复件+06电气-1-5-交通灯控制电路设计.docx

摘 要
本文着眼于目前普遍应用在城市道路上的交通灯控制系统，从课程设计的题目要求出发，设计了一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路。
首先进行交通灯状态变换的分析和交通灯总体框架的设计，接着提出了2种电路设计方案，通过优劣比较后选定了方案2：先设计让倒计时显示器按规律运行的电路，再通过倒计时电路的信号来控制交通灯按4种状态循环变换。
电源电路采用9V变压器、整流桥和稳压管，使220V的交流电转换为5V的直流电。4Hz方波脉冲由555定时器产生，再由74LS193实现4分频，最终输出1Hz的脉冲信号；用两块74LS193实现倒计时，一块显示十位，一块显示个位，用2个D触发器74HC74实现30s，20s，5s时间的转换；利用倒计时电路控制4个状态。最后通过74LS138和相应的逻辑门实现对交通灯亮灭的控制。

关键词 交通灯 控制电路 proteus仿真 电路设计

目 录
1设计任务及指标 1
2交通灯控制电路分析 2
2.1交通灯运行状态分析 2
2.2电路工作总体框图 3
2.3方案比较 3
3交通灯控制电路设计 4
3.1 电源电路 4
3.2 脉冲电路 4
3.3 分频电路 6
3.4 倒计时电路 6
3.5 状态控制电路 8
3.6 灯显示电路 9
3.7 总体电路图 11
4实验数据和误差分析 12
5课程设计的收获、体会和建议 13
6致谢 16
7参考文献 17
8附录 18

1 设计任务及指标
设计一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路。
要求如下：
（1）南北方向（主干道）车道和东西方向（支 干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30s、支干道每次通行间为20s；
（2）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示（采用倒计时的方法）；
（3）在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5s钟，才能变换运行车道；
（4）黄灯亮时，要求每秒闪亮一次；
（5）同步设置人行横道红、绿灯指示。
（6）设计相关提示：所设计的交通路口为一十字路口，不涉及左右转弯问题。

2 交通灯控制电路分析
2.1 交通灯运行状态分析
交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯的运行状态共有四种，分别为：
状态0：东西方向车道的绿灯亮，车道，人行道通行；南北方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行。
状态1：东西方向车道的黄灯亮，车道，人行道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；
状态2：东西方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道，人行道通行；
状态3：东西方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道，人行道缓行；
4种状态循环往复，并且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。交通灯电路的具体运行状态框图如图2.1(人行道交通灯未标明)所示：
北

图2.1交通灯运行状态分析图

2.2 电路工作总体框图
交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图2.2所示，有电源电路，脉冲电路，分频电路，倒计时电路，(交通灯)状态控制电路，灯显示电路。

脉冲电路
分频电路
倒计时电路
显示器
状态控制电路
灯显示电路
电路
电源电路
供电
图2.2 交通灯控制电路功能模块框图

2.3 方案比较
从交通灯控制电路功能模块框图可知在倒计时电路，状态控制电路，灯显示电路这三块电路产生设计分歧。所以实现交通灯控制电路可以有2种方案：
(1)先设计出让交通灯按4种状态循环变换的灯显示电路，再通过灯的状态控制倒计时显示器的显示的功能；
(2)先设计让倒计时显示器按规律运行的电路，再通过倒计时电路的信号来控制交通灯按4种状态循环变换；
方案1，2均符合设计的要求，但通过具体实践和分析方案1显示电路需要比较多的芯片，其电路不是太复杂，但是过程比较繁琐。而方案2让显示电路来控制灯的发亮，这样显示电路就不受其他信号的影响，并且通过显示电路来控制交通灯的状态变换比较容易。综上所述，选择方案2来设计具体的电路。

3 交通灯控制电路设计
3.1 电源电路
电源电路主要由整流、滤波、稳压三部分组成，用于供给数字电路的工作电源。
整流部分由变压器与整流桥KBP210G组成。220V、50Hz的交流输入经过变压器之后，输出9V、50Hz的交流电压。该电压输入整流桥，整流桥由四只整流二极管接成电桥的形式组成。整流桥输出8.1V的直流电压。
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，由1mF的电容组成电容滤波电路。电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小，适合负载电压较高，负载变动不大的场合。
稳压电路用于稳定电压的输出，由三端集成稳压器L7805和电容组成。C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C4用于减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。

图3.1 稳压电源

3.2 脉冲电路
利用555定时器为主组成多谐振荡器，输出4Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。555定时器的原理图如图3.2所示，功能表如表1所示：

图3.2 555定时器原理图

表1 555定时器功能表
输入
输出
阀值输入()
触发输入()
复位()
输出()
放电管T

0
0
导通

1
1
截止

1
0
导通

1
不变
不变

组成的脉冲电路如图 3.3所示：

R2
R1

图3.3 脉冲电路

根据功能表和电路图计算如下：

取R1=10kW，R2=10 kW，C=1.6uF。即可实现输出4Hz的矩型方波。
值得注意的是，在输出端接上了一个开关，可以控制系统工作的开始和暂停。

3.3 分频电路
分频电路利用计数器74LS193来实现，根据上面计算取4分频，即输出为端，电路如图3.4所示：

时间脉冲

图3.4 分频电路

3.4 倒计时电路
十字路口要有数字显示，作为倒计时提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每s减1的计数方式工作，直至减到数为5和0，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。根据题目的要求南北方向（主干道）车道和东西方向（支 干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30s、支干道每次通行时间为20s。也就是一个循环是50s，如此先显示30s后显示20s倒计时，然后再显示30s倒计时，以此类推。
设计时采用两块74LS193，一块是显示十位，一块是显示个位。个位接成十进制，从9开始倒计时，当到达0时，向高位发出一个借位信号，再继续从9倒计时。一开始使十位数置数为3，二进制为0011，个位数为0，二进制为0000，此时个位产生一个借位信号给十位的脉冲输入端，十位的74LS193芯片倒计时一次，结合个位的设置，电路从30开始倒计时。当主车道绿灯亮了25s，倒计时也已经数到了5了，此时，个位显示5，十位显示0，主车道的绿灯熄灭，主车道的黄灯开始倒计时闪亮5s，当倒计时到0后，个位芯片74LS193发出一个借位信号，向高位借数，但是高位已经是0了，按照要求此时十位应该是从0翻转2，即二进制0010，为了实现这功能，通过研究十位的二进制数发现，十位的二进制是从0011、0010、0001到0000计数完，翻转为二进制0010，然后从0010、0001到0000倒计时，当到0000后就结束一个循环，又从0011开始新的一个循环。从二进制0011和0010两个不同的预置数，发现可以用1个D触发器74LS74接成T触发器并把Q端接至十位倒计时的最低位来完成这个功能。高位产生借位信号时将Q端的信号置入，当这个借位信号（低电平）消失后，产生一个上升沿的脉冲信号，使T触发器翻转然后保持，下一个借位信号来时就把此时的Q值置入（此时Q值为原来的非，即由0变1或由1变0），然后翻转。通过以上置数方式可实现0011和0010的交替置入。另外，通过在特定时刻（倒计时高位由0000变为0010后）对T触发器进行清零，可实现主次干道通行时间的调整。最后将电路的倒计时接到译码器74HC4511，再接到共阴极数码显示管上显示十进制数字。据此画出倒计时电路如图3.5所示：

图3.5 倒计时电路
3.5 状态控制电路
如图2.1，用倒计时控制灯的变化，先将图示状态0、1、2、3编码为00、01、10、11，当倒计时为30、20、5的时候产生一个信号给状态转换的电路，而这个信号是电平信号的话就很难实现，所以又用了边沿触发，此时用计数器表示状态，取其低两位的计数态00、01、10、11为灯的状态，这样的话，来一个边沿信号就能使计数器加一，实现上述四状态转换。画出状态控制电路信号转换表如表2所示：

表2 状态控制电路信号转换表
高位
低位
状态转换信号

CP（）
0011
0000

0010
0000

0000
0101

由表得出CP（）的表达式：

电路图如图：
控制脉冲

图3.6 状态控制电路

3.6 灯显示电路
首先要把控制的脉冲接入计数器74LS193的非减数的脉冲端，因为脉冲主要有四个，四个为一个循环，只取计数器的低位两位即可，除了让计数器工作的接入端需要接电平外，其他端都不用接，再将计数器的低两位接入译码器74LS138的低位两端，从译码器输出四位、、、信号，低电平有效，每一种低电平表示一种状态，用、、表示主干道的绿灯、黄灯、红灯，用、、表示支干道的绿灯、黄灯、红灯，用、表示主干道方向上的人行道，用、表示支干道上的人行道，得出状态表如表3所示。

表3 灯显示电路状态表
状态
译码信号
主车道
支车道
主人行道
支人行道

00
1110
1 0 0
0 0 1
1 0
0 1
01
1101
0 1 0
0 0 1
1 0
0 1
10
1011
0 0 1
1 0 0
0 1
1 0
11
0111
0 0 1
0 1 0
0 1
1 0

由表得个各个灯的表达式：
=
=
=
=
=
=
=+=+
==
=+=+
==

为了让黄灯能每s闪亮一次，可以在黄灯那里加入一个与门，把黄灯发亮的信号当成是与门的开通信号，与门的另一端接入时间脉冲，那么黄灯就可以实现每s闪亮一次的功能了。画出灯显示电路如图3.7所示：
红灯
主车道
绿灯
红灯
人行道
行人道
绿灯
红灯
黄灯
红灯
绿灯
绿灯
黄灯
支车道
时间脉冲
控制脉冲

图3.7 灯显示电路

3.7 总体电路图
根据上面各功能电路的设计整合，用proteus仿真软件画出总体电路图如3.8所示：

图3.8 交通灯控制电路

4 实验数据和误差分析
1电源电路：
表4 电源电路误差分析表

理想值
实验值
误差
电压输出
5v
5.04v
0.8%

结论：与理想值相差微小，原因为元器件本身问题，符合设计要求。

2 十字路口交通灯转换数据统计:
表5 交通灯转换数据统计表
次数
主干道
支干道
20次
绿黄
黄红
红绿
绿黄
黄红
红绿
正确
正确
正确
正确
正确
正确

结论：干道交通灯转换无问题。

3 人行道交通灯转换数据统计：
表6 人行道转换数据统计表
次数
主干道
20次
绿闪
闪红
红绿
正确
正确
正确

结论：人行道交通灯转换无问题。

4 调试中发现倒计时的过程中，从20倒计时至00，再变为30或是从30倒计时至00，再变为20，都有一瞬间有短暂的加快计数状态，本来是一秒倒计一次，但实际上可能是0.7s左右。
结论：这样的误差很小，不影响整个系统的功能。

5 课程设计的收获、体会和建议

致 谢
感谢学校给我们锻炼的机会，感谢老师们的指导，在组员们的努力下，和同学们的互相帮助，互相启示，最终设计出电路来，非常感谢在过程中帮助过我们的每一个人！
在电路设计和论文写作的过程中，得到了许多同学的宝贵建议，同时还得到他们的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。
最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！

参 考 文 献
[1]康华光.电子技术基础模拟部分.第5版.北京：高等教育出版社，2006 .485-500
[2]康华光.电子技术基础数字部分.第5版.北京：高等教育出版社，2006.1-430
[3]刘明丹. 基于数字电路对交通灯控制的研究与设计. 实验技术与管理.2005，22(6)：03-06
[4]任中民. 交通灯数字控制系统的电路设计.辽宁省交通高等专科学校学报.2005，7(2)：45-46
[5]陈宗梅. 交通灯控制系统电路设计. 重庆职业技术学院学报.2005，14(2)：124-125

附录一 交通灯控制电路

附录二 各芯片引脚图

74LS193 74LS138

附录三 电子元器件清单
元器件
数量
开关
3
发光二极管
10
2 位共阴极数码管
2
14 脚管脚
9
16 脚管脚
7
24 脚管脚
2
8 脚管脚
1
可调电阻（10k）
1
555 计数器
1
74LS193
4
74LS04
4
4511
2
74LS00
2
74LS74
1
74LS138
1
74LS32
1
74LS20
1
导线 电阻 电容
若干