十字路口交通灯控制器(数电课程设计).doc

十字路口交通灯控制器

课 程 设 计

设计题目： 十字路口交通灯控制器

系 别 班级
学生姓名 学号
指导教师 职称
起止日期： 年 月 日起——至 年 月 日止

课程设计任务书

课程设计题目： 十字路口交通灯控制器

系 别 班级
学生姓名
学号
指导教师 职称
课程设计进行地点：
任 务 下 达 时 间： 年 月 日
起止日期： 年 月 日起——至 年 月 日止

教研室主任 年 月 日批准

十字路口交通灯控制器
1 设计主要内容及要求
1.1 设计目的：
（1）掌握十字路口交通灯控制器的构成、原理与设计方法；
（2）熟悉集成电路的使用方法。
1.2 基本要求
（1）设计一个具有三种信号灯（红、黄、绿）的十字路口交通灯控制器，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留出时间停在禁行线外；
（2）主、支干道交替允许通行，主干道每次放行40秒，黄灯亮5秒；支干道放行20秒，黄灯亮5秒；
（3）各计时电路显示
2 设计过程及论文的基本要求：
2.1 设计过程的基本要求
（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选2个方向：
（2）符合设计要求的报告一份，其中包括逻辑电路图；
（3）设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。
2.2 课程设计论文的基本要求
（1）参照毕业设计论文规范打印，包括报告中的所有电路图。
（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（逻辑电路图）。
3 时间进度安排
顺序
阶段日期
计 划 完 成 内 容
备注
1

讲解主要设计内容，学生根据任务书做出原始模块图
打分
2

讲解如何绘制逻辑原理图并检查及修正模块图
打分
3

讲解计算机仿真软件的应用及如何对电路进行仿真
打分
4

讲解设计报告的书写及继续修正逻辑原理图,布置答辩
打分
5

检查报告完成情况、答辩
打分

数字电子技术课程设计成绩评定表
系（部）： 班级： 学生姓名：
指 导 教 师 评 审 意 见
评价
内容
具 体 要 求
权重
评 分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2

工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，
0.2
5
4
3
2

工作量
按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。
0.2
5
4
3
2

说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.5
5
4
3
2

指导教师评审成绩
（加权分合计乘以12）
分
加权分合计

指 导 教 师 签 名：
年 月 日
评 阅 教 师 评 审 意 见
评价
内容
具 体 要 求
权重
评 分
加权分
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力
0.2
5
4
3
2

工作量
工作量饱满，难度适中。
0.5
5
4
3
2

说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.3
5
4
3
2

评阅教师评审成绩
（加权分合计乘以8）
分
加权分合计

评 阅 教 师 签 名：
年 月 日
课 程 设 计 总 评 成 绩
分

中 文 摘 要

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，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。
分析了现代城市交通控制的现状，结合十字路口交通的实际情况，本文详细的阐述了基于数字电路的十字路口交通灯控制器的工作原理，并给出了合理的设计方案。该十字路口交通灯控制器是在传统设计的基础上进一步加以改进，添加了感应特殊车辆通行的功能。通过时序逻辑电路和组合逻辑电路相结合，实现了用数字信号来自动控制十字路口红、绿、黄交通灯状态的转换。由于该交通灯控制器价格低廉、可靠性好且使用寿命较长，因此被广泛的应用于中小型城市的十字路口交通灯的控制中。
在该设计中，根据项目的要求，将整个系统划分为若干个功能模块，详细制定了各部分的实现方案。并综合考虑了各方面的因素，选择最适合的器件。在较充分的原理实验基础上，经过反复的调试，最终达到了设计项目要求。

关键词 交通灯，控制器，秒脉冲发生器，定时器，译码器

目 录
课程设计任务书 II
数字电子课程设计成绩评定表 IV
中 文 摘 要 V
1 设计任务描述 1
1.1 设计题目：十字路口交通灯控制器 1
1.2 设计要求 1
1.2.1 设计目的 1
1.2.2 基本要求 1
2 设计思路 2
3 设计方框图 3
4 各部分电路设计及参数计算 5
4.1 秒脉冲信号发生器 5
4.2定时器 6
4.2.1 设计思路 6
4.2.2 主要元器件介绍 6
4.2.3电路组成 7
4.3控制器 7
4.3.1设计思路 7
4.3.2主要元器件介绍 9
4.3.3电路组成 10
4.4 译码器 10
5 工作过程分析 12
6 元器件清单 13
7 主要元器件介绍 14
7.1 555 14
7.2 74163 14
7.3 74160 17
小 结 20
致 谢 21
参考文献 22
附 录 23
A1 逻辑电路图 23

- 23 -

1 设计任务描述
1.1 设计题目：十字路口交通灯控制器
1.2 设计要求
每个选题最多只允许8人进行设计，每题的n个设计必须保证不雷同——包括设计和报告；否则，轻微雷同的影响成绩，严重的不及格。尽量能够进行仿真验证运行，仿真工具可自选MultiSim/ModelSim/QuartusII/ISE/Protous中之一。
1.2.1 设计目的
(1) 掌握十字路口交通灯控制器的构成、原理与设计方法；
(2) 熟悉集成电路的使用方法
1.2.2 基本要求
(1)设计一个具有三种信号灯（红、黄、绿）的十字路口交通灯控制器，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留出时间停在禁行线外；
(2)主、支干道交替允许通行，主干道每次放行40秒，黄灯亮5秒；支干道放行20秒，黄灯亮5秒；
(3)各计时电路显示。

2 设计思路
如今，可以这样说在世界的的各个地方的马路上都可以看见红绿灯，正是有了这个高科技的产品，减少了许多人力在指挥交通上，同时也避免了许多本可以避免的交通事故。如今他已经成为疏导交通车辆最长见和最有效的手段。
但这一技术早在19世纪就已经问世了，而且随着时代的发展，社会的进步，信号灯的技术也得到了发展。1858年，在英国伦敦的主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行，这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。1914年，电器启动的红绿灯出现在美国，他被安装在纽约市5号大街的一座高塔上。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
现在正在应用的红绿灯主要有三种类型，定周期的信号机，多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能式信号机。其中定周期信号机这一类型以其设计简单，成本低，安装及维护方便等特点得到了广泛的应用。本次课程设计中我所设计的十字路口交通灯控制器就属于这一类型。
在本次课程设计中针对“十字路口交通灯控制器”这一课题，我采用了555脉冲发生器产生1KHz的方波，并通过三个74160分频器进行分频，产生大小为1KHz的方波，即1秒的脉冲信号供电路使用。我选择74163对信号进行计数，通过非门和6线与门产生T30秒，Ts20秒，Ty5秒的计数范围为74153数据选择器提供信号，同时返回St是计数器清零重新计数。数据选择器输出的信号通过D触发器向译码器传递，然后通过非门和或门产生四种分配状态，即主绿——支红，主黄——支红，主红——支绿，主红——支黄的循环，达到十字路口交通灯的作用，满足课程设计的要求。

3 设计方框图

主干道信号灯

触发器
译码器

支干道信号灯

定时器
秒脉冲发生器
主控器

计数显示器
译码器

由对十字路口交通灯控制器的分析可以画出十字路口交通灯控制器的原理方框图，如上图所示。他是由控制器、定时器、译码器

状态0
支干道
绿灯亮

状态1
支干道
黄灯亮
状态2
主干道
绿灯亮
状态3
主干道
黄灯亮

信号灯状态与车道运行状态如下：
S0：主干道车道的绿灯亮，车道通行；支干道车道的红灯亮，车道禁止通行。
S1：主干道车道的黄灯亮，车道缓行；支干道车道的红灯亮，车道禁止通行。
S2：主干道车道的红灯亮，车道禁止通行；支干道车道的绿灯亮，车道通行。
S3：主干道车道的红灯亮，车道禁止通行；支干道车道的黄灯亮，车道缓行。

4 各部分电路设计及参数计算
4.1 秒脉冲信号发生器

本电路中的振荡器是由555定时器和R和C构成的多谐振荡器。由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。
工作原理：通过调整电阻R的阻值与电容C的容值来调节振荡器的产生频率，此次设计中振荡器的振荡频率为1Hz，即所需要的秒脉冲信号。
秒信号产生电路参数计算
参数标注如图4.1所示，555振荡器电路的振荡周期可由下式估算：
T=t1+t2=1 s
t1=0.7(R1+R2 +R2)C1
t2=0.7R2C1
若选定脉冲占空比为0.6，可得
==0.6
t1=0.61s=0.6s
t2=T-t1=1-0.6=0.4s
取电容C=470F，则R2===1k
则R1=1 k.

4.2定时器
4.2.1 设计思路
定时器由计数器构成，且该计数器与系统的秒脉冲同步。首先，计数器在状态转换信号St的作用下清零。然后，当时钟脉冲上升沿到来的时候，计数器从零开始计数。接着计数器分别向控制器提供模5的定时信号TY和模30、20的定时信号Tl Ts。因此选用具有同步清零、同步计数的计数器会比较简单，在这次设计中选用了74163。
4.2.2 主要元器件介绍
74163 为中规模集成计数器芯片，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。它的管脚排列及功能表如下
表3.1 74163功能表

输入 输出
CP CLR CLOD P T A B C D QA QB QC QD
0 * * * * * * * 0 0 0 0
1 O * * A B C D A B C D
* 1 1 0 *　 * * * * 保 持
* 1 1 * 0 * * * * 保 持
1 1 1 1 * * * * 计 数

由功能表可见，当清零端 CLR=1 ，置入 CLOD，计数允许端 P=T=1 时工作在计数状态，管脚 15 输入进位脉冲。 该芯片也可以实现可编程计数器，即它的每一个输出可被预置为任一电平，当置入端 CLOD=0 时，在下一个时钟脉冲到来后，输出端的数据便和输入数据一致。这种计数器的清零是同步清零，即清零端 CLR=0 时在一个时钟脉冲到来后才能清零。

4.2.3电路组成

从与门中输出的信号被输送到下一级数据选择器中进行选择。
4.3控制器
4.3.1设计思路
控制器的核心部分，它应该按照交通灯管理规则控制信号灯的工作状态的转换。根据前面的分析可知设计思路
控制器是交通交通灯有四种正常工作状态：
S0 S1 S2 S3

主红灯亮
干绿灯亮
主红灯亮
干黄灯亮
主绿灯亮
干红灯亮
主黄灯亮
干红灯亮

根据分析及图可列出控制器状态转移表：
表3.2 控制器状态转移表

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 SR
0 0 0 * 0 0 0
0 0 1 * 0 1 1
0 1 * 0 0 1 0
0 1 * 1 1 1 1
1 1 0 * 1 1 0
1 1 1 * 1 0 1
1 0 * 0 1 0 0
1 0 * 1 0 0 1
根据表所示，现态与次态相同，故可以选用两个D触发器FF0和FF1作为时序寄存器产生四中状态。制器状态转换的条件为Tl和TY，当控制器处于Q1nQ0n＝ 00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Q1n+1Q0n+1＝ 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项"*"表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号SR
根据表可以列出状态方程：
Q1n+1=Q1nQ0n TY +Q0nQ1n+ Q1n Q0n TY
Q0n+1=Q1n Q0n Tg+Q0nQ1n+ Q1n Q0n Tg
Sr=Q1n Q0n Tg+ Q1nQ0n TY +Q0nQ1n Tg + Q1n Q0n Ty
根据以上方程，可以选用数据选择器74153来实现每个D触发器的输入函数。

4.3.2主要元器件介绍
1.D触发器
D触发器的功能表：
表3.3 D触发器功能表
D QN+1

0 0
1 1

根据功能表可知该触发器的次态总是与输入端D保持一致，可被应用于数据存储。
2.74153
74153是双四选一的数据选择器，即一个芯片中包含了2个四选一电路，功能表为：
输入 输出
ST A1 Ao Y
H * * L
L L L D0
L L H D1
L H L D2
L H H D3
表3.4 74152功能表

4.3.3电路组成

4.4 译码器
译码器器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的四种工作状态翻译成东西道、南北道上6 个信号灯的工作状态。在正常情况下控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系
如下表所示：
（状态）Q1 Q0 Y0 Y1 Y2 Y3
0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 1 0
1 1 1 0 0 0
1 0 0 1 0 0
通过译码器传出的信号，再通过有或门和非门组成的电路，将最终信号传送到发光二极管。

5 工作过程分析
交通灯控制器的工作过程分析如下：
1.第一个工作状态：由上控制器输出状态Q1=0，Q0=0，根据控制器状态编码与信号灯关系表可知，主干道绿灯亮，支干道绿灯亮。根据电路图，数据选择器74153的共用地址输入端A1、A0与输出状态Q1、Q0相同A1=Q1=0，A0=Q0=0，当计数器未记到30时，计数器没有输出；当计数器计到30时，输出时间间隔Tl即Tl=1，Tl和经过反相器的Tl同时送到数据选择器中，跟据第二片数据选择器A1、A0的状态可以判断出输出信号Y=D0即输出Tl，该信号又被送入第二片D触发器中，输出Q0=Tl即Q0=1，Q1持续上一状态 Q1=0。与此同时，根据第三片数据选择器可知，输出状态转换信号St，这样计数器清零，开始进入下一工作状态。
2.第二个工作状态：主干道黄灯亮，支干道红灯亮，有表4即控制器状态编码与信号灯关系表可知，控制器输出状态Q1=0,Q0=1。根据电路图，数据选择器74153的共用地址输入端A1、A0与输出状态Q0、Q1相同，即A1=Q0=1，A0=Q1=0。当计数器未记到5时，计数器没有输出；当计数器计到5时，输出时间间隔TY即TY=1，TY和经过反相器的TY 同时送到数据选择器中，跟据第一片数据选择器A1、A0的状态可以判断出输出信号Y=D2即输出TY，该信号又被送入第一片D触发器中，输出Q1=TY即Q1=0，Q0持续上一状态 Q0=0。与此同时，根据第三片数据选择器可知，输出状态转换信号SR，这样计数器清零，开始进入下一工作状态。
3.第三个工作状态：由上控制器输出状态Q1=1，Q0=1，根据控制器状态编码与信号灯关系表可知，主干道红灯亮，支干道黄灯亮。根据电路图，数据选择器74153的共用地址输入端A1、A0与输出状态Q0、Q1相同A1=Q0=0，A0=Q1=1，当计数器未记到20时，计数器没有输出；当计数器计到20时，输出时间间隔TY即TY=1，TY和经过反相器的TY同时送到数据选择器中，跟据第一片数据选择器A1、A0的状态可以判断出输出信号Y=D1即输出TY，该信号又被送入第一片D触发器中，输出Q1=TY即Q1=1，Q0持续上一状态 Q0=1。与此同时，根据第三片数据选择器可知，输出状态转换信号SR，这样计数器清零，开始进入下一工作状态。
4.第四工作状态：由上控制器输出状态Q1=1，Q0=0，根据控制器状态编码与信号灯关系表可知，主干道红灯亮，支干道绿灯亮。根据电路图，数据选择器74153的共用地址输入端A1、A0与输出状态Q1、Q0相同A1=Q1=1，A0=Q0=1，当计数器未记到5时，计数器没有输出；当计数器计到5时，输出时间间隔TG即TG=1，TG和经过反相器的TG同时送到数据选择器中，跟据第二片数据选择器A1、A0的状态可以判断出输出信号Y=D3即输出TG，该信号又被送入第二片D触发器中，输出Q0=TG即QO=0，Q1持续上一状态 Q1=1。与此同时，根据第三片数据选择器可知，输出状态转换信号SR，这样计数器清零，开始进入下一工作状态。

6 元器件清单
序号
元件名称
规格及用途
数量
1
定时器
555
1片
2
计数器
74163
3片
3
计数器
74160
5片
4
译码器
74139
1片
5
非门
3049
20个
6
或门
3068
3片
7
六输入与门
74LS30
3片
8
电阻
1k
2个
9
电阻
510
6个
10
电容
470 uF
1个
11
发光二极管
BS201
6个

7 主要元器件介绍
7.1 555
555定时器是一种将模拟电路和数字电路混合在一起的集成电路，本次设计中选用的555是一种应用特别广泛、作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。该电路是由三个5千欧的电阻组成分压器、两个高精度电压比较器、一个基本R-S触发器、反相缓冲器及放电管组成，它结构简单，使用灵活方便，因此应用很广泛。
若选集成计数器74160，74160是一个具有同步清零、同步置数、可保持状态不变的4位二进制加法计数器。
74163 为中规模集成计数器芯片，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。当清零端 CLR=1 ，置入 CLOD，计数允许端 P=T=1 时工作在计数状态，管脚 15 输入进位脉冲。 该芯片也可以实现可编程计数器，即它的每一个输出可被预置为任一电平，当置入端 CLOD=0 时，在下一个时钟脉冲到来后，输出端的数据便和输入数据一致。这种计数器的清零是同步清零，即清零端 CLR=0 时在一个时钟脉冲到来后才能清零。
7.2 74163

7.3 74160

小 结
为期五天的数字电子课程设计已经结束，可以这样说在这次数字电子技术课程设计中我的收获非常的丰富。
通过上半学期对数字电子技术这一门课程的学习，我学会了许多关于数字电子技术的知识，当然这些均是理论知识。而这些理论知识在这次的课程设计中起到了关键性作用，这些知识为本次数字电子技术课程设计的进行做好了充分的理论准备。
在课程设计的第一天，老师向我们认真的讲解了本次数字电子技术课程设计的思路，这为今后的课程设计做好了铺垫。
本次课程设计采用分组进行的方式，但我们只是做同一个课题，老师要求我们每一个人都要亲自设计完成一个电路。刚开始时还有些不理解这是为什么，但当我开始正式进行课程设计时我就明白这其中的意义了。几个人一组让我们有了互相学习讨论的伙伴，而自己设计自己的电路又提高了我们自己的独立思考与动手的能力。
在今后的课程设计中，我们每个人都认真的研究自己的课题，遇到不会的问题我们先在小组中讨论，小组成员间认真积极的学习态度，深深感染了我，使我深刻的体会到了团队的力量，也被这种氛围深深的感染，更加积极投身于工作之中。然而人多并不代表一定能成功，我们还是遇到了一些我们无法解决的问题，每到此时我们都会去请教老师，而老师对于我们的每一次提问都是很耐心细致的讲解，这样我们学到了许许多多在课堂上学不到的东西，也培养了我们遇问题先通过查找资料、讨论等方式自我解决的良好习惯。
开始刚刚拿到课题时，我感到很迷茫。但通过课后图书馆的学习以及网上资料的搜集整理和小组成员间的讨论分析，我渐渐的有了思路，而在此之后我则进入到了设计电路的过程。在此过程中我会为每一次仿真的成功而兴奋不已，同样也会为失败而沮丧，每到这时，小组的其他成员都会鼓励我，并且大家都会聚集在一起讨论，研究，分析。大家在一起共同进步，减少了许多弯路，提高了工作的效率。
通过这一次的数字电子技术课程设计，我深刻的体会到了实践的重要性。作为一个当代大学生仅仅会书本上的知识点是无法将它应用到实际中去的，而这样成为我们今后道路上阻碍，所以在平时我们就应该注重实际，多多的将理论同实际联系在一起。
总之，这次课程设计令我终身难忘，因为在这期间我不仅收获了知识，也收获了能力，学到了许多书本上没有的知识。非常感谢学校安排这次数字电子技术课程设计，更要感谢老师的辛苦付出，和小组成员间的帮助与合作。

致 谢
为期五天的数字电子技术课程设计已经结束了，在本次的课程设计中，我首先要感谢老师，同样也衷心的感谢我们这个小组的成员，以及其他给予我帮助的同学，正是由于这些人们的帮助，我的数字电子技术课程设计才能顺利的完成。
感谢老师的细心指导，正式由于有的老师耐心细致的讲解，我对本次数字电子技术课程设计的课题有了深入的理解，同时也对数字电子技术有了更深层次的认识和了解。并在此基础之上完成了理论与实际结合的第一步——仿真。
感谢我们小组的成员，因为有了他们，我不再是一个人在奋斗。在这个小组之中我们一起讨论，一起研究，共同进步。互相帮助将每一个人的长处发挥的淋漓尽致，这是一个优秀的团队。在这里同样让我体会到了合作的重要性，提高了合作精神。
感谢帮助过我的同学们，虽然说有了小组合作提高了我的知识储备，但人数毕竟有限，为此在此期间我也向其他同学请教的不少问题，在这里非常感谢这些同学的热心帮助。
最后感谢学校安排这一次数字电子技术课程设计，通过这次课程设计我收获颇多。

参考文献
[1]康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006
[2]张建华.数字电子技术.北京：北京理工大学出版社，1991
[3]汪一鸣.数字电子技术实验指导.苏州：苏州大学出版社，2005
[4]吕思忠.数字电路实验与课程设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001
[5]汤山俊夫.数字电路设计与制作.科学出版社，2005

附 录
A1 逻辑电路图