交通信号灯课程设计报告

目录TOC\o"1-3"1.前言 32总体方案设计 42.1方案论证与比较 42.2方案的选择 63单元模块设计 73.1各单元模块功能介绍及电路设计 73.1.1秒脉冲发生器 73.1.2定时器 73.1.3控制器 93.1.4译码电路 113.1.5显示电路 113.1.6总原理图 123.2特殊器件的介绍 133.2.174LS160 133.2.274LS153 143.2.374LS74 153.2.4CD4511 163.2.5NE555 174系统调试 195系统功能、原件 205.1系统能实现的功能 205.2主要元件 206结论 217总结与体会 228致谢 239参考文献 24附录： 251.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，可以提高其时间上的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：1.两干道路灯亮的时间同为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。实验设计由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路组成。其中秒脉冲发生器由NE555产生脉冲，定时器由74LS160实现，控制器由74LS153和74LS74组成，译码电路采用CD4511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。设计过程中参考了一些相关文献，包括电子技术基础，电子技术课程设计实用教程，及西华大学图书馆内相关藏书。本实验用portues7.8软件仿真实现。由于所学知识有限，设计中难免出现错误，请老师批评指正。2总体方案设计2.1方案论证与比较 方案一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。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1-3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TY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S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表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2.1规定：表2.1系统状态表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BY=1乙车道红灯亮乙车道禁止通行由此得到交通灯的ASM图，如图1-3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1-3交通灯的ASM图方案二用单片机技术来实现交通灯控制用单片机技术来来实现交通灯控制非常容易实现，过程简单，用到的器件较少，并且控制信号稳定。但是单片机编程叫复杂，要求有一定单片机编程基础。2.2方案的选择 方案一与方案二比较之后，由于本人单片机基础薄弱，编程不易实现，而方案一相交而言容易实现，且能很好的运用所学数电知识，因此选择方案一。 3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1秒脉冲发生器秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R8=28K、R9=57K,C2=1nF的电阻电容值决定了脉冲宽度。既T=(R8+2R9)C2ln2当T=1S，即可凑出R8、R9、C3其中C3=9uF是为了保持输出的波形的稳定。R9=57K、C3=9uF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内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。图3.1.1秒脉冲发生器3.1.2定时器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3.1.2所示。表中RD’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1-3交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。设计如图3.1..2表3.1.274LS160功能表CLKRD’LD’EPET工作状态X↑XX↑01111X0111XXXX01X011置零预置数保持保持（C=0）计数 图3.1.2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。3.1.3控制器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，就可以列出了状态转换信号ST。表3.1.3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。R、C构成上电复位电路。由两个双多路转换器74LS153和一个双D触发器74LS74组成控制器。触发器记录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3.1.3控制器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。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。3.1.4译码电路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3.1.4 图3.1.4译码电路显示部分由CD4511和共阴极七段数码管组成，CD4511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3.1.5图3.1.5显示电路3.1.6总原理图电路总原理图如下图： 图3.1.6总原理图3.2特殊器件的介绍3.2.174LS16074LS160为可预置的十进制同步计数器，共有54/74160和54/74LS160两种线路结构型式。160的清除端是异步的。当清除端/MR为低电平时，不管时钟端C盘状态如何，即可完成清除功能。160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0-Q3与数据输入端P0-P3一致。对于54/74１６０，当ＣＰ由低至高跳变前，如果计数控制端ＣＥＰ，ＣＥＴ为高电平，则／ＰＥ应避免由低至高电平的跳变，而５４ＬＳ１６０无此中限制。引出端符号：

TC进位输出端

CEP计数控制端Q0－Q3输出端CEＴ计数控制端CP时钟输入端（上升沿有效）/MR异步清除输入端（低电平有效）/PE同步并行置入控制端（低电平有效）3.2.274LS153 ７４ＬＳ１５３是双４选１数据选择器／多路选择器。７４１５３里面有两个地址码共用的４选１数据选择器。通过输入不同的地址码Ａ１，Ａ０，可以控制输出Ｙ选４个输入数据Ｄ０－Ｄ３中的一个。图3.2.274153结构图表3.2.274153功能表3.2.374LS74引脚含义如下： 1CP、2CP时钟输出端 1D、2D数据输入端 1Q、2Q、1、2输出端 CLR1、CLR2直接复位端（低电平有效） PR1、PR2直接置位端（低电平有效） 图3.2.374LS74逻辑图3.2.4CD4511 “8”，各段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a-g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。图3.2.4CD4511引脚图其功能如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4为8421BCD码输入端。 A、b、c、d、e、f、g：译码输出端，输出为高电平1有效。3.2.5NE555图3.2.5NE555引脚图NE555功能介绍：1脚为地。2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。5脚是控制端。7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致。4系统调试（1）组装调试秒脉冲电路，如图4.1。图4.1秒脉冲（2）进行定时电路的组装和调试。当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到25时，能输电有效的定时时间到信号，。（3）调试交通灯控制器以及显示部分，输入信号后，数码管能正确显示数字，且能按照设置递增，从0至25，如图4.2，图4.3。图4.2数码管仿真图图4.3数码管仿真图（4）当输入脉冲后，观察信号灯是否按照要求亮，如图4.4，图4.5，图4.6，图4.7。图4.4信号灯仿真1图4.5信号灯仿真2图4.6信号灯仿真3图4.7信号灯仿真4（5）判断各部分电路之间的时序配合关系，检查电平的变化，是否符合电路的要求。最终调试结果如下：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，从0增到25时，甲道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。从0增到25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。5系统功能、原件5.1系统能实现的功能 系统供上电之后，秒脉冲发生器发出脉冲，各部分开始工作，数码管上开始计时，从0到25，并且同时甲车道的绿灯亮，乙车道的红灯亮，甲车道的行人与车辆正常通行，当数码管计时到25时，甲车道未过线的车辆禁止通行，并且在数码管计时变为0时，乙车道的黄灯亮，数码管计时5秒，这期间甲乙车道的车辆都禁止通行，当数码管计时5秒之后，甲车道黄灯亮，乙车道绿灯亮，数码管重新从0开始计时到25，而此时，乙车道的车辆与行人通行，甲车道的车辆与行人禁止通行。当数码管计时到25秒时，乙车道黄灯亮，甲乙车道车辆禁止通行，当数码管计时5秒之后，重新计时，如此循环。5.2主要元件主要元件如表5.2,。 表5.2主要元件共阴极数码管2片CD45112片74LS1602片74LS1532片74LS742片74LS08（与门）4片74LS00（与非门）2片非门3片6结论 本设计基本达到要求，实现了控制甲乙干道车辆的通行，由于课程设计过程的要求故通行时间设置为25秒，中间过渡时间设置为5秒。而在现实中可以把时间加长，以达到现实的要求。本实验设计优点在于交通灯的控制上加了计时器，使得人们可以更具时间来调整车速，并且可以是的交通灯的时间控制变得更准确，抗干扰能力更强。 而本设计的缺点就是没有设计出可以控制干道车辆转弯的信号，并且在时间控制上如果采用倒计时就会更加完美。但是由于水平的原因，没有设计出这两个问题的解决办法。目前所知到的有，可以用74ls192来代替CD4511，因为74192是可预置数的倒计时译码器，可以设计出倒计时的计时器，但是这样就会使得其他部分的逻辑电路设计变得更加难。而在转弯的问题上，则在显示上遇到了一定问题，由于显示不能用灯来控制，需要带箭头的电子屏幕，而这样的显示不会使用和控制，也不易找到，并且同上一个问题一样，加上了这部分之后，逻辑电路变的复杂，不易设计出来。 本设计只是基本达到要求，能实现提出的基本要求，其中的不足，请老师指正。7总结与体会 这个课程设计的任务用时两周多的时间。在这段时间里我们几乎用尽了一切能想到的办法，进了最大的努力。但我感觉还是不太成功。原因是多方面的，第一点，我觉本次选的课程设计任务并不太难，而我们花了两周的时间本身就是一种办事效率低下所导致的， 我们的学习工作以及生活中都将注意这一点，毕竟现在社会运行是非常的高效。这一点我将在以后的学习生活中不断的加强这个方面的要求，争取成为一个办事高效的人。 第二点，本次课设所用到的内容都是以前所学过的，但是我发现对以前学的内容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拿来运用。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掌握，这也直接导致我在课设的时候不能灵活运用那些知识。这是我们在以后的学习中一定要认识的一点。 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象中的那么容易，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