数电课程设计交通信号灯控制电路

1、唐山学院课程设计说明书目 录1 引言12 交通信号灯控制电路概述22.1 交通信号灯控制电路两种工作方式22.2 交通信号灯的总体逻辑框图23 各单元模块43.1 直流稳压电源43.2 秒脉冲产生电路43.3 分频器53.4 十二进制计数器63.5 逻辑控制电路74 交通信号灯电路的仿真与调试94.1仿真软件简介94.2电路的仿真94.3调试方法134.4调试中出现的问题、原因分析及解决方法135 设计总结15参考文献16附录i 17附录ii 18181 引言交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成

2、，分为机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具，适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。设计出符合人们普遍要求及放心的产品具有重要的实际意义。同时，设计该系统所应用的知识涉及范围广，通过设计可以牢固掌握所学理论知识，对电子信息工程专业的就业方向有初步认识，将理论与实际有机联系起来。要求设计一个交通信号灯控制系统，能实现以下两个功能：1. 信号灯

3、白天工作某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。2. 夜间工作南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用led红、绿、黄发光二极管模拟。2 交通信号灯控制电路概述2.1 交通信号灯控制电路两种工作方式交

4、通信号灯控制电路由两种不同工作状态组成，分别为白天工作方式和夜间工作方式。白天时某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。 如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。夜间时南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮。需要设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。信号灯采用led红、绿、黄发光二极管模拟。信

5、号灯指示灯白天点亮流程图如图2-1所示。 图 2-1 信号指示灯白天点亮流程图南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 1t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t2.2 交通信号灯的总体逻辑框图交通信号灯的总体逻辑框图如图2-2所示：东西信号灯南北信号灯系统电源组合逻辑电路十二进制计数器工作方式控制开关四分频器秒脉冲产生回路图 2-2 交通信号灯的逻辑框图该电路由555定时器组成的多谐波振荡器、双74ls74组成的4分频器、74ls164组成的扭环型12进制计数器、逻辑控制电路、led灯组成。该系统的工作原理为，由555组成的多谐波振

6、荡器产生1s的脉冲经过分频器得到4s的脉冲，4s脉冲进入计数器，当计数器产生相应的输出时，led灯会随、的不同值产生变化。3 各单元模块3.1 直流稳压电源5vrl78053300ufuf220v电源电路如图所示，220v交流电经变压器变为9v交流电，后经整流（全波整流）、滤波（3.3mf电容）、稳压（w7805）输出+5v直流电。电路如图3-1：图 3-1 直流稳压源电路3.2 秒脉冲产生电路由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的

7、多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用555定时器组成多谐振荡器。5k5k5k 图 3-2 555定时器结构图双极型555定时器由电阻分压器、比较器、基本rs触发器、双极型三极管t和输出缓冲器组成，其外部有八个引脚，第8脚为电源端，第1脚为接地端，第3脚为输出端，第4脚为直接复位端，第5脚为控制电压输入端，第6脚为复位控制端，第2脚为置位控制端，第7脚为放电端。555定时器组成的多谐波振荡电路如图3-3：c图 3-3 555定时器组成的多谐波振荡电路振荡周期的计算公式是：；电源电压；其中电路图中的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用的瓷片电容。课程设计中要求t=1s，选取，

8、,通过计算得。当器件选取完成之后根据电路连接即可。 3.3 分频器因为该控制电路是以4秒为时间单位，即它的cp脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的cp脉冲。本次课程设计使用两个d触发器组成4分频器电路。4s脉冲是为74ls164提供的cp脉冲。从理论上讲，4s脉冲可以用多谐振荡器来产生。为了使整体电路的脉冲协调一致，4s脉冲应将秒脉冲经过4分频器得出。因此，4s脉冲电路的设计实际上就是4分频器的设计。使用74ls74实现4分频器。74ls74的管脚如图3-4：图3-4 74

9、ls74管脚 74ls74的功能表如表3-1： 表3-1 74ls74功能表cpd0x1001113.4 十二进制计数器由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为5：1：6），因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74ls164。74ls164的功能表如表3-2所示： 表3-2 74ls74功能表输入输出清零时钟串入cpablxxxllllllllhlxxhhhhhlxlhxll初始=0，a=b=1， =1，下一个脉冲到来时，将高电平传给，并以此类推其12进

10、制扭环型计数器真值表如表3-3所示： 表3-3 12进制扭环型计数器真值表输入计数器输出cp00000000111000001211000013111000141111001511111016111111170111111800111119000111110000011111000001112000000由上表可以看出，根据cp脉冲的变化，至的输出有12个不同的状态，从而实现了电路的12进制计数。用74ls164组成的12进制扭环形计数器电路 ，其电路图如图3-5所示： 图 3-5 12进制扭环形计数器电路原理图3.5 逻辑控制电路逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点

11、亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。组合逻辑电路的真值表如表3-4所示：计数器输出南北信号东西信号 nsg nsy nsrewg ewy ewr000000100001100000100001110000100001111000100001111100100001111110010001111111001100011111001100001111001100000111001100000011001100000001001010

12、000000100001 表3-4 组合逻辑电路逻辑真值表与逻辑电路真值表相对应的逻辑电路如图3-5所示： 图3-5 逻辑电路图通过以上电路图，选择引脚连接电路可以实现交通灯的点亮要求。4交通信号灯电路的仿真与调试4.1仿真软件简介ni multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借ni multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准spice模拟器模仿电路行为。借助专业的高级spice分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与ni labview和signalexpress

13、软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。有如下特点：通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路；通过交互式spice仿真, 迅速了解电路行为； 借助高级电路分析, 理解基本设计特征；通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试； 通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短研发时间。4.2电路的仿真按照原理图逐步进行仿真。仿真结果通过软件自带的电压表，示波器展示出来。1.直流稳压电源的仿真直流电源电压仿真的电路连接如图4-1所示： 图4-1 直流电源仿真电路图 仿真后变压器降压后变压器副边电压以及稳压后的电源电压如图4-2所示: 图4-2 仿真后经变压

14、器降压以及稳压后的电压2.555定时器仿真555定时器组成的多谐波振荡器的仿真电路如图4-3所示： 图4-3 555定时器组成的多谐波振荡器仿真图仿真电路波形输出如图4-4所示，其中方格的单位为1s。 图4-4 多谐波振荡器仿真波形图 3.分频器的仿真分频器的仿真电路如图4-5所示： 图4-5 分频器仿真电路仿真分频器波形输出如图4-6所示，其中方格的单位为一秒。 图4-6 分频器输出波形图由图可见分频器输出大致为4s的周期，是555定时器输出的4倍。4.红绿灯的仿真仿真后分频器、红黄绿灯的波形如下，其中波形由上到下分别代表：分频器输出波形，红灯波形，绿灯波形，黄灯波形。白天的仿真波形如图4-

15、7所示：图4-7 时序仿真白天模式分频器与红黄绿灯波形根据示波器的波形分析：高电平时灯亮，上图第一根线为秒脉冲，第二根线为红灯，第三根线为绿灯，第四根线为黄灯。由图可知，0-18秒时候，b通道处于高电平，绿灯亮；18-22秒区间，c通道产生四次脉冲，即黄灯亮四次；22-44秒区间，则d通道处于高电平，红灯亮。以上为一个周期。夜间模式分频器与红黄绿灯波形如图4-8所示：图4-8 时序仿真夜晚模式分频器与红黄绿灯波形4.3调试方法1.首先调试+5v稳压电源，看输出结果是否为+5v。2.其次调试555定时器组成的多谐波振荡器，看输出是否为周期1s波形。3.再次调试分频器，看输出是否为周期为4s波形。

16、4.最后调试逻辑电路，看仿真结果是否正确。4.4 调试中出现的问题、原因分析及解决方法数电课程设计有点儿难度，做课设其间遇到了很多问题。首先遇到的问题就是对虚拟电子实验室软件的陌生，结果导致刚开始就举步维艰，后来通过看老师给的课件和上网看使用教程，逐步学会了使用此款软件，并顺利将电路图连接好了。刚连好电路图，又出现了问题，就是在使用软件仿真运行的时候灯怎么着也不亮，想尽一切办法也不行，后来只好检查电路图是否连好，检查第一遍时没发现问题，只好再从头检查一遍，检查第二遍时终于发现问题，原来是一个器件的接地端没有接地，才最终导致二极管不亮，接好之后再去进行仿真，灯终于亮了。之后在调试的时候又遇到了问

17、题，就是多谐振荡器的周期怎么也达不到一秒，只能反复调节三五计时器外部接的两个电阻，就这两个电阻就耗费了我将近一个小时的时间，最后经过不懈努力终于调好了，一切都符合条件。一切都调好之后又遇到了问题，那就是改仿真图上二极管名称的时候总是改不成功，虽然这只是个小问题，方法也很简单，但是就是成功不了，问了一下其他同学，他们许多人也遇到了同样的问题，后来，万般无奈就将自己的仿真图文件放到别人的计算机上试了一下，终于成功了，看来这计算机方面还有许多东西需要我去学习啊！在此过程中，还发现了自身的一个问题，那就是对基础知识掌握得不牢固，最终导致在连电路图时很不顺手，有些器件甚至不知道该接哪里，最后不行，不得不

18、翻看课本，查找资料，不过好在最后还是成功将电路图连好了，而且此次数电课程设计也顺利的做了出来！此次课程设计虽然遇到不少问题，但是最终都一一解决了。5 设计总结经过五天的奋斗，交通信号灯控制系统终于完成了。本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计一个符合要求的交通信号灯控制系统。本次设计不仅要求我们要掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对交通信号控制系统的各个组成部分的原理，包括振荡器的原理、计数器的原理都有深刻的理解和掌握，本次课程设计最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有一定的动手能力，能够绘制出仿真电路并调试。这次数电课程设计，使我明白了许多。从最初的茫然无措到最后的豁然开朗，其间的酸甜苦辣只有参加过课设的人才体会得到。的确，从理论到实践，在整整五天的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正学到属于自己的知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到的问题，可以说得是多如牛毛，因为基础不牢固，再加上缺乏