交通灯控制电路设计数字系统综合设计说明

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学数字系统综合设计数字系统综合设计（论文）（论文）题目：交通灯控制电路设计题目：交通灯控制电路设计 院（系）：院（系）：电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专业班级：专业班级： 电子电子 102102 班班 学学 号：号： 100404056100404056 学生：学生： 宏宏 指导教师：指导教师：教师职称：教师职称：起止时间：起止时间：1 / 22课程设计（论文）任务与评语课程设计（论文）任务与评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息工程学 号100404056学生宏专业班级电子 102 班课程设计（论 文）题 目交通灯控制电路设计课程设计（论文

2、）任务设计交通灯控制电路，十字路口，控制红、黄、绿灯，并用MAX+PLUS验证设计的正确性。设计要求：1熟练掌握组合逻辑电路的设计思路和方法；2熟练掌握 MAX+PLUS原理图输入方法；3熟练掌握 MAX+PLUS仿真方法并对设计进行仿真验证，直至得出正确的设计方案；4熟练掌握 MAX+PLUS编程下载方法并利用 EDA 实验箱验证设计的正确性；5 熟练掌握状态转换控制电路的设计方法。报告要求：1能够对原理与设计方案进行适当的说明；2按照给定的模板要求完成设计报告。指导教师评语与成绩平时成绩（20%）： 论文成绩（50%）：答辩成绩（30%）： 总成绩 ：指导教师签字： 学生签字： 年 月 日

3、2 / 22摘 要交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车辆的流量，提高交叉路口车辆的通行能力，减少交通事故。在城镇街道十字路口，为了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，绿交通灯信号，其中红灯亮表示该道路禁止通行；黄灯亮表示该道路未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红黄绿交通灯的状态转换，指挥车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。本交通灯设计主要由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路组成。秒脉冲发生器由 NE555 产生脉冲，定时器由 74LS160 实现，控制器由 74LS153 和

4、74LS74 组成，译码电路采用 74LS48 和七段数码管来显示。控制器通过 ST 信号对定时器进行控制，从而显示红黄绿灯的转换。关键词：交通灯； 控制器 ； 秒脉冲发生器； 定时器 ； 译码器3 / 22目录第 1 章 绪论 41.1 交通灯控制电路的概述 41.2 本文研究容 4第 2 章 交通灯控制电路的硬件设计 52.1 总体方案论证 52.2 交通灯控制电路的控制核心模块设计 72.2.1 秒脉冲发生器的设计 72.2.2 定时器的设计 82.2.3 控制器的设计 92.2.4 译码器电路的设计 112.2.5 显示部分电路设计 13第 3 章 系统设计与分析 143.1 系统原理

5、图 143.2 系统原理分析 153.3 系统的部分仿真 15第 4 章设计总结 17参考文献 18附录：元器件清单 194 / 22第 1 章 绪论1.1 交通灯控制电路的概述随着社会经济的发展，城市交通问题越来越来引起人们的关注。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。交通灯通常指红黄绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。绿灯亮时准许车辆通行；黄灯亮时已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时禁止车辆通行，交通灯的出现是人类文明的一大进步，使得许多人为交通事故减少，城市交通问题因此得到解决。结合设计概括发展技1.2 本文研究容由一条主干道和一条支干道的汇合点形成交

6、叉十字路口，为确保车辆安全，迅速的通行，在交叉路口的每个入口处设置了红,绿,黄色灯。红灯禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则行驶中的车辆有时间停靠在禁止线外。在主干道和支干道均设有车辆检测传感器，用以检测道路是富有车辆。当某一道路有车而另一个道路无车时，则该车道处于常允许通行状态。当主，支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行 45s，支干道每次放行 25s，设计 45s 和 25s 计时显示电路。当主干道允许通行时亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道允许通行绿灯亮时，主干道红灯亮。在每次由亮绿灯变成亮红灯时的转换中间，要亮 5s 的黄灯作为过度，以使行驶中的车辆有时间停在禁止线外，设置5s

7、 计时显示电路。设计交通灯控制电路，十字路口，控制红、黄、绿灯，并用MAX+PLUS验证设计的正确性5 / 22第 2 章交通灯控制电路的硬件设计2. 1 总体方案论证 用数电电子技术来实现交通灯控制交通灯控制系统的原理框图如图 2-1 所示。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。图中： TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为 25 秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。

8、 TY：表示黄灯亮的时间间隔为 5 秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。 ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。 图 2-1 系统的原理框图交通灯控制器的 ASM 如图 2-3 所示（1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔 TL 时，控制器发出状态信号 ST，转到下一工作状态。 （2）乙车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲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，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔定 时 器秒脉冲发生器控 制 器译 码 器甲车道信号 灯乙 车

9、 道信号 灯6 / 22TY 时，控制器发出状态转换信号 ST，转到下一工作状态。 （3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔 TL 时，控制器发出状态转换信号 ST，转到下一工作状态。 （4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已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 TY 时，控制器发出状态转换信号 ST，系统又转换到第（1）种工作状态。 交通灯以上 4 种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为 00、01、11、10，并分别用

10、S0、S1、S3、S2 表示，则控制器的工作状态与功能如表 1、2 所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下表 2-2 规定：控制状态信号灯状态车道运行状态S0（00）甲绿、乙红甲车道通行，乙车道禁止通行S1（01）甲黄、乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行S3（11）甲红、乙绿甲车道禁止通行，乙车道通行S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，乙车道缓行AG=1甲车道绿灯亮甲车道通行BG=1乙车道绿灯亮乙车道通行AY=1甲车道黄灯亮甲车道缓行BY=1乙车道黄灯亮乙车道缓行AR=1甲车道红灯亮甲车道禁止通行BR=1乙车道红灯亮乙车道禁止通

11、行表 2-2 状态转化表由此得到交通灯的 ASM 图，如 图 2-3 所示。设控制器的初始状态为 S0（用状态框表示 S0） ，当 S0 的持续时间小于 25 秒时，TL=0（用判断框表示 TL） ，控制器保持 S0 不变。只有当 S0 的持续时间等于 25 秒时，TL=1，控制器发出状态7 / 22转换信号 ST（用条件输出框表示 ST） ，并转换到下一个工作状态。图 2-3 交通灯的 ASM 图2.2 交通灯控制电路的控制核心模块设计2.2.1 秒脉冲发生器的设计秒脉冲发生器由 NE555 电路与外围电路组成，其中 R9=15K、R8=68K,C3=10uF的电阻电容值决定了脉冲宽度。既

12、T=(R8+2R9)C2ln2 当 T=1S，即可凑出R8、R9、C3 其中 C3=0.01uF 是为了保持输出的波形的稳定。如图 2-4 所示， R9=68K、C3=10uF 组成一个串联 RC 充放电电路，在 NE555的 7 脚上输出一个方波信号，C3 上得到一个三角波。此三角波送到 NE555 的 2 脚输入端。由 NE555 部的比较器和门电路共同作用，维持 7 脚上的方波信号和 3 脚上的输出方波。S0 00AG BRTLST01S1 01AY BRTYSTSTS4 11AR BYS3 10AR BGTYTLST0101108 / 22图 2-3 秒脉冲发生器原理图2.2.2 定时

13、器的设计定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号 ST 作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增 1 计数，向控制器提供模 5 的定时信号 TY 和模 25 的定时信号TL。计数器选用集成电路 74LS160 进行设计较简便。74LS160 是 10 进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。74LS160 功能表如表 2-4 所示。CLK RD LDEP ET工作状态XXX01111X0111X X X X 0 1 X 0 1 1置零预置数保持保持（C=0）计数9 / 22表 2-4 74LS160 功能表表中 R

14、D是低电平有效的同步清零输入端，LD是低电平有效才同步并行置数控制端，EP、ET 是计 图 2-3 交通灯的 ASM 图数控制端，CO 是进位输出端，D0D3 是并行数据输入端，Q0Q 3 是数据输出端。设计如图 2-5图 2-5 交通灯定时器其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲 CLK 分别送给两个 74LS160 的清零端 9 处。如图所示：输入端 3.4.5.6 分别接地.。U1 的 7 和 10 由 U2 的11、14 经过与门相与后相连。.即：只有当时 11、14 处产生一个高电平脉冲时才能触发 U1 中的 14 产生脉冲。当 U13C74LS04 的 ST 信号分别送给 U1

15、和 U2 的LOAD。就可以得到 TY 和 TY 非是秒脉冲的 5 倍；TL 和 TL 非的结果是秒脉冲的 25倍。2.2.3 控制器的设计控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状10 / 22态的转换。列出控制器的状态转换表，如表 2-6 所示。选用两个 D 触发器 74LS74做为时序寄存器产生 4 种状态，控制器状态转换的条件为 TL 和 TY，当控制器处于 Q1n+1Q0n+1 00 状态时，如果 TL 0，则控制器保持在 00 状态；如果，则控制器转换到 Q1n+1Q0n+1 01 状态。这两种情况与条件 TY 无关，所以用无关项X表示。其余情况依次类推，就

16、可以列出了状态转换信号 ST。 表 2-6 控制器状态转换表根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将 Q1n+1、Q0n+1和 ST 为 1 的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中1用原变量表示，0用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：根据以上方程，选用数据选择器 74LS153 来实现每个 D 触发器的输入函数，将触发器的现态值加到 74LS153 的数据选择输入端作为控制信号即可实现控制器的功能。控制器原理图如图 2-7 所示。图中 R、C 构成上电复位电路。由两个双多路11 / 22转换器 74LS153 和一个双 D 触发器 74LS74 组成控制器。触

17、发器记录 4 种状态，多路转换器与触发器配合实现 4 种状态的相互交换。图 2-7 交通灯控制器其原理为： CLK 分别送给 U6A 和 U6B 的 3 和 11 的清零端。将 TY 接入 U4 的5 和 U5 的 4 和 5；TY 非接入 U4 的 4。如上图所示：74LS74 两个 D 触发器作为时序寄存器产生 4 种状态。选用数据选择器 74LS153 来实现每个 D 触发器的输入函数，将触发器的的现态值加到 74LS153 的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。2.2.4 译码器电路的设计译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0 的 4 种工作状态，翻译成甲、乙车道上

18、6 个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表 2-8 所示。表中 A、B 代表甲、乙车道。12 / 22表 2-8 控制器状态编码与信号灯关系表表 2-8 控制器状态编码与信号灯关系表由秒脉冲发生器产生了周期性变化的 CLK 脉冲，一部分送给了定时器的74LS160 芯片，另一部分送给了控制器的 74LS74 芯片。在脉冲 ST 同时加到定时器 74LS160 芯片的情况下，通过芯片 74LS10 将会输出 TY、TY 非；TL、TL 非。即TY 和 TY 非放大的结果是秒脉冲的 5 倍；TL 和 TL 非放大的结果是秒脉冲的 25 倍。前者输出的信号是后者的 1/5

19、。将定时器输出的 TY。TY 非；TL。TL 非分别作用于控制器的芯片 74LS153 中，在 CLK 脉冲置于芯片 74LS74 中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片 74LS08 组成的译码器后再通过电路中的指Q1Q0AG绿灯AY黄灯AR红灯BG绿灯BY黄灯 BR红灯0 01000010 10100011 00011001 100101013 / 22示灯和 200 欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。电路图设计如图 2-9图 2-9 译码器部分原理图2.2.5 显示部分电路设计显示部分由 74LS48 和共阴极七段数码管组成，74L

20、S48 作为译码器，对74LS160 的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出 74LS160 的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计如图 2-10接由 74LS48 控制的七段译码显示器14 / 22 图 1-9 由 74LS48 和数码管组成的电路第 3 章系统设计与分析3.1 系统原理图15 / 22图3-1 系统总原理图3.2 系统原理分析各单元设计完成后，首先组装调试秒脉冲电路。由 555 定时器构成的多谐振荡器产生一个矩形波脉冲，为控制器与计数器提供脉冲，计数器开始计数。其次进行定时电路的组装和调试。当秒脉冲发生器输人 1Hz 的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到

21、 25 时，能输电有效的定时时间到信号。再次调试交通灯控制器以与显示部分。 判断各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。最终调试如下：接上电源,便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为 25 秒，甲车道方向绿灯亮，行人车辆都可自由通行；乙车道方向车道的红灯亮，车辆禁止通行。时间显示器从预置的 0 秒，以每秒增 1，增到 25 到 0 时，甲道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。从增至 5 秒又到 0 后时甲车道的黄灯转换为红灯；乙车道的红灯转换为绿灯。如此循环下去。3.3 系统的部分仿真16 / 2217 / 2218 / 2219 / 22第 4 章 设计总结本课程设计为交通灯控制电路的设计，用到的主要是数字电子技术基础的相关知识，综合性强，广泛应用到生活中的各种领域。根据所学的知识设计出满足特定要求的电路，经过各方案设计比较，