《数字电路课程设计A》交通灯逻辑控制电路的设计与制作

《数字电路课程设计A》

交通灯逻辑控制电路的设计与制作

一、报告名称

交通灯逻辑控制电路设计

二、内容摘要

为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制信号灯

来进行指挥。其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示

停车：绿灯（G）亮表示允许通行.交通灯控制电路的系统框图如图1所示：

东西方向EW南北方向NS

000□□（S）00

GYRU1-1GYR

■VVA~7T

系统控制电路

21

分频时标

图1交通灯控制器系统框图

三、设计任务和要求

设计一个十字路口交通信号灯控制器。基本要求如下：

1.满足图2顺序工作流程。图中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR、

NSY、NSG,东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR、EWY、EWG。它们的工作

方式有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄

灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮,

东西方向黄灯亮。

2.应满足两个方向的工作时序：即东西方向上红灯亮的时间应等于南北方

向亮黄、绿灯时间之和，南北方向亮红灯的时间应等于东西方向上黄、绿灯亮

时间之和。时序工作流程图3所示。图3中，假设每个单位时间为3秒，则南

北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别15秒、3秒、18秒，一次循环为36秒。

其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和。

图2交通灯顺序工作流程图

12345678910II2123456

3.十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。

正计时具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某数，然后以每秒加1的计数

方式方式工作，直至加到绿灯灭为止；当黄灯亮时，置显示器为某数，然后以每

秒加1计数方式方式工作，直至加到黄灯灭为止；当红灯亮时，置显示器为某值,

然后以每秒加1计数方式方式工作，直至减到红灯灭为止。

例如：假设每个单位时间为3秒，当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北

方向数字显示为00,并使数显计数器开始加“1”计数，从00到14计数。南北方

向当加到绿灯灭而黄灯亮时，数显的值应从14跳回到00,黄灯亮期间，数显从

00到02计数。当南北方向黄灯灭而红灯亮时，数显的值应从02跳回到00,红

灯计数加计数，当加到红灯灭时数显为17o

四、方案比较

综合来看，本课程设计的单位时间模快与交通灯控制电路设计基本相同，方

案上的不同主要体现在数字显示模块。数字显示模块总共有四种方案选择。

方案一为用74HC161产生12进制加法计数的信号，当东西方向的红灯亮

时，就产生一个信号是东西方向红灯计数，并按加法计数到II;再用cc4511和

数码馆相连接，用12进制计数器的输出与cc4511输入相连接，驱动数码管显示.

而方案二在每个灯亮时都会计数。

方案三用74HC161产生12进制减法计数的信号，当东西方向红灯亮时，产

生信号使东西方向做减法计数，从12计数到01。

方案四是最复杂的一•种，即对每个灯都进行减法倒计时计数。

由于在家进行课程设计，只带回了两块面包板，考虑到后面的方案设计可能

会用到较多板子的空间，我选择了方案一进行设计。

系统框图如下图4所示：

五、单元电路设计及原理

1.秒脉冲部分

通过555定时器制作一个周期为1s的多谐振荡器。多谐振荡器的振荡周期

为T=TI+T2=(Rl+2R2)CIn2。因此可令RI=R2=5lkQ,电容选10UF和O.OIUF。

求得T=1.0605s.

面rn百rn

VccDTHCo

555

GNDTROUTR

“1121t3「EI

图5555定时器引脚图

THTRJTDU。

OXXXX导通0

1>/3"ac1导通0

1>>展11原态原态

1Vi■心uv/J1<»微止1

图6555定时器功能表

图7秒脉冲仿真图

2.分频器部分

通过D触发器(74HC74)制作一个二分频器，产生一个周期为2s的周期信

号。

0202

图874HC74引脚图

..：：VCC：：：：：：

•­nr-5.ov.

:；二.「：：：：："分频:：：：：

::：：：：j4：：：：U2A：

•••••>・・*1PR・・...............

••••3，•••••••6，•••・・・・・・

...I----ID....1Q>------------------

3-------------8................

..............>1CLK..-IQ.).................

・・・・7CLR：:：：：：：：：：：：：

・1i•・・：74LS74D•,

图9分频器仿真图

3.交通灯控制部分

由波形图可知，计数器每次工作循环周期为12,所以可以选用12进制

计数器。则通过74HC164,将输出QF接一个非门接回A、B输入端构成扭环型

12进制计数器。

计数器输出南北信号东西信号

QAQBQCQDQEQFNSGNSYNSREWGEWYEWR

000000100001

100000100001

110000I00001

111000100001

111100100001

111110010001

111111001100

011111001100

001l11001100

00011100i100

000011001100

000001001010

000000100001

图10真值表

在列出真值表，由上表可以得出红黄绿灯与QA〜QF的逻辑关系式:

NSG=QCQP；NSY:QCQ「'；NSR=Q「

ESG=QEQF；ESY二QE'QF；ESR=QF'再按照该表达式接好电路

VccQ7Q5Q4即CP

同同㈤向同FlFl

)

ULdLdLdLdLdIzJ

AB00010203GND

图1174HC164引脚图

图12交通灯控制部分仿真图

4.数码管显示部分

由于采用的是方案一，正计时且只对东西方向红灯计数，故十位的数码显示

管只显示“0”，“1”两个数字，而个位数码显示管需要显示从“0”到“9”，即

整体的效果就是从“00”变化到“09”，到“10”，“11”后变成“00”。

那么在东西红灯亮的十一秒以内，单独看个位的数码管，可以发现他就是从

。到9十进制计数后，又回到从0到9计数（只不过是只记到了两秒，但可以认

为与前十秒原理一致）。那可以考虑将提供给我们的161芯片十六进制计数器

接成10进制计数器，而他的clock信号应该是555芯片构成的多谐振荡器输出

的周期1s的周期信号。

而对于十位的数码管，不难发现，他变为1的情况刚好与接成十进制之后个

位数码管进位输出1的情况吻合，那么就可以考虑把个位161芯片的进位输出作

为十位161芯片的clock信号。

而在东西红灯灭掉的十二秒内，两个的数码管都是显示0。此时我们就可以

利用161芯片的异步清零端口，根据前一个交通灯模块可知，东西方红灯灭掉的

十二秒钟内，EWR=QF,=0,则可以用该信号作为两芯片的异步清零信号。

即个位的161芯片改为十进制计数器后见下图13,接受多谐振荡器的1s周

期信号，clock信号每来一次，输出数字加一，再连接到4511显示译码器，由其

译出再送给数码显示管，使其显示出161芯片的输出数字。而当他输出为10,

11时，其输出进位信号，一个直接作为十位161芯片的clock信号，使其在进位

信号来临时，输出1。另一个与ESR的信号相与，作为他的clr清零信号。当红

灯火掉的时候，异步清零显示为0。十位也是以Qf'信号为清零信号，当红灯火

掉的时候，异步清零显示为0。

aK二⑼。；。6»所

图

图13CC4511引脚图

图1574161管脚图

清0预置控制时钟预置数据输入输出

RDLDEPETCPAsAzAiAoa&aa

0XXXXXXXX0000

10XXtd2d2di山d3山dtdo

110XXXXXX保持

11X0XXXXX保持

1111tXXXX计数

图1674161功能表

图17MULTISIM仿真电路图

六、完整电路图

实际电路图

七、安装调试内容

1.使用的仪器仪表工具：电源、万用表、示波器

2.使用的元器件

74HC164（8位的移位寄存器）

74HC161（十六进制加法计数器）1

74HC74（双D触发器）1

74HC04（六反相器）4

74HC00（2输入端四与非门）1

74HC08（2输入四与门）4

74HC32（2输入四或门）4

CC4511（显示译码器）6

数码管6

LED（共阴极）红黄绿各2

555定时器1

若干电阻、电容

3.调试电路的方法和技巧

（1）插接集成器件时，使器件的缺口端朝左方，先对推插孔的位置，然后用力

将其插牢，防止集成器件管脚折断或弯曲。

（2）布线时，注意导线不要太长，最好贴近底板并在集成器件的周围走线，切

记导线跨越集成器件的上空，杂乱的在空中搭成网状。数字电路的布线应整齐

美观，这样既提高电路的可靠性，又便于检查排除故障或更换器件。

（3）导线的连接顺序：先接固定电平端，如电源正极一红线，地线一黑色导

线，门电路的多余输入端及电平固定的某些输入端，然后按照电路中信号的流

向顺序对所划分的单元电路逐一步线、调试，最后将各单元连接起来。

（4）调试电路的方法和技巧：安装时一部分一部分连接，线一定要适长，否则

不仅不美观而且容易不小心拔出来或拔断，且不好检查电路问题。将不同部分

的线颜色区分开来，如接地，接电源统一用蓝色和红色线。

4.调试中出现的故障、原因及排除方法

在一开始做秒脉冲模块和分屏模块以及交通显示模块的时候，我的实验进

行得还算顺利。虽然因为缺少导线，不得不用指甲钳剥线，但连接好前三个模

块的时候一切显示都是对的。

而在我做好第四个数显模块的仿真，历经千辛万苦把它接上去的时候，再

次测试，却发现不仅数字显示模块无法正常工作，前面的交通灯却无法正常显

示了。即交通灯的六个灯只有两个再按下开关的一瞬同是有亮一下的，之后再

也没有变化且一直保持黯淡了。而将新加入的数显模块的连线断开之后，他甚

至还是这样。

一瞬间我感觉受到了极大的打击。仔细思考之后我更加不得其解。如果前

面的线路测试一切正常，即使新加入的数字显示模块是有错误的，那交通信号

灯也应该是正常的啊。为什么断开之后也还是不对的呢？

于是我开始分区域一点一点测试，先用led接秒脉冲的输出，发现没有问

题，确实是一秒闪一下。再接经过二分频的信号，也确实是2s闪一次。只有交

通灯模块出了问题。

我思考会不会是电源出了问题。因为看到了只有在按下开关的一刻，灯是

最亮的，剩下时间便迅速黯淡下去了。并且若电源模块不接电路，按下开关

后，其指示灯的亮度是远远大于接入电路后其指示灯的亮度。然后我尝试着用

它，就仅仅是接触在它的上表面没有插进去的话，有时候它是能够正常工作

的，然后我的那个五五计时器和七四芯片的指示灯也是正常的

然后剩下来的那些灯他都是不亮的，但是我东西方向的那个绿灯却又是正常工

作的，就是亮十秒，再隔14秒再亮。这种情况似乎和老师提过的任何一种出现

的问题都对不上。问了老师之后，老师给的建议也是单个一个一个模块再检

So但是在尝试了一次次的检查与电源换空插入电路之后，情况还是没有得到

改变，问题也没有发现具体在那里我几乎要失去信心了。手头上又没有多余的

电源模块和万用表来检测电路，我甚至一度想要把实验搁置到学校在做。

然而在颓废了一天之后，我还是有些不甘心，希望一鼓作气，能够在返校

之前就把实验做出来。在咨询了一些已经做成功的同学的经验值后，有一个朋

友建议我在检查一下插线的问题。虽然我内心想着既然我曾经做对过，后来也

没有改动，应该是没有错的。但还是想着既然已经检查不出来了，干脆再查一

遍吧。这是就发现之前有一个空，我为了布线上的好看，把两根导线插到了一

个空里。我想起老师说最好还是不要这样做，就把他们换了一个空插，再次接

上电路，竟然一切问题都解决了！

欣喜若狂的我在高兴的同时，深刻的意识到了在真正能够的成功面前，真

的一丝丝的懈怠与不留意都不能有，原来只要没有到达最后一步，有可能那些

小小的胜利的都是虚假的，是你失败的根源！

所以，尽量不要特殊化！一定要遵守老师说过的各种接线规则，即使你觉

得在理论上应该是可以实现的，但如果不是特别的肯定或者并没有实际的必

要，最好还是不要轻易尝试，或者尝试之后，若出现了问题，多多留意下是不

是我的创新哪里出了问题。

而数显模块中，在将十位的数码管改成十进制计数器时，一开始我选择了

同步置0法，即令LD'=(Q3Q2'QI'Q0)',又为了使他仅仅在东西红灯亮的

时候进行计数，我把ESR的信号和(Q3Q2'QI'Q0)'相与再输入给LD',由于

红灯只有在亮的时候其输入信号为1,相与后就实现了只有在红灯亮的时候，

对输入的clock脉冲信号计数，且在10,11时显示0,1。但这样做我在仿真时

只看了第一周期是显示到Us的，实际电路也就按第一次仿真的接了。而实际

电路中，发现这样做后面周期数码管和数字显示电路是不同步的。由于LD'同

步置数，清零的信号会迟一秒到达，记另一方向的红灯已经亮起，数码管显示

的还是12。

为了解决这个问题，我换成了异步置数法。即令

CLR'=(Q3Q2'Q1Q0')''),这样就解决了他们的不同步问题。

同时在连接电路时，由于空间不够，担心接线过多会影响美观和出错，我

把两片4511芯片反过来放置，减少了不少在芯片异侧的较长的接线。

在整个实验中还有一个感悟很深的一点是，我发现面对任何的事物，惧怕

他是没有什么用的。在开始课设之前，因为上学期数电的期末成绩并不理想，

又是在家里做，没有同学老师可以及时的帮助，对自己没什么信心，我对课程

设计在内心里是十分抵抗的。虽然很早就下载了参考资料，甚至打E[]了PPT,

但在寒假里，每次一拿起他们，心里总是会浮现出这样的念头，哎，太麻烦

了，我肯定看不懂，算了算了。以至于拖到了课设开始的第二天，我才真正的

去看了这些早就准备的资料。而在仔细研究之后，真正动手去做，却发现，也

没有想的那么难呀。若是真的不会了，上网查阅资料，问老师问同学自己思

考，都是可以把问题解决掉的，而担心，惧怕压根解决不了问题，它只会让问

题暗地里持续的折磨你。所以，如果当下有什么事情是需要去做的，但内心是

害怕的担忧的，那越是这样的，越应该去提早准备他，早早的解决掉他！

八、中国交通现状调查及总结

我们知道，道路交通安全非常的重要，近些年来，全国公安交管部门坚决

贯彻落实党中央、国务院决策部署，按照公安部党委的统一要求，在各级党委

政府领导下，紧紧围绕预防和减少重特大交通事故，积极会同有关部门狠抓道

路交通安全隐患排查整治，严查严打各类违法犯罪行为，强力督促企业落实主

体责任，全力抓好道路交通安全管理关键措施落实，确保了全国道路交通安全

形势总体稳定。

同时，我们也清醒地看到，当前，全国道路交通安全形势虽然稳中向好，

但稳中有忧、稳中有险、稳中有变，道路交通安全风险交织叠加，源头性、基

础性、普遍性的安全隐患仍未根除，风险防控工作仍需进一步加强。

根据对近年来在