交通灯大学本科方案设计书doc

1、天津电子信息职业技术学院毕业设计课题名称交通灯控制电路的设计与制作姓名 白玉学号 16班级 通信 S09-2专业 通信技术所 在 系 电子技术系指导教师赵俊英完成日期2011年 12 月 31 日天津电子信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书课题名称： 交通灯控制电路的设计与制作完成期限：2011 年10 月31 日至2012年1 月8 日姓 名白玉指导教师赵俊英专 业通信技术职称讲师所在系电子技术系系主 任刘松接受任务日期批准日期一、原始依据（资料）：1. 数字电子技术，杨志忠，高等教育出版社， 20102. 实例讲解 Multisim 10 电路仿真，程勇， 2010二、设计（论文）内容和

2、要求：设计内容：1设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25 秒；2要求黄灯先亮5 秒，才能变换运行车道；3黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。设计要求：1. 用晶振或 555 电路产生电路工作脉冲；2. 用基本的计数器芯片实现分频，计时功能；3. 配合数字电路逻辑芯片，实现交通灯的状态控制；4. 给出电路的 multisim 仿真结果；5. 设计硬件电路，并实现。三、建议查阅的技术资料：1. 通用电子元器件的选用与检测 王昊等，电子工业出版社2. 常用电子元器件及典型芯片应用技术 刘法治等，机械工业出版社天津电子信息职业技术学院页号（

3、1）毕业设计（论文）进度计划表序起止日期计划完成内容检查日期号实际完成内容检查人签字1201110.31确定课题，布置任务对课题进行初步了解-2011.11.722011.11.8收集资料，了解交通信号搜索到资料及一些相2011.11.15灯的原理及设计。关书籍32011.11.16进行 multisim 代码设计及设计了 multisim 代码并仿2011.11.26波形仿真真出了波形42011.11.27-进行硬件电路搭接完成调试，达到预期效果2011.12.1352011.12.14按照论文正式格式完成论按照论文格式，将起草的2011.12.20文初稿论文转化成论文初稿经过老师的指导，再

4、次查62011.12.21指导检查论文撰写情况并阅资料及相关信息，找出2011.12.27检查、修改论文终稿了自己的不足，并进行修改72011.12.28论文完成，准备答辩论文完成，按照要求打印2012.1.8并装订成册系毕业设计（论文）领导小组审阅意见：系主任签字：年月日天津电子信息职业技术学院页号（ 2）注： 1. 本任务书由指导教师填写。2. 签字部分用笔填写 , 其余各项均要求打印。（宋体、小 4 号字）毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）题目交通灯控制电路的设计与制作学生姓名白玉系别电子系专业、班级通信 S09-2 班指导教师赵俊英职称讲师工作单位天津电子信息职业技术学院指导教师

5、职称工作单位实践地点天津电子信息职业技术学院交表日期毕业设计 ( 论文 ) 开题报告内容要求：课题的意义、现状及发展趋势。课题的研究内容、研究方法、研究手段、研究步骤。课题所需的参考书目等。注：开题报告占毕业设计( 论文 ) 总成绩的 10% 。 课题的意义、现状及发展趋势随着我国经济的发展，公路上各种各样的车辆越来越多，给目前的交通网络控制带来了严峻的考验。作为交通控制主要枢纽工具的交通灯，在这场考验中扮演了一个重要的角色。通过国家一二级城市交通调查表明，目前的交通灯控制系统基本不能很好的控制城市交通拥挤的问题。其主要原因是目前的家同等大多数都是使用单片机作为控制系统，而单片机只能使用定时算

6、法来控制城市交通。在城市建设发展初期，这种控制系统基本上能够满足交通要求，但是在我国城市建设发展后期，伴随着交通车辆的增加，这种系统不但不能够解决交通拥挤的问题，在某些场合还会使交通疏导工作变的越发严峻。科学技术的发展，提高了人们的生活水平，生活离不开智能化处理。数字图像处理技术、电子信息技术、机械电子技术的发展为交通灯控制系统的智能化建设提供了有力的技术支持。通过对这几种技术的有机结合，可以使交通灯通过对当前的路况信息进行实时监控，然后将数据信息传输到数据控制中心，通过数字控制中心的智能化分析，根据实际情况来控制十字路口的交通状况，避免出现南北交通堵塞拥挤现象严重，而东西车辆稀少的交通状况。

7、 课题的研究内容、研究方法、研究手段、研究步骤。通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计，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自动化。本设计要求设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间天津电子信息职业技术学院页号（1）都设为 25 秒，要求黄灯先亮 5 秒，才能变换运行车道。分别用红、黄、绿三色发光二极管表示信号灯，并用数码管显示倒计时。因此，本设计需要一个脉冲产生模块、信号灯模块、倒计时模块、数码显示模块和主控模块。脉冲产生电路用以驱动倒计时电路

8、，置数电路将交通灯亮时间预置到计数电路和寄存器中，信号灯模块对信号灯的各种状态进行循环控制，倒计时模块以基准时间秒为单位做倒计时，数码显示模块显示倒计时的时间，主控模块对电路种的各个模块进行级联控制。交通信号灯控制电路，交通灯采用发光二极管，显示时间则采用自带译码器的数码管显示。系统需要每秒减数，所以可以采用555 定时器产生秒脉冲，经由一个脉冲驱动电路后产生信号灯需要的二种脉冲，即 25s,5s，传递给控制器，由控制器发出状态。译码器接受状态后译码，输出控制信号灯和数码管显示的状态。指导教师审核意见：系毕业设计（论文）领导小组审阅意见：签字：系主任签字：年月日年月日天津电子信息职业技术学院页

9、号（2）注：本报告由学生本人填写（打印、宋体、小4 号字）。毕业设计（论文）系别电子技术系专业班级通信 S09-2班姓名白玉班级学号16毕业设计（论文）题目：交通灯控制电路的设计与制作毕业设计（论文）评语：指导教师签字：年月日毕业设计（论文）总评成绩：系主任签字：年月日交通灯控制电路的设计与制作摘要“电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性环节，进行自主选题和设计。本设计课题为交通灯控制电路的设计与制作，通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计, 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。本

10、设计分为两个部分：第一部分是由定时器、时钟脉冲驱动和控制器组成的秒脉冲信号发生装置；第二部分是由译码器、发光二极管和数码管组成的交通信号灯以及时间显示装置。各部分采用分模块设计，正文中详细介绍了各模块的功能和原理。为完成本次设计，参阅了大量资料，包括所用到芯片的详细中英文资料。搜集和查阅资料时一个漫长但最重要的过程，获取个模块电路原理，然后经过讨论比较，结合课题要求，确定出一套最适合的方案。小组人员花费几天时间，通过图书馆和上网查阅资料，分别查阅到相应资料。经过商讨，结合现有资料，制定基本框架，并基本定出电路图。在 MULTISIM 软件里进行电路仿真，来验证电路的正确性。在进行电路仿真过程中

11、碰到了很多问题，往往一开始电路仿真不出结果，这就需要找出问题所在，一般是先看电路原理图是否正确，是否画正确了，如果不是这块问题的话，就需要改变元件参数试一试。在这个过程中，还会碰到元件库里找不到自己要用的元件的情况，这个时侯可以找替代元件，通过这种方法来验证实验原理和电路的正确性。过程中，充分发挥主观能动性，将平时所学的理论知识和实际相结合，往往理论可行的东西，实际并不一定能出结果，这就需要解决问题，通过问老师或者查阅资料和分析问题来进行解决。经过以上各步工作，最后经过整合得到完整系统，在设计过程中得到了各方面的支持和帮助，在此55574LS19074LS48目录第一章方案论证 .1.1 脉冲

12、发生器设计论证 .1.2定时器电路设计论证.1.3控制电路设计论证.1.4信号灯的设计论证.91.5时间显示电路的设计论证.第二章电路设计.112.1脉冲电路设计.112.1.1NE555 的引脚图及功能11秒脉冲发生器电路的元件参数计算.2.2 定时器电路设计 .定时器电路所用芯片的引脚图及功能.12定时器电路的工作原理132.3 控制电路的设计.14控制器所用芯片的引脚图及功能.14控制电路的工作原理.152.4信号灯的设计182.5时间显示电路的设计.18时间显示电路所用芯片的引脚图及功能18时间显示电路的工作原理.19第三章电路分析与调试.20总 结致谢21参考文献21附录 A电路原理

13、图.第一章方案论证1图 1-1 交通灯信号控制器电路原理方框图灯控电路灯显示电路1.1555555 1-2脉冲发生器减法计数器状态显示电路译码显示驱动时间显示电路图 1-2由 555 定时器组成的多谐振荡器1.2所谓倒计时计数是指进行减计数。这里我们采用功能强大的74LS192芯片。它是一块可预置数可逆计数芯片。它的时序波形图如图1-3 所示：C LRLOADABCDU PDOW NQAQBQCQDC O B O图 1-3 74LS192的时序波形图LOAD 为置数控制端；A、 B、C、D 为数据输入口；UP 为加计数脉冲输入；DOWN 为减计数脉冲输入；QA、 QB、QC 、QD 为数据输出

14、；CO 为加计数进位输出（低电平有效）；BO 为减计数进位输出（低电平有效）；题中要求倒计时 25 秒，可以是 0-24 秒倒计时也可以是 1-25 秒倒计时。习惯上 1-25 秒更符合人的特点。而且我们要进行 25 秒、 25 秒、 5 秒的不同时刻交通灯的控制，经过多次设计和仿真发现采用1-25 秒更为方便。1.3 控制电路设计论证控制器是交通灯控制电路的核心。控制器主要是通过定时器对定时器循环的控制和对交通灯的控制。我们可以通过定时器的输出用一些由门组成的控制器进行控制。1.4 信号灯的设计论证题中已要求采用发光二极管作信号灯，并且使用红、绿、黄三种颜色。为了更逼真我们将在各条通道上使用

15、两组相同灯作为各个方向的交通信号灯，而且从各个方向看去灯的从左到右的顺序为绿、黄、红排列。如图 1-4 所示图 1-4信号灯布局1.5 时间显示电路的设计论证这里的译码是把定时器输出的BCD 码译成数码管显示的符号代码。它不仅要能译码还要有一定的驱动能力。由此我们选用了驱动能力强的 74LS48。其功能引脚图如图 1-5 所示：图 1-5 74LS48 引脚图74LS48 功能如表 1-1表 1-1十进制输入输 出或功能A3 A2 A1 A0a b c d e f g01100001111111011×00011011000021×001011101101310011111

16、1100141×01001011001151×01011101101161×01101101111171011111110000×81100011111111×91100111111011×101101010001101111×101110011001121×110010100011131×110111001011141×111010001111151×111110000000灭灯×××××0（入）0000000×灭零1000

17、000000000×灯测试0××××11111111×0×数码显示器的选择译码驱动电路的输出是高电平有效，所以要选用共阴数码管。第二章电路设计2.1 脉冲电路设计的引脚图及功能利用 555 定时器为主组成多谐振荡器，输出4Hz 的矩型方波，实现脉冲电路功能。555 定时器的原理图如图2-1 所示，功能表如表2-1 所示：图 2-1 555 定时器原理图表 2-1 555 定时器功能表输入输出阀值输入 (vI 1触发输入Rvo放电管 T)( vI 2 )复位 (D)输出( )00导通2VccVcc11截止332VccVcc10

18、导通332VccVcc1不变不变33秒脉冲发生器电路的元件参数计算图中 NE555 外引线排列如图2-2（ a）所示，其中1 脚是电路地 GND； 8 脚是正电源端 Vcc，工作电压范围为 518V；2 脚是低触发端 TR/；3 脚是输出端 OUT ；4 脚是主复位端 Rd/；5 脚是控制电压端 CO；6 脚是高触发端 TH ；7 脚放电端 DIS。系统所需要的秒脉冲由定时器 NE555 所构成的多谐振荡器提供，多谐振荡器如图 2-2（ b）所示。图 2-2 （ a）图 2-2 （ b）根据功能表和电路图计算如下：由 公 式 T=0.7(R1+2R2)C 计 算 。 根 据 电 容 的 常 用

19、 标 称 值 ， 当 C=47F 时 R1+2R2=30.395k 。可取 R1=10K,R2=10K。用电脑仿真发现周期为0.99 秒，基本符合要求。2.2 定时器电路设计定时器电路所用芯片的引脚图及功能74LS192 是上升沿触发，引脚图如图2-3 所示，图 2-3 74LS192引脚图CPU 为加计数时钟输入端；CPD 为减计数时钟输入端；LD/ 为异步预置端，低电平有效；CR 为异步清零端，高电平有效；CO/为进位输出端，当1001 后输出低电平；BO/为借位输出端，当0000 后输出低电平；D3D2D1D0 为数据预置端；Q3Q2Q1Q0 为数据输出端。倒计时器初始状态为 00100

20、101，当输入一个脉冲，计时器就会减一。低位的状态是 0000 时，再来一个脉冲， BO 端就会由 1 0，这时高位的 CPD 端由 01。高位因得到一个上升沿，从而触发，进行减 1 运算。低位的状态变为 1001。当高低位的状态都为 0000时，它们的 LD 端就会接低电平，从而进行异步置数。计时器状态变为 00100101。秒脉冲再来就会重复以上操作。功能表如表 2-2 所示：表 2-2 74LS192 功能表输入输出CRLD/CPUCPDD3D2D1D0Q3Q2Q1Q01xxxxxxx000000xxdcbadcba011xxxx加计数器011xxxx减计数器定时器电路的工作原理由于要显

21、示 2 位数，所以需要 2 片 74LS192 级联组成。当减到 00 时让芯片置数成25，这样第 00 秒将显示 25 而不会显示 00。第 0 秒时定时器输出将是 0000 和 0000。我们注意到十位显示只显示 0、1、2，也就是只使用低位的两根线就行了，高位两根将一直输出 00。这样我们只要对六根输出线进行同时或在控制定时计数芯片置数。又与定时计数芯片跳到 00000000 时就进行了置数，所以输出在极短的时间内又跳到置数 25。从 74LS192 的时序逻辑图中可以看出，它是在计数脉冲的上升沿时进行的相应动作，所以当它置数后要等到下一秒钟的上升沿到来时再进行一次减计数。由于没有找到六

22、输入的或门，我们发现可以使用两个3 输入或非门和一个与非门，即A+B+C+D+E+F= （A+B+C ） ·（ E+D+F ）通过查阅 74 系列的资料后，我们找到了 74LS27 四个 3 输入或非门和 74LS00 四 2 输入与非门。由此我们设计电路图如图 2-4 所示：12U 7 A1 21 374 LS271 23U 5 D1 14U 7 B61 3574LS0 074 LS272332672332671111O OABCDU 3O OABCDU 4C BQQQQ74LS1 92CBQQQQ74 LS1 92RNRNLPWDLPWDCUDABCDCUDABCDLL45415

23、1094541510911111111v ccv ccC P图 2-4定时器电路图2.3 控制电路的设计控制器所用芯片的引脚图及功能74LS107 引脚图如图 2-5 所示，功能表如表2-3 所示。图 2-5 74LS107引脚图CLK1 、CLK2 为时钟输入端J1、 K1、 J2、K2 为数据输入端Q1、Q2、/Q1、/Q2 为输出端CLR1、 CLR2 直接复位端（低电平有校）表 2-3 74LS107功能表输入输出CLRCLKJKQQ/LXXXLHHLLQ0Q0/HHLHLHLHLHHHHQ0/Q0HHXXQ0Q0/控制电路的工作原理控制电路的特点：控制电路分为两部分：译码电路和译码以

24、后实现红绿灯交替工作的电路。要想详细了解电路的特点，首先应了解交通灯的实际工作过程。当启动交通灯系统开关后，交通灯开始工作：某方向（假设为东、西方向）红灯亮，南、北方向绿灯亮，LED 数码管从 25s 开始减数记数；25s 后，东、西方向的红灯、南、北方向的黄灯有频率地闪亮，LED 数码管从 5s 开始减数记数；5s 后，东、西方向绿灯亮、南、北方向红灯亮，南、北方向的黄灯灭，LED 数码管返回到 25s 开始减数记数；25s 后，南、北方向的红灯继续亮，东、西方向的黄灯有频率地闪亮，LED 数码管从 5s开始减数记数；5s 后，东、西方向红灯亮、南、北方向绿灯亮，东、西方向的黄灯灭，LED

25、数码管返回到 25s 开始减数记数；依此循环往复。南北向绿灯亮，东西向红灯亮25南北向黄灯亮，东西向红灯亮5南北向红灯亮，东西向绿灯亮25南北向红灯亮，东西向黄灯亮5图2-6状态转换图控制电路基本原理：我们假定高电平表示该灯亮，低电平表示该灯灭，用 L 表示绿灯， Y 表示黄灯， H 表示红灯， 1 表示 1 条车道， 2 表示另一条车道。根据设计要求，我们画出信号灯的时序逻辑图如图 2-7 所示：时 间25 20 1510052520 151005252015 10052520（S）L1Y1H1L2Y2H2图 2-7各车道信号灯时序逻辑图经过仔细观察和研究：各灯亮灭的周期为50 秒，红灯 2

26、5 秒变化一次，也就是一个计数周期。电路要记住循环次数而且以两次为一个周期，这使我们想到了触发器。当定时计数器置数端由 1 到 0 时，定时器开始置数，同时也出现了一个下降沿。我们可以用这个下降沿作为触发器的脉冲信号。触发器的两个输出端正好可以控制两个红灯的亮灭。触发器我们选用 74LS107。考虑到 TTL 逻辑器件的高电平驱动能力不强，对红灯我们采用如图2-8 所示电路 ：图 2-8红灯控制电路对于绿灯和黄灯的控制，我们从25 秒中选出05 秒到01 秒让黄灯亮，其余时间有绿灯亮。表 2-4定时器输出真值表数字QB1 QA1QD0 QC0QB0 QA02510010124100100231

27、0001122100010211000012010000019011001180110001701011116010110150101011401010013010011120100101101000110010000090010010800100007000111060001100500010104000100030000110200001001000001由表 2-4 可以看出只要 QB1、 QA1 、QD0 为 0 且 QC0、 QB0 不能全为 1.。对 QB1、 QA1 、QD0 为 0 这一条件可以用 3 输入或非门实现，对于 QC0、 QB0 不能全为 1 可以用一与非门实现。如

28、图 2-9 所示：74LS001QB 034U 5A26QC 0U 5B5QB 1374LS004U 7B6QA 15QD 074LS27图 2-95 秒控制电路当计数到 5 秒时， U5B 将输出 5 秒的低电平。这样我们就可以通过这个电路和触发器电路配合控制绿灯和黄灯的交替亮灭。为了提高驱动能力，我们尽量使控制电路低电平有效，所以再使用74LS27 上一多余的或非门组成一非门电路对U5B 的输出取反来驱动绿灯亮。为了提高黄灯的警示作用，让其闪烁，再用 74LS00 上一个多余的与非门对脉冲和U7C 的输出进行与得到5 秒的闪烁低电平信号。如图 2-10 所示：接绿灯公共端接绿灯公共端910

29、U7C89接黄灯公共端U5B11U5C8接黄灯公共端CP 1074LS2774LS0图 2-10绿灯和黄灯接口电路2.4 信号灯的设计每条信号上都要安排两个灯，这两个灯可以是并联也可以是串联，为了减小限流电阻上的损耗功率，同时也考虑到是逻辑芯片高电平输出有 4V 左右，而发光二极管的驱动电平为 1V 到 2V ，我们采用了并联方式。如图 2-11 所示：图 2-11信号灯模型2.5 时间显示电路的设计时间显示电路所用芯片的引脚图及功能74LS48 的外引线排列如图2-12 所示，功能表如表2-5。A3A2A1A0 组成 8421BCA 码为输入端， YaYg 为输出端。、为使能控制端，都是低有

30、效。为灯测试输入端，为灭零输入端，为灭灯输入 /灭零输出端。图表2-12 74LS482-5 74LS48引脚图功能表十进制输入输出或功能A3 A2 A1 A0a b c d e f g01111×21×31×41×51×61×7181×91×101×111×121×131×141×151×灭灯××灭零1灯测试0×0×时间显示电路的工作原理000011111110000110110000001011101101001

31、111111001010010110011010111011011011011011111011111110000100011111111100111111011101010001101101110011001110010100011110111001011111010001111111110000000××××0（入）0000000000000000000××××11111 111时间显示器由两片七段显示译码器74LS48 和两片半导体数码管构成。其组成如图2-13 所示，译码显示电路较简单，直接将定时器输出的

32、BCD 码接入 74LS48 的输入端输出端直接接对应的数码管引脚。因 74LS48 的控制端是低电平有效要将控制端全部接高电平才能正常显示。图 2-13时间显示电路图第三章电路分析与调试1.通过前面的设计后，我们画出了整个电路的原理图，再在仿真软件里进行了仿真，仿真都达到了理想的效果。2.在做好电路板后开始通电实验后，开始几秒钟数码管显示一些乱符号，但过了几秒后进入了正常的显示，一个周期结束后返回到置数的 25 秒开始倒计时。之后一直如此循环。说明电路已经正常工作了。至于开始为什么不能正常显示，我们分析，由于通电瞬间芯片电源后各门的信号输入是同时给给的，输入和输出可能不相配，导致出现一些乱符

33、号。随着脉冲的推移，各门电路开始进入正常的输入和输出。3.显示正常后我们发现绿灯和黄灯的亮度不够，查看分析后找到了原因，触发器的输出高电平不够。我们在触发器的输出端分别接一个 1K 的上拉电阻，绿灯和黄灯发光正常了。总 结通过这次对交通信号灯控制电路的设计与制作，让我对课程设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识 ,使我更加清楚了课本知识的重要性。在此次交通信号灯控制电路的设计过程中 ,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体使用方法。在操作与仿真的时候有很多的问题，平时的学习与操作都不是很踏实。在连接进制的进位接法中 ,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能，那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了，