人。第二点，本次可设所用到的内容都是我们以前学过的，但是我们还能发现对以前学的内容我掌握的和自己想象的还有很大差距。很多东西我们在课堂上学了但是下来没有及时的复习，导致了现在不能及时的拿来用。还有一点在学习中是一个很大的误区，我们很多时候为了应付考试并没有将许多本应该学懂学透的内容真正的掌握，这也之家导致我在课设的时候不能灵活的运用那些知识。这是我们在以后的学习中一定要认识到的一点。第三点，通过本次课程设计我还真切的认识到理论联系实际在实践中并不是我们想想中的那么容易，很多东西可能在理论上我们掌握了，但要在实践中自如的运用还需要多多的锻炼。毛主席说过“没有调查就没有发言权”确实是一句实话。在实践中我们可以更好的理解课本上的内容，因此我们还需要更多的理论联系实际的练习。第四点，MULTISIM仿真软件，以前从来没有接触过，只是现在需要的时候才开始用它，它的功能都不很清楚。通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。现在设计已经做好了，虽然花了很多时间，但学到了很多东西。第五点，我们通过本次课设看到了团队的力量，三人一心，其力断金。培养了我们团队合作的精神，集合大的智慧，互相讨论，相互辩驳最后找到解决问题的方案，分工合作。学会与他人的合作这是我们以后学习工作中非常重要的一项技能。而本次课设我的队友确实给了我很大的帮助。欢迎您42芯片介绍1555定时器图11定时器原理图表6定