数电课程设计-交通灯设计.doc

数字电子技术课程设计之交通灯控制电路设计
交通灯控制电路设计
一、目的
掌握、训练数字系统的综合设计方法；以及对各基本电路的功能运用和测试方法。
学习掌握各个基本电路之间级连和应当注意的事项；熟悉各基本电路的输入与输出应满足的条件。正确阐述电路中各参数的意义。
学会在数字系统中正确使用数字集成电路。学会查阅、读懂数字集成电路手册。
二、设计任务与要求
设计一个十字交叉路口交通灯自动控制电路，
其形式如右图，要求主干道和支干道两条交叉道
路上的车辆交替行驶通过，每次通行时间可任意
设定，现规定设为25秒。
在黄灯亮过5秒钟后，才能变换车辆通行道
路方向及行人允许通过道路的方向。
在黄灯亮时，每秒钟闪亮一次，同时人行通
道（斑马线）旁的报警喇叭也每秒钟响鸣一声。
三、设计原理与分析
交通灯控制系统的原理框图如下图所示

分析系统的逻辑功能及其框图，交通灯控制系统原理框图，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。秒脉冲信号发生器是系统中定时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。图中的：TL：表示主干道或支干道绿灯亮时的时间为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。在设定的时间内，TL = 1，设定的时间到，TL = 0。TY：表示黄灯亮的时间为5秒，在设定的时间内，TY = 1，设定的时间到，TY = 0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出的状态转换信号。由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。
四、交通灯控制器的工作流程
十字路口的交通灯控制器分为定时控制和计数控制。定时控制就是定时器按要求设置，并发出的时间起始和终了信号来进行控制；计数控制既是在十字路口安装有摄像头及分析计数或红外探测计数设备；当这类计数设备，累计到在十字路口某条路上有一定的车辆数后，便立即发出状态转换信号控制控制器，使该条路上的交通灯改变成通行信号灯亮。下面我们对定时控制十字路口的交通灯控制器进行分析。
[ 主干道绿灯亮时，支干道红灯亮。此时主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。绿灯亮足规定时间TL后，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
[ 主干道黄灯亮时，支干道红灯亮。此时支干道上的车辆禁止通行，主干道上已过停车线的车辆允许通行，未过停车线的车辆禁止通行。黄灯亮足规定时间TY后，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
[ 主干道红灯亮时，支干道绿灯亮。支干道上的车辆允许通行；绿灯亮足规定时间TL后，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
[ 主干道红灯亮时，支干道黄灯亮。此时主干道上的车辆禁止通行，此时支干道上已过停车线的车辆允许通行，未过停车线的车辆禁止通行。黄灯亮足规定时间TY后，控制器发出状态转换信号ST，转到第一种工作状态。
以上4种交通灯工作状态的转换是由控制器进行控制的。设控制器对这四种状态的编码为00、01、11、10，并分别用Z0、Z1、Z2、Z3表示这四种状态，则控制器的工作四种状态及其功能见表1所示

表1控制器的工作状态及功能表

现作如下规定：若将主干道和支干道上的红、黄、绿三色灯的控制信号分为灯的代号和灯的驱动信号，会给系统带来复杂。为了简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，即：
AG = 1：主干道绿灯亮； BG =1：支干道绿灯亮；
AY = 1：主干道黄灯亮； BY =1：支干道黄灯亮；
AR = 1：主干道红灯亮； BR =1：支干道红灯亮；
这样可以得到交通灯的工作状态流程图，
设控制器的初始状态为Z0，当Z0的持续时间小于
25秒时，TL = 0，控制器保持Z0状态不变。只有当
Z0的持续时间等于25秒时，TL = 1，控制器发出状
态转换信号ST，并转换到下一个状态Z1。按照这种
判断、分析，将这四种状态的转换无限循环
（不断电的情况下）。
五、基本单元电路
定时器(如下图)
定时器应与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态转换信号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加1计数，向控制器提供5秒的黄灯定时信号TY和25秒的红灯或绿灯定时信号TL。

U1
74LS163D
QA
14
QB
13
QC
12
QD
11
RCO
15
A
3
B
4
C
5
D
6
ENP
7
ENT
10
CLK
9
~CLR
1
~LOAD
2
U2
74LS163D
QA
14
QB
13
QC
12
QD
11
RCO
15
A
3
B
4
C
5
D
6
ENP
7
ENT
10
CLK
9
~CLR
1
~LOAD
2
U3
U4
VDD
5V
VDD
5V
U5A
74LS08D
&
U6A
74LS04D
CP
ST
T L
T Y

秒脉冲为左图，右图为计数器的基本电路，其中CP由秒脉冲提供，ST由控制器提供，秒脉冲和计数器构成定时器。秒脉冲是此系统中的标准时钟信号，秒脉冲是由555定时器和电阻、电容等构成的多谐振荡器，由于在Multisim中进行系统仿真时时间很慢，故应把多谐振荡器的频率取得尽可能的高一点，以方便检查电路。取R1=R2=40kΩ，C1=C2=0.01μF，由电容的充放电可知
(1)充电时间：T1=0.7(R1+R2)C2=0.7*(40kΩ+40kΩ)* 0.01μF=5.6×10-4s，
(2)放电时间：T2=0.7*R2*C2=0.7*40kΩ* 0.01μF=2.8×10-4s，
(3)故其周期为T=T1+T2=8.4×10-4s
秒脉冲可以通过改变电阻和电容以改变其振荡周期，由于在Multisim中进行系统仿真时时间很慢，故应把多谐振荡器的频率取得尽可能的高一点，以方便检查电路。
计数器选用74LS163进行设计。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零，同步置数的功能。74LS163的引脚如上图；定时器采用两片74LS163计数器来设计。
74LS163功能表如下

计数器可以利用CLR端复位计数或LOAD端置位计数，在TL控制时形成25进制计数，在TY控制时形成五进制计数。在实际应用中，TL和TY通过控制器产生ST信号以控制计数器的复位或置位，因此计数器在秒脉冲和控制器的作用下，进行两轮计数，分别为25和5，以对整个电路进行定时，在不断电的情况下无限循环。
[ 控制器
控制器是交通管理的核心，应该按照交通管理规则控制信号灯，能够满足控制系统的工作状态进行交通信号灯的状态转换。根据交通灯的工作状态流程图，可以列出控制器的状态转换表，见下表：选用74LS74（双D触发器）构成时序电路寄存器，

它们的输出作为控制器的状态转换的4种状态；控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器的输出状态处于状态时，如果TL= 0，则控制器保持在00状态；如果TL=1，则控制器转换到状态。但这两种情况与条件TY无关，所以用无关项“X”表示。同理可以推出其他几种情况的关系状态。同时根据交通灯的控制器状态转换表，可以推出方程和转换信号方程；即将控制器的输出状态、和ST为1的项所对应的输入或状态条件变量相与，其中“1”用原变量表示，“0”用反变量表示，然后将各与的项再相或，即有：

根据以上三个方程，我们选用4选一数据选择器(74LS153)
来实现74LS74中两个D触发器的输入函数，将触发器的初始
状态值、加到74LS153的数据选择端作为控制信号，这
样即可实现控制器的功能。设计中考虑到上电（打开电源开关
时）自动复位的问题，这里可以用R、C构成。
[ 控制器电路如下

其中74LS153的功能表如下左 74LS74的功能表如下右

触发器的波形：其中clock_int为D触发器的时钟脉冲，第一条线为Q1波形，第二条线为Q1非波形，第三条线为Q0波形，第四条线为Q0非的波形
由A图游标可知时间差为Ta=400.309μs

由B图游标可知时间差为Tb=1.904ms

有以上两图的结果可知的比值E=Tb/Ta=1.904ms/400.309μs≈5，既符合25/5=5的关系。
说明了电路符合要求，通过可以有效控制灯的变化情况，

[ 声响电路如下

声响电路由控制器的工作四种状态中的Z1、Z3两种状态时的灯驱动信号提供信号；因此，用一片74LS86来构成选取“01”或“10”信号到来时，它的输出能够提供一个脉冲信号给声响驱动电路。驱动电路用555时基电路构成单稳态触发器，即可在黄灯亮时，每秒钟闪亮一次，同时人行通道（斑马线）旁的报警喇叭也每秒钟响鸣一声。其中电阻R1的取值应适中，由于仿真中时间跳变的很慢，如果电阻过小，单稳态触发器就变为反相器，如果偏大，单稳态触发器的周期就很大，影响其输出的变化导致报警喇叭不会响。

六、系统电路测试
[ 系统电路如下

[ 交通灯整个控制点电路是由秒脉冲、计数器、控制器、声响点路组成，其中主干道和支干道的交通灯如图所示，D触发器和计数器的时钟信号均有系统中的标准时钟——秒脉冲提供，为了提高电路的驱动能力同时消除电路的时间延迟，D触发器的时钟信号还要通过一个非门连接，整个控制电路的核心为控制器：其由D触发器和74LS153译码器组成，其输入输出有以下三个方程决定。

[ 电路的工作情况
设控制器的初始状态为Z0=00，主道绿，支道红，主道车通行，行人禁止横穿；支道禁止车通行，行人可横穿；当Z0的持续时间小于25秒时，TL = 0，控制器保持Z0状态不变。当Z0的持续时间等于25秒时，TL = 1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z1=01，主道黄且其闪烁，人行道上的报警器随黄灯的变化而响鸣，支道红，主干道车缓慢行驶，支干道车禁止通行，行人准备通行；黄灯时间5秒到时TY = 1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z2=11，主道红，支道绿，主道禁止车通行，行人可横穿；支道车通行，行人禁止通行当绿灯亮足25秒，TL = 1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z3=10，主道红，支道黄闪烁，人行道上的报警器随黄灯的变化而响鸣，主干道车禁止通行，支干道车缓慢行驶，行人准备通行；当五秒到时，TY = 1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态Z0=00，按照这种判断、分析，将这四种状态的转换无限循环（不断电的情况下）。
七、参考使用元器件
[ 集成电路芯片:74LS74 2片 ，74LS02 2片，74LS04 5片， 74LS153 2片，74LS08 3片 ，74LS163 2片，74LS86 1片，
555 2片，电阻： 若干， 电容：若干，16进制显示器 2片

八、参考资料
[ 《数字电子技术实验》 夏明风 编 重庆大学电气工程学院电子技术实验室
[ 《数字电子技术基础》 唐治德 主编 科学出版社

九、心得体会
终于攻克了数电课程设计，很是开心，因为自己动手，把书本上的知识学以致用，感觉很有成就感。
说实话，开始拿到题目的时候,感觉很是困难，对很多芯片的功能都不是很清楚，仿真软件也不是很会用。通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。现在设计已经做好了,自己感觉还是比较好的，花了很多的时间,但学到了很多东西。做课程设计的时候，由于是期末了，顺便复习了数字电子技术基础这门课程，增强了自己对知识的理解,很多以前不是很懂的问题现在都已经一一解决了。在课程设计的过程中。对同一个问题(像计数器的接法)都想了很多种不同的接法,最后还是采取了上面的方法进行连接。
这一次的设计也是对我综合能力的一次锻炼。在设计过程中，使用专业的设计软件Mutilsim构图，模拟。在这个程中学到了很多课本外的知识，掌握了本学科需要的一些专业技能，第一次有了解决实际问题的经验，这次课程设计也使我明白了,做任何事情都要认真仔细,不然的话,你会花更多的时间才会做好。本次设计让我认识到，在解决实际问题不光是要有知识基础，还要自己亲自实践才能提高我们的动手能力,才能把我们所学到的书本知识运用到实际生活中去。这几天的学习，让我体会到想要创造一个实用的电子设备要经过很长时间的设计与改造，因为实际与理论又很大的区别。在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。特别是在画完电路图后，在仿真过程中对元器件的选取和电路图的设计，我深有体会。我认为这次实习不仅仅学习了软件知识，还提高了我们专业素质同时也丰富了我们的业余生活,提高我们对知识的理解能力。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。

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