数字电子技术：交通灯控制电路设计.doc

数字电子技术：交通灯控制电路设计

课程设计报告

课程名称： 数字电子技术
设计题目： 交通灯控制电路设计
院 系：
班 级：
设 计 者：
学 号：
指导教师：

目 录

一、设计目的 2
二、设计要求和设计指标 2
三、设计内容 2
3.1 总体设计 2
3.1.1交通灯控制的实现 2
3.1.2总原理图 4
3.2 单元电路的设计 5
3.2.1秒脉冲发生器 5
3.2.2定时器 5
3.2.3译码电路 6
3.2.4控制器 7
3.2.5显示部分 9
3.3 仿真结果与分析 10
四、总结 10
五、主要参考文献 11

交通灯控制电路设计
一、设计目的
由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁行线内。实现红、绿灯的自动指挥对城市交通管理现代化有着重要的意义。

二、设计要求和设计指标
（1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。
（2）当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。
（3）主支干道交替允许通行，主干道每次放行30s、支干道20s。设计30s和20s计时显示电路。
（4）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s的黄灯作为过渡，设置5s计时显示电路。

三、设计内容
3.1 总体设计
3.1.1交通灯控制的实现
交通灯控制系统的原理框图如图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，控制区是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。
秒脉冲发生器
定时器
控制器
译码器
甲车道信号灯
乙车道信号灯

图1 系统的原理框图

设控制器的初始状态为S0，当S0的持续时间小于25秒时，TL=0,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，并转换到下一个工作状态。如图2所示：

TL
AG
BR
ST
ST
AY
BR
TY
ARBY
TY
ST
ST
AGBR
TL

图2 交通灯的ASM图

3.1.2总原理图

A
7
QA
13
B
1
QB
12
C
2
QC
11
D
6
QD
10
BI/RBO
4
QE
9
RBI
5
QF
15
LT
3
QG
14
U1
74LS48
A
7
QA
13
B
1
QB
12
C
2
QC
11
D
6
QD
10
BI/RBO
4
QE
9
RBI
5
QF
15
LT
3
QG
14
U2
74LS48
D0
3
Q0
14
D1
4
Q1
13
D2
5
Q2
12
D3
6
Q3
11
RCO
15
ENP
7
ENT
10
CLK
2
LOAD
9
MR
1
U3
74LS160
D0
3
Q0
14
D1
4
Q1
13
D2
5
Q2
12
D3
6
Q3
11
RCO
15
ENP
7
ENT
10
CLK
2
LOAD
9
MR
1
U4
74LS160
+
5
V
1
2
3
U5:A
74LS00
1
2
13
12
U6:A
74LS10
+
5
V
+
5
V
1
2
U7:A
74LS04
3
4
U7:B
74LS04
5
6
U7:C
74LS04
1
X
0
6
1
Y
7
1
X
1
5
1
X
2
4
1
X
3
3
2
X
0
1
0
2
Y
9
2
X
1
1
1
2
X
2
1
2
2
X
3
1
3
A
1
4
B
2
1
E
1
2
E
1
5
U8
74LS153
1
X
0
6
1
Y
7
1
X
1
5
1
X
2
4
1
X
3
3
2
X
0
1
0
2
Y
9
2
X
1
1
1
2
X
2
1
2
2
X
3
1
3
A
1
4
B
2
1
E
1
2
E
1
5
U9
74LS153
+5V
D
2
Q
5
C
L
K
3
Q
6
S
4
R
1
U10:A
74LS74
D
1
2
Q
9
C
L
K
1
1
Q
8
S
10
R
13
U10:B
74LS74
1
2
3
U11:A
74LS08
4
5
6
U11:B
74LS08
9
1
0
8
U11:C
74LS08
1
2
1
3
1
1
U11:D
74LS08
R1
200
C1
10nF
+
5
V
+
5
V
+
5
V
R2
200
R3
200
R4
200
R5
200
R6
200
R7
200
D1
LED-RED
D2
LED-RED
D3
LED-GREEN
D4
LED-GREEN
D5
LED-YELLOW
D6
LED-YELLOW
R
4
DC
7
Q
3
G
N
D
1
V
C
C
8
TR
2
TH
6
CV
5
U12
NE555
+5V
C2
0.01uF
C3
10uF
R8
68k
R9
15k
?
A
B
C
D
RST
CLK
CE

图3 总原理图

3.2 单元电路的设计
3.2.1脉冲信号发生器
脉冲信号发生器由NE555电路与外围电路组成，其中R8、R9、C3 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=0.01uF是为了保持输出的波形的稳定。
如图4所示，R9、C3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4 脉冲信号发生器原理图

3.2.2定时器
定时器由与系统脉冲信号（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。74LS160是十进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。设计图如图5所示：

图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4，4，5，6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。

3.2.3译码电路
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，翻译成车道上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1所示。
表1 控制器状态编码与信号灯关系表

Q1 Q0
AG绿灯
AY黄灯
AR红灯
BG绿灯
BY黄灯
BR红灯
0 0
1
0
0
0
0
1
0 1
0
1
0
0
0
1
1 0
0
0
1
1
0
0
1 1
0
0
1
0
1
0

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。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。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。电路设计如图6：

图6 译码器部分原理图

3.2.4控制器
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态的转换。列出控制器的状态转换表，如表2所示。选用两个D触发器74LS74作为时序寄存器产生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；否则控制器转换到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2 控制器状态转换表
输 入
输 出
现 态
状态转换条件
次 态
状态转换信号
Q1n Q0n
TL TY
Q1n+1 Q0n+1
ST
0 0
0 0
0 1
0 1
1 1
1 1
1 0
1 0
0 X
1 X
X 0
X 1
0 X
1 X
X 0
X 1
0 0
0 1
0 1
1 1
1 1
1 0
1 0
0 0
0
1
0
1
0
1
0
1

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的项所对应的输入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。
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7所示。图中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重状态的相互交换。

图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。

3.2.5显示部分
显示部分由74LS48的共阴极七段数码管组成，74LS48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。其设计图如图8：

图8 由74LS48和数码管组成的电路

3.3 仿真结果与分析
首先连接调试秒脉冲电路。其次进行定时电路的连接和调试。当输入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秒时，能输电有效的定时时间到信号。判断各部分电路之间的时序配合关系，然后检查各部分的功能，使其满足设计要求。
当电路检查无误后，开始播放，便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间定为25秒。时间显示器从预置的0秒，以每秒增1，增到25时换为0时，红灯转换为黄灯，其余灯都不变。从增至5秒又到0时，甲车道又由黄灯转换为红灯，乙车道的红灯转换为绿灯。由此循环下去。

四、总结
刚开始拿到题目时，真的是无从下手，因为自己对这门课不是那么的熟悉，学的也不是很好，做课程设计时，只能不断的翻书或查资料。这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力，由于时间比较紧，所以控制器控制信号灯不是很好，但也学到了很多东西，增强了自己对知识的理解和巩固，很多以前不是很懂的东西现在也都一一解决了。还好有同学们的帮助和老师的指导，才能使我成功的完成这次课程设计，非常感谢同学和老师的帮助。

五、主要参考文献
1.《数字电子技术基础教程》阎石主编 清华大学出版社
2.《中国集成电路大全》编写委员会编 国防工业出版社
3.《电子电路测试与实验》朱定华主编 清华大学出版社
4.《数字逻辑电路设计与实验》绳广基编 上海交通大学出版社
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