交通灯控制器1

1、 课程设计说明书课程设计名称： 脉冲数字电路 课程设计题目： 交通灯控制器 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 通信工程 班级： 090421班 学号： 09042130 姓名： 尧国振 评分： 教师： 20 11 年 09 月 22 日 数字电路 课程设计任务书20 11 20 12 学年 第 1 学期第 2 周 3 周 题目交通灯控制器内容及要求1.采用时基电路、主控电路、译码电路组成的交通灯控制器2.增加自动夜间开关功能，黄灯亮(使用光敏三极管)3.增加手动功能，方便盲人通过进度安排1. 布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备：3天； 2. 领元器件、焊接、制作：3天3调试：2天4

2、. 验收：0.5天5. 提交报告：本学期37周学生姓名：尧国振指导时间:第23周指导地点：e 楼 601 室任务下达20 11 年09月10 日任务完成2011 年09 月17 日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师徐新河系（部）主任付崇芳注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、 课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。目录前言3第一章 设计内容及要求4第二章 系统设计方案选择 2.1 方案一52.2 方案二6第三章 系统组成及工作原理3.1 系统组成.73.2 工作原理.7第四章 单元电路设计、参数计算、

3、器件选择4.1 脉冲产生电路.84.2 控制电路.84.3 时间设置电路.94.4 计数电路.104.5 显示输出电路.124.6 红黄绿灯控制电路.13第五章 实验、调试及测试结果分析.15结论.19参考文献.21附录一.21附录二.22 前 言随着社会经济的发展，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部分 不同的城市有不同城市的问题，但共性就是混合交通流问题。在交叉口如何解决混合交通流中的相互影响或彼

4、此的相互影响，就是解决问题的关键！随着我国城市化建设的发展，越来越多新兴城市的出现，使得城市交通成为了一个绝对主要的问题。同时随着我国经济的稳步发展，随着城市机动车量的不断增加，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入寻常老百姓的家庭,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，再加上政府大力发展的道交、出租车，使得车辆越来越多，这不仅要求道路要越来越宽阔，而且要求有新的交通管理模式和交通规则的出台。因此，自80年代后期，很多城市纷纷扩建城市道路，在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道路的系统研究和控制，加宽道路并没有充分发挥出

5、预期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。 于是，旧的交通控制系统的弊病和人们越来越高的要求激化了矛盾，使原来不太突出的交通问题被提上了日程。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多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，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。 由于交通路口的形状和规模不一，所采用的信号灯的数量、控制要求不一，控制的复杂程度也就不一样，为此有关部门愈来愈多的注重在交通管理中引进自动化、智能化技术,比如“电子警察”、自适应交通信号灯以及耗资巨大的交通指挥控制系统等。随着经济的发展和社会的进步

6、，道路交通已愈来愈成为社会活动的重要组成部分。对交通的管控能力，也就从一个侧面体现了这个国家对整个社会的管理控制能力，因此各国都很重视用各种高科技手段来强化对交通的管控能力。第一章 设计内容及要求基本要求 1) 用数字电路实现下面功能南北向绿灯亮，东西向红灯亮30s南北向黄灯亮，东西向红灯亮6s南北向红灯亮，东西向绿灯亮30s南北向红灯亮，东西向绿灯亮6s图1.1 交通灯控制器控制流程图 2) 增加自动夜间开关功能，黄灯亮(使用光敏三极管) 3)增加手动功能，方便盲人通过提高要求 1)要求显示剩余时间 2)增加拐弯时序主要参考元器件：74ls74，74ls00，74ls168，74ls248，

7、74ls161，74ls08第二章 系统设计方案选择2.1 方案一此方案逻辑清晰，通过计数器和组合逻辑电路来控制主次红黄绿灯的亮与灭，在交通灯亮灭的同时，再通过组合电路来控制主次道的计数，比如计数器通过组合逻辑电路使红灯亮，同时通过组合电路使主道开始计数。此电路的缺点：由于主次道红黄绿灯的时序要求不同，通过计数器和组合逻辑电路来控制主次道红绿灯的亮灭会是组合逻辑电路变得很复杂，主次道实现定时倒计数比较困难，而且为接近实际情况应该设置置数控制来对等亮灭的时间进行调整等，对图1的原理框图来说，每一次调整都需要重新改编组合逻辑电路，这个过程相当繁杂。2.2方案二在设计要求中要实现四种状态的自动转换，

8、首先要把这四种状态以数字的形态表示出来。可以用两位二进制数表示所需状态（00gr, 01yr, 10rg, 11ry）,循环状态：（0001101100）。我根据数字电路课程中介绍的计数器，利用74192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，控制主干道和支干道的红黄绿灯亮的情况，而且能够控制其他部分电路。然后，又采用一片192作为计时部分通过一片248芯片来对数码管进行显示。 电路的基本框图：时基电路20秒定时5秒定时30秒定时主控电路译码电路红 绿 黄(主)红 绿 黄(支)相对来讲，第二个放案原理更清晰，可操作性更强，也更符合实际，故选择第二个方案。第三章 系统的组成

9、及工作原理3.1 系统的组成本次系统主要由：控制电路，预置电路，倒计时电路，显示电路，秒脉冲发生器开关控制电路。1.脉冲产生电路。设置好参数r1,r2和c就可以产生交通灯控制器所需要的1秒的脉冲。2. 预置电路。因十字路口每个方向绿、黄、红灯所亮时间分别为5:1:6，所以通过4片74ls153芯片分别与秒脉冲连接产生4倍分频（既是4秒的脉冲）。3.系统控制电路。选用74ls112jk触发器组成00-01-10-00循环状态控制交通灯的亮灭和数码管的显示。4.显示部分电路。显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1

10、，直到计数器为“0”而停止。译码显示用74ls48 bcd码七段译码器。显示器用lc5011-11共阴极led显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74ls192。3.2 工作原理它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器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，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。控制器部分它由74ls164组成扭环形计数器，然后经译码后输出十字路口南北、东西两个方向的控制信号。其中黄灯信号必须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿、红灯灭。数字显示部分当南北方向绿

11、灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74ls168以减法计数器方式工作，从数字“24” 开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯灭信号（ewr：0）使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮使另一方向东西方向减法计数器开始工作。在减法计数开始之前，由黄灯亮信号使减法计数器先置入数据，黄灯亮（为高电平）时，置入数据。黄灯灭（y=0）而红灯亮（r=1）开始减计数。第四章 单元电路设计 参数计算 期间选择4.1脉冲产生电路：用555，电阻，电容 产生通过555芯片按一定的线路接上不同的电阻和电容就可产生周期不同的方波脉冲，即不同的频率脉冲

12、。课程设计需要秒脉冲，利用的2个电容，2个电阻。（电容分别为0.1uf和4.7uf电阻分别为47千欧和150千欧。） 脉冲产生电路图如下：秒脉冲产生电路4.2、控制电路红绿灯显示受到主控电路控制，即其输出（q1和q2）决定了主干道和支干道的红绿灯的亮灭情况。如：亮1，灭0，则有q1q2红(r)黄（y）绿(g)支红(r)支黄(y)支绿(g)00001100010101001010000111100010由上表可以得出： r=q1, y=q1！q2， g=q1！q2！ r=q1!，y=q1q2，g=q1q2在这里我用中规模器件74ls74双d触发器来实现主控电路部分,因为中规模器件不仅较小规模器件

13、稳定,而且接线也较小规模器件简单.上面红绿灯的状态完全由q1和q2控制。红绿灯接线及主控电路接线如下:用两个d触发器来实现计数器反馈信号状态由00-01-10-00循环变化时，主道显示灯绿黄红依次循环，次道红绿黄灯依次循环4.3、时间设置电路主次分别采用4片双4选一数据选择器74153芯片从左至右四片74153芯片的输出1y2y 1y2y 1y2y 1y2y 分别接至高低位计数器的输入端dcba dcba74153的输入ab分别接控制电路的qo q1从左至右四片74153芯片的输入八个c0为绿灯时间设置，八个c1为黄灯时间设置，八个c2为红灯的时间设置。如主道路八个c0依次设置为0011 00

14、00，八个c1依次设置为0000 0110，八个c2设置为0011 0110，八个c3依次设置为0000 0000，即在电路工作时，显示电路会从36 06 30倒计时。4.4、计数电路（a）记时器状态产生模块： 设计要求对不同的状态维持的时间不同，而且要以十进制倒计时显示出来。根据器材本人采用74ls161完成计时器状态产生模块，并把它的cp端接秒脉冲。而74ls161计数器是采用加法计数，要想倒计时，则其输出的信号必须经过非门处理后才能接入数码管的驱动74ls48，而显示数字是0-9显示计时，故在设计不同模值计数器确定有效状态时，本人以0110-1111这些状态为有效状态。例：有效状态011

15、0-0111-1000-1001-1010-1011-1100-1101-1110-1111取非 后 1001-1000-0111-0110-0101-0100-0011-0010-0001-0000 即 9-8-7-6-5-4-3-2-1-0 a) 实现模10的倒计时。首先对控制输出的74ls161设计我利用系统的状态量q1,q2控制74ls161的置数端d0，d1，d2，d3。当系统处在gr或rg状态时，个位的进制是十（模10），即逢十进一，当系统处在yr或ry状态时，个位的进制是五（模5），即逢五进一，模10时，有效状态为0110，0111，1000，-1111，置d3，d2，d1，d0

16、为0110，模5时有效状态为1011，1100，1101，1110，1111，置d3，d2，d1，d0为1011，由此有，q1q2d3d2d1d0000110011011100110111011由上表可以得出d3=q2 d2=q2! d1=1 d0=q2当状态为1111时，74ls161的状态必须跳到进入下一个循环，此时进位输出为1，我们可以把它的co非接入置数端ld。b)数字显示模块： 我们用数码管将计时器产生的信号以数字形式显示出来，其中包括接数码管的驱动74ls248，其驱动的lt、bi/rbo及rbi都接1 4.5显示输出电路显示电路各用两片74ls248芯片和2片bcd七段译码器两片

17、74ls248的输入dcba分别连接74161芯片的输出qd qc qb qa，由计数器74ls161计数输出的信号通过74ls248译码器译码，译码后通过输出端直接驱动数码管显示。4.6、红黄绿灯控制电路由于控制器的状态为00-01-10-00循环，所以对于主道路来说当为状态为00时计数器倒计时36秒红灯亮，状态为01时计数器倒计时6秒黄灯亮，状态为10时计数器倒计时30秒绿亮。用三个与门即可实现， q0q1,q0q1,qoq1,控制红黄绿三个指示灯。当计数器计数到0000 0000时产生控制电路的下降时钟脉冲信号，继而使控制器的状态发生改变，即在00-01-10-00这三种状态之间循环，利

18、用这三种状态的循环来设计红黄绿灯的控制电路。为了增强电路的扩展功能，可以在计数器的置数信号和控制开关相与来控制两个触发器的时钟脉冲信号，因此当将主道的开关a掷0，打开秒脉冲发生器。然后将开关掷1即可开始计数，若需要控制从那种颜色的灯先开始计时，先将开关置1然后置0，即可产生一个下降沿脉冲，同时也是一个置数信号。可以置数为控制控制的下一状态。4.7 总电路图第五章实验 调试及测试结果与分析5.1时间显示的调试在调试之初，高低位片的借位信号作为计数器的置数控制信号由于跟据74ls161的计数功能及特征发现，74ls61的进位端和借位端在当计数为0时，进位和借位端并不会马上变为0状态，而是先高电平，

19、后低电平，高低电平的时间与脉冲发生器产生的脉冲一样。应此在调试过程中存在00这种输出状态，这样就会导致红黄绿灯亮的时间分别为00-36-35-00，00-06-05-00,00-30-29-00。这样不仅给人每种灯亮的时间就会增加一秒成为37秒，7秒，31秒的感觉。但其实并没有增加，而是状态00-36-35经过的时间为1s,00-36的时间为脉冲发生器高电平时间，36-35脉冲发生器低电平时间，这就当显示走到以上脉冲时速度明显加快，这在现实中显能不行，也不符合题目要求的时序。所以需要想办法消除这种状态。后来想到0000 0000这种状态来作为计数器的置数信号，同时这样就会要求除0000 000

20、0这种状态，其他状态时计数器都能正常倒计数。所以考虑到将计数器的八个输出端相或作为置数信号。这个时候也恰好产生一个下降沿来使控制电路输出状态转化，进而使预置数电路的输出变化，然后输入到计数器，这样刚刚好能达到效果。虽然用到了7个二输入或门，但是能有效地消除00这种状态，使得时序满足设计要求，另外计数过程也更符合实际情况。5.2时间预置的调试在设计之初，考虑到用尽量少的芯片作为时间的预置数电路，或者是直接用控制器的不同状态在计数器上实现预置数，但是这样需要用到比较多的逻辑门电路，是电路变得复杂，而且每次调整时间都的重新设计组合逻辑电路，比较繁琐。由于控制电路的输出又00-01-10-00循环，所

21、以考虑到用二输入的四选一选择器来进行置数，这样思路更清晰，操作起来比较方便，所以最终选择用双四选一的74253数据选择器来进行时间预置。虽然使得时间预置数的芯片由四片变为了最终的八片，但这样更直观，所需要预置的数直接译为二进制码，然后分别在各74ls153芯片的c0,c1,c2端输入即可。比如要把时间设置为36,6,30。只需将八个c0端设为0110 0110，八个c1端设置为0000 0110，八个c2端设为0011 0000。5.3扩展功能的调试在设计的电路能完成任务要求后，我考虑通过对电路的局部修改来实现扩展功能。为了增强电路的扩展功能，可以在红绿灯的位置适当的加一些开关和门电路来实现设

22、计的盲人模式和夜间模式，如下图的sw3,sw7，sw4开关实现盲人模式，当需要盲人模式时关闭sw2,这时红绿灯全灭黄灯闪烁且不受控制器的控制置，在拨动sw3向左时，南北绿灯亮，东西红灯亮，同时亮黄灯，此时盲人便可以安全通过，当拨动sw3向右时，南北红灯亮，东西绿灯亮，同时亮黄灯，此时盲人便可以安全通过，当在夜间时，光敏电阻阻值下降，使得东西和南北方向的红绿的全灭，黄灯闪烁，从而实现夜间模式。5.4电路的整体调试打开秒脉冲发生器，用示波器观察波形是否为方波，周期是否为一秒，然后接入到控制器和计数器即可，该电路测试过程:道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置；道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整；结 论

23、本次试验在仿真阶段并未出错，但是在实际操作阶段却出了不少问题。首先我们用555组成的的秒脉冲发生信号在示波器中观察本应为方波，但我们观察到的却是跳动的一高一低的波形，后来经过从新设置电容和电阻值得出了正确的波形。一开始我们打算用74ls168十进制计数器来实现计数功能，后来发现领不到该芯片，于是打算用74ls192代替，但是在实现电路功能的时候发现192置数时出现错误，使得电路到黄灯亮的时候，本来是另一方向绿灯亮，但另一个黄灯却亮了起来。并且有时电路出现乱码，数码显示管数字显示不全，或者显示的时间发生错误。比如南北向绿灯亮的时间为36秒，从36开始倒计时，但是数码显示管显示剩余时间却是35秒，东西向对应的黄灯显示正常为6秒，但红灯却显示29秒。但是在第一个工作循环数码管显示却是符合要求的，在调试检查过程当中有时南北向绿灯亮了，东西向灯却仍停留在上个工作状态，而当我们把192输出与地接时东西向由于高向低电位的变化工作状态处于正常。这是我们在实际操作当中出现的一