数电课设_十字路口交通信号灯定时控制系统.doc

数字电子技术基础课程设计（论文）

课程设计（论文）任务及评语
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课程设计（论文）题目
十字路口交通信号灯定时控制系统
课程设计（论文）任务
设计参数：
（1）主支干道交替通行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒。
（2）每次绿灯变红灯时黄灯先亮5秒。
（3）要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均由同一计数器以秒为单位作减计数。
（4）黄灯亮时原红灯按1Hz的频率闪烁。
（5）计数器的状态由LED数码管显示。
设计要求：
1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。
2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。
3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。
4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。
指导教师评语及成绩

平时成绩（20%）： 论文成绩（60%）：
答辩成绩（20%）： 总成绩 ：
成绩： 指导教师签字：

年 月 日

摘 要

本设计为十字路口交通信号灯定时控制系统，能够实现灵活的交通管理，按照实际情况将干路车辆通行时间长于支路通行时间，并且能够实现绿灯，黄灯，红灯，红灯闪烁的自动控制，同时对每种交通灯状态有倒计时提示的功能。本设计主要由秒脉冲发生器，计数器，控制电路，译码电路，交通灯驱动电路组成。秒脉冲发生器由555定时器接成多谐振荡器实现。计数器由两片74192实现。控制电路由2片JK触发器实现。译码电路和信号灯驱动电路由若干门电路实现。

关键词：交通灯；秒脉冲发生器；计数器；译码电路；控制器；

目 录
第1章 绪论 1
1.1 交通灯控制系统设计意义 1
1.2 设计参数及要求 1
1.3 方案论证 2
1.4 设计总体框图 3
第2章 各单元电路的设计 4
2.1 秒脉冲发生器模块设计 4
2.1.1 秒脉冲发生器的功能 4
2.1.2 秒脉冲发生器的实现 4
2.1.3 555定时器接成的多谐振荡器 4
2.2 控制器模块设计 5
2.2.1 交通灯流程控制图 6
2.2.2 控制器的实现 6
2.3 计数器模块设计 8
2.3.1 74ls192芯片简述 8
2.3.2 构成多进制减法计数器 8
2.4 译码电路模块设计 9
2.4.1 译码电路在系统中的功能 9
2.4.2 译码电路的组成 9
2.5 交通灯驱动电路 10
第3章 整体电路设计与分析 11
3.1 整体电路图及工作原理 11
3.2 电路参数的计算 12
3.3 整体电路的仿真及分析 13
第4章 设计总结 14
参考文献 15
附录 16

III

第1章 绪论
1.1 交通灯控制系统设计意义
随着社会和经济的发展，人均拥有汽车数量的提高，道路交通安全越来越成为人们关注的焦点。交通灯于是日常生活中起到举足轻重的作用。交通灯是指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯，最早出现在19世纪初的英国。那时的信号灯是红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯。需要由一名手持长杆的警察牵动皮带转换提灯的颜色。这时的交通灯浪费人力，由于煤气易爆炸，又很大的安全隐患。直到1914年，才出现了电器信号灯。直到现在设计交通灯的方案已经有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法;有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计;有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。交通灯未来的发展将会更趋于智能化。通过与传感器的结合，能自动感应当地的交通状况，从而自动的调节红绿黄灯的时长。这种交通灯与现在很多地方的只能按照设定的初值计时的交通灯比，能够更好的实现交通管理，避免交通阻塞和保障人身安全。
1.2 设计参数及要求
设计参数：
（1）主支干道交替通行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒。
（2）每次绿灯变红灯时黄灯先亮5秒。
（3）要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均由同一计数器以秒为单位作减计数。
（4）黄灯亮时原红灯按1Hz的频率闪烁。
（5）计数器的状态由LED数码管显示。
设计要求：
1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。
2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。
3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路。
4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

1.3 方案论证
方案一： 为了实现交通灯最多能从29开始倒计时，最先使用的是两片74LS161芯片。74LS161是加计数16进制计数器，我尝试将级联后的计数器所有的输出接上非门后接上数码管。因为如果从0000来时计数，则输出的起点时1111，接下来的数字是0001，去反码后输出为1110，将1110与1111对比可以发现实现了减法计数的功能。但将输出接上数码管是，现实的是乱码。因为数码管的编码方式是一定的，所以此方案理论上虽然可行，但不符合实际的编码情况，故不采用此方法。
方案二： 通过查阅了解到74192芯片具有10进制加减计数的功能，将两片芯片级联，能够最大实现100进制倒计时，满足方案的需求。由于课题的要求，计数器有30s倒计时，20s倒计时，5s倒计时的功能，所以需要预置三个编码。对于每种倒计时的要求，我均可以采用两片74192完成。
方案三： 在方案二的基础上，我通过多个三态门制作成了译码电路，完全能够只用两片74192就能够实现3种状态的倒计时，这种方案与方案二相比，更加节约成本，所以第三种方案最优。
综上所述，对于交通灯计时系统的设计采用方案三。

1.4 设计总体框图
因为计数器和控制电路都需要一个标准的时钟脉冲，在现实生活中，计时是以每秒为单位计时，所以脉冲频率为1Hz。
计数器用来实现30秒倒计时，5秒倒计时和20秒倒计时。
控制电路为时序逻辑电路。能够实现4种状态的转换。它有两个作用，一是控制交通灯的驱动电路，从而控制交通灯的改变，二是控制译码电路，从而控制计数器的计时方式是以30s、5s、还是20s倒计时。
译码电路是先预制好29、5、19的倒计时开始时间，然后通过Q1Q0的状态变化情况输出相应的译码，完成对计数器的倒计时控制。
交通灯驱动电路是将控制电路的Q1，Q0通过门电路来按照要求控制交通灯的变化。如图1.1。
交通灯驱动电路
秒脉冲发生器
控制电路
支干道交通灯
主干道交通灯
显示器
计数器
译码电路
图1.1 交通灯原理总体方案框图

第2章 各单元电路的设计
2.1 秒脉冲发生器模块设计
本模块使用多谐振荡器来实现。它是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的多次谐波，所以将矩形波振荡器称为多谢振荡器。
2.1.1 秒脉冲发生器的功能
因为交通灯控制系统中的计时器，控制器的时钟脉冲以及控红灯闪烁都需要脉冲发生器提供标准的时钟脉冲。在日常生活中，人们所见的交通灯一秒一秒的倒计时，所以脉冲发生器的频率为1Hz。
2.1.2 秒脉冲发生器的实现
产生秒脉冲有多种方法方法。常见的方法有用斯密特触发器构成多谐振荡器和使用石英晶体振荡器来实现。其中石英晶体振荡器应用于对于时钟要求十分准确的电路中，而交通灯电路中对于时钟脉冲的精确度不是很高，所以采用斯密特触发器来构成多谐振荡器。所以在这里，我将采用555定时器，先接成斯密特触发器，在在它的基础上，接成多谐振荡器。
2.1.3 555定时器接成的多谐振荡器
图2.1 多谐振荡器波形图

由图2.1电容上的电压Vcc将在正向阈值电压与反向阈值电压之间往复震荡。
由公式 ：
可以求出对应的R与C的值。先将R1，R2取10千欧 ，将T = 1s 带入公式中，求出C= 48微法。

如图2.2，将2，6引脚相接通过48微法电容接地，并且将结点接上10千欧的电阻，电阻上端接7引脚，7引脚通过10千欧的电阻接电源。5引脚通过0.01微法的电容接地，可以消除高频信号的干扰。
图2.2 555定时器接成的多谐振荡器

2.2 控制器模块设计
依照任务要求，交通灯存在绿灯，黄灯，红灯，红灯闪烁4种不同的状态，能够实现4种状态的循环变化，根据状态转换图以及状态转换表可以写出驱动方程，次态方程。按照方程，连接JK触发器的输入及输出，使具有状态转换的功能。
2.2.1 交通灯流程控制图
主路绿灯，支路红灯持续30s
主路黄灯，支路红灯闪烁持续5s
主路红灯，支路绿灯持续20s
主路红灯闪烁，支路黄灯持续5s
图2.3交通灯流程控制图

2.2.2 控制器的实现
1
1
1
1
00
11
10
01
图2.4 状态转换图
0
0
0
0
由图2.4能够看出控制器有4种状态。4种状态依次设为00、01、10、11

根据状态转换图写出状态转换表。根据电路次态卡诺图得到:
Q1Q0
X
00
01
11
10
0
00
01
11
10
1
01
10
00
11
表2.1 电路次态输出的卡诺图

由JK触发器的驱动方程连接出控制电路如图2.5。

图2.5 控制电路

2.3 计数器模块设计
2.3.1 74ls192芯片简述
实现倒计时功能，需要用到74ls192芯片。此芯片为10进制计数器。如果将时钟脉冲接到CPU上，实现加法计数。如果将时钟脉冲接到CPD上，实现减法计数。众所周知，十字路口的交通信号灯为倒计时，所以用CPD端接时钟。Bo端口为借位信号。CO为进位输出。LD为预置输入控制端，异步预置。 CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。74ls192功能表如图2.6。
图2.6 74ls192功能表

2.3.2 构成多进制减法计数器
将第一片的借位信号连接到第二片的时钟上。当第一片不够减时，会输出一个借位信号，驱动第二片74192工作。当计数器为零时，第二个74192会产生一个借位信号，将bo端接到两片74192的load，两片74192就会从预置数开始重新计数。但是这里会产生一个问题。就是由于第二片的借位信号消失的太快，会使预置数的状态很快消失，计数会发生错误。比如预置数是从29开始，但是真实的计数是从19开始。所以在第二片借位信号后面用两片与非门搭成延时器，让借位信号保留一段时间。十进制29用二进制表示为00101001、十进制19用二进制表示为00011001、十进制4用二进制表示为00000100。比较观察可以发现最高两位都是00，所以将最高两位接地。其余部分连接由译码电路出来的引脚。这样就完成了不同进制的计数。当译码电路给出101001时，计数器就会自动的从29开始计数。19s、4s倒计时也是同样的道理。第二片74192的借位信号还有一个功能，就是让控制电路保持当前的状态一段时间。通过借位信号与时钟脉冲相或。如果计数器有查到零时，就不会产生借位信号，JK触发器就不会得到一个下降沿，JK就会保持这个状态。这是交通灯也会处在对应的状态上。当借位信号产生时遇到时钟脉冲的下降沿时，JK触发器就会向下一个状态跳变。也就使定时器对交通信号灯起到了间接的控制作用。如图2.7所示。

图2.7 倒数计时器

2.4 译码电路模块设计
2.4.1 译码电路在系统中的功能
译码电路在系统中起到了将状态Q1Q0译成对应的编码给预置数端。让计时器能够完成先从29计数到0，再从4计数到0，再从19计数到0，再从4计到0的功能。是整个系统中的重要一环。有了这部分电路，就会使系统自动的运行。控制电路输出对应的状态，译码电路进行相应的译码，计数器执行相应的计时任务，在反过来影响控制电路。通过相互之间的控制进行状态的循环。
2.4.2 译码电路的组成
整体的译码电路分为两个部分。第一部分将00、01、10、11这4中状态译成高电平。实质为2-4译码器。通过门电路实现。Q1Q0为00时，Q1或非Q0的结果为1，并且只有这一种情况为1.Q1Q0为01时，Q1异或Q0在与Q0相与，这有这种情况，结果为1。Q1Q0为10时，Q1异或Q0在与Q1相与，只有这种情况结果为1。Q1Q0为11时，Q1与Q0结果为1，且仅有此情况为1.这就完成对应的译码工作。
第二部分也为译码电路部分。首先将4种编码通过接地和非门编写出101001、011001、000100这三种代码。6位编码的每一位都连接到一个三态门上。将三态门的输出线与到一起。形成6个代码输出端，连接计数器的置数端。三态门的使能端由第一部分的译码电路来控制。因为01、和11两种状态对应的代码是相同的，所以将两种状态的译码输出相或，接到000100代码三态门的使能端上。这里需要说明，三态门的高阻状态相当于电路中的开路状态。不会有输出。之所以将三态门的输出相与是因为这部分电路中只有且仅有一种输出编码的方式，其余的编码不会输出，三态门呈现高祖的状态，不会影响已经输出的编码。用这种方式控制电路虽然结构会相应的复杂些，但会节约很多的成本。用这种方法能够实现只利用两片74192进行计数的工作。如图2.8。
图2.8 译码电路

2.5 交通灯驱动电路
这部分电路相对简单，只需要用简单的门电路就能完成。例如00状态时绿灯亮，只需将Q1、Q0或非，输出的高电平接到绿色的信号灯上。当红灯闪烁时，将输入的高电平信号与时钟时钟脉冲相与，就能完成每秒闪烁的任务。支路的交通灯驱动电路和主路做法相同。如图2.9。
图2.9 交通灯驱动电路

第3章 整体电路设计与分析
3.1 整体电路图及工作原理
将各部分的电路模块组合到一起，就会具有完整的交通灯控制的功能。此电路首先由555定时器接成多谐振荡器，为JK触发器和计数器提供标准的时钟脉冲。JK触发器组成的时序逻辑电路控制整体电路的4种循环状态。
Q1Q0的输出一方面通过交通灯驱动电路控制交通灯的变化，另一方面将输出给译码电路，使译码电路先将00、01、10、11这4种不同的状态译码为100、010、001，来控制三态门的使能端，在通过第二部分的译码电路译码为00101001、0011001、00000100。因为01状态和11状态对应的编码是相同的，所以只需要编写一组编码即可。将译出的编码对应输出给计数器的预置数端。完成29s倒计时，19s倒计时和4s倒计时的任务。计数器高位的低电平借位信号和时钟脉冲的下降沿相或作为控制电路的时钟脉冲。如果JK触发器得不到时钟脉冲，就会保持当前的状态。所以可以使红灯、绿灯或者黄灯只有倒计时结束后才会发生变化。
另外，计数器高位的借位的信号接到两片的Load端，就会回到预置数重新开始计时。但借位信号会随着置数很快的消失。所以在这里需要用两片与非门接成SR触发器来使借位信号保持一段时间。整个电路图各个单元模块紧密相连。通过控制器来控制译码电路，在通过译码电路来控制计数器电路，在通过计数器电路反过来影响控制电路。如图3.1为控制系统整体电路图。

图3.1交通灯控制系统整体电路图

3.2 电路参数的计算
根据任务要求，需要振荡频率为1HZ的时钟脉冲。所以需要计算出555定时器构成的多谐振荡器的振荡周期。先将放点电阻R1，R2设定为10千欧。在通过公示计算出充放电电容为48微法。这个周期正好是我们倒计时电路中所使用的。
3.3 整体电路的仿真及分析
图3.2 整体电路仿真图

第4章 设计总结
通过电路仿真，能够实现主支路交替通行，主路每次放行30秒，支路每次放行20秒，每次绿灯变红灯时黄灯先亮5秒，主、支路通行时间及黄灯亮的时间均由同一计数器以秒为单位作减计数，黄灯亮时原红灯按1Hz的频率闪烁的任务要求。本设计主要由秒脉冲发生器，计数器，控制电路和译码电路组成。秒脉冲发生器由555定时器接成多谐震荡器实现。计数器由两片74192实现。控制电路由2片JK触发器实现。译码电路由若干门电路实现。倒计时的问题由芯片74192解决。借位信号消失过快由SR触发器解决。实现4种状态转换由两片JK触发器来实现。
参考文献
[1] 康华光主编.《电字技术基础（模拟部分）》.第四版北京高等教育出版社.2005年1月.
[2] 邱光源主编.《电路》第五版，北京市高等教育出版社.2006年5月.
[3] 崔玮主编.《Protel 99 SE》.北京市海洋出版社.2005年1月.
[4] 黄智伟主编.《全国大学生电子设计竞赛电路设计》第二版.北京航空大学出版社.2011年1月.
[5]鲁宝春主编.《电子技术基础实验》.东北大学出版社.2011年8月.
[6] 陈永真主编.《全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解》.电子工业出版社.2011年5月.

附录
元件明细列表
序号
元件名称
元件型号
元件数量（个）
1
集成IC
74192
2
2
集成IC

5
3
集成IC
555
1
4
JK触发器

2
5
电阻
10K
2
6
电容
0.01微法
1
7
电容
48微法
1
8
或门

5
9
三态门

18
10
与门

10
11
与非门

2
12
异或门

1
13
非门

2
14
数码管

2

23