自动化课程设计  交通灯

目录

1 设计目的………………………………………………………4

2 设计思路………………………………………………………4

3 设计过程………………………………………………………4

3.1方案论证……………………………………………………4

3.2电路设计……………………………………………………6

3.2.1秒脉冲发生器………………………………………………………6

3.2.2定时器………………………………………………7

3.2.3控制器………………………………………………9

3.2.4译码电路……………………………………………10

3.2.5显示部分……………………………………………11

3.2.6总原理图……………………………………………12

4系统调试与结果………………………………………………12

5主要元件………………………………………………………12

6 结论……………………………………………………………13

7设计心得体会…………………………………………………13

8 附录……………………………………………………………13

  8.1总原理图……………………………………………………13

  8.2 PCB图………………………………………………………14

9参考文献…………………………………………………………14

交通灯控制电路

摘要：交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车辆的流量，提高交叉路口车辆的通行能力，减少交通事故。本交通灯设计主要由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路组成。秒脉冲发生器由NE555产生脉冲，定时器由74LS160实现，控制器由74LS153和74LS74组成，译码电路采用74LS48和七段数码管来显示。控制器通过ST信号对定时器进行控制，从而显示红黄绿灯的转换。

关键字：交通灯  控制器  秒脉冲发生器  定时器  译码器

1 、设计目的

（1）熟悉集成电路的引脚安排。

（2）掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。

（3）了解面包板结构及其接线方法。

（4）了解数字交通灯控制电路的组成及工作原理。

（5）学会用仿真软件对设计的原理图进行仿真。

（6）熟悉数字交通灯控制电路的设计与制作。

2、设计思路

（1）设计秒脉冲发生器

（2）设计交通灯定时电路

（3）设计交通灯控制电路

（4）设计交通灯译码电路

（5）设计交通灯显示时间电路

3 设计过程

3.1方案论证

方案一   用数电电子技术来实现交通灯控制

    交通灯控制系统的原理框图如图1-1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：

　　TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。

　　TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。

　　ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

　　

             图1-1 系统的原理框图

交通灯控制器的ASM 如图1-3所示

　　（1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。

　　（2）乙车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

　　（3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

　　（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。

交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表1、2所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下表1-2规定：

表1-2

由此得到交通灯的ASM图，如 图1-3所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），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ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。

图1-3  交通灯的ASM图

方案二  用单片机技术来实现交通灯控制

        用单片机技术来来实现交通灯控制是最容易实现的，而且该电路可靠性也很高，但是这是要求设计者要有单片机编程的基础上才能完成设计。由于本人单片机编程基础不是很好，所以选用了数字电子技术来实现交通灯控制。

3.2．单元电路的设计

3.2.1秒脉冲发生器

秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R8=15K、R9=68K,C3=10uF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1-4所示， R9=68K、C3=10uF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1-4   秒脉冲发生器原理图

秒脉冲还可以由芯片CD4060和74LS74及其外围电路构成如图1-4-4，该电路选用石英晶体结构成振荡器，在经过分频电路得到秒脉冲。振荡器的频率越高，计时精度越高。如果精度要求不高也可以采用集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器以及由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。因此，该设计选着由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器来产生秒脉冲。

                图1-4-4  石英晶体和分频器构成的秒脉冲发生器

3.2.2定时器

定时器由与系统秒脉冲（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进行设计较简便。74LS160是10进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。74LS160功能表如表4-1所示。

表4-1

表中RD’是低电平有效的同步清零输入端，LD’是低电平有效才同步并行置数控制端，EP、ET是计 图1-3 交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q 3是数据输出端。设计如图1-5

                   

 图1-5  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3.4.5.6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。

除此，还可以用74LS163来实现这个定时器。但是由于该芯片不是十进制的计数器，因此在进位时要加上一个与门，设计如下图1-5-5。因为该电路与1-5的定时电路多用了一个与门，因此不选用。

             图1-5-5  由74LS193构成的定时电路

3.2.3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1-6所示。选用两个D触发器74LS74做为时序寄存器产生 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；如果，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1-6 控制器状态转换表

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的项所对应的输人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，即可得到下面的方程：

 

   

    根据以上方程，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1-7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种状态的相互交换。

图1-7  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。

3.2.4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，翻译成甲、乙车道上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1-8所示。表中A、B代表甲、乙车道。

表1-8  控制器状态编码与信号灯关系表

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；TL、TL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。电路图设计如图1-9

图1-9译码器部分原理图

3.2.5显示部分

显示部分由74LS48和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。其设计如图1-9

            图1-9  由74LS48和数码管组成的电路

4系统调试与结果

（1）组装调试秒脉冲电路。

（2）进行定时电路的组装和调试。当输人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时，能输电有效的定时时间到信号。

（3）调试交通灯控制器以及显示部分。

（4）判断各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。

最终调试如下：

接上电源,便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为25秒，甲车道方向绿灯亮，行人车辆都可自由通行；乙车道方向车道的红灯亮，车辆禁止通行。时间显示器从预置的0秒，以每秒增1，增到25到0时，甲道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。从增至5秒又到0后时甲车道的黄灯转换为红灯；乙车道的红灯转换为绿灯。如此循环下去。

5主要元件

集成电路：NE55—1片  74LS160—2片 74LS08—2片 74LS04—2片 

74LS153—2片 74LS74—2片  74LS48—2片 5106AS—2片

74LS20—1片（74LS04芯片含有4个非门，08、20芯片同上）

电阻： 200欧姆—9个 15K欧姆—1个  68K欧姆—1个   

电容： 0.01uF—1片  10uF—2片

其他：发光二极管—6个

6、结论

1、能实现的功能

    交通灯的状态转换和计时时间的显示，基本能实现甲、乙道路直行和转弯灯的显示功能。

2、不足之处

    交通灯中没有右转灯，用的芯片太多。

7、设计心得体会

开始拿到题目的时候，不知道怎么去做,因为已经有半年没看数电了，自己对这门课的设计都不是很会，对很多的芯片的功能都不是很清楚，而且还要带一个专升本的同学去做这个设计，所以做得特别认真。从收集资料到仿真在到做实物一共用了半个月的时间。在做PCB板的时候，花了很长的时间去布线，由于芯片太多，线很乱不得不手动布线，一共用了一天的时间才做好。

   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,但是控制器控制信号灯不是很好。虽然花了很多的时间，但学到了很多东西。做课程设计的时候,自己把整个书本都看了几遍，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，我想了很多种方案，对同一个问题(像计数器的接法)都想了很多种不同的接法，运用不同的芯片进行了比较，最后还是采取了上面的方法进行连接。

8 、附录

8.1总原理图1-10和1-11（如下）

                     图1-10   仿真图一

                   图1-11  仿真图二

8.2 PCB图

9、参考文献

[1] 康华光. 电子技术基础. 北京：高等教育出版社，1999年

[2]罗杰等编. 电子技术基础试验. 北京：高等教育出版社，20##年

[3] 金唯香等编. 电子测试技术. 长沙：湖南大学出版社，20##年

[4] 阎石. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，20##年

第二篇：数电交通灯课程设计.doc

2、设计思路

（1）设计秒脉冲发生器

（2）设计交通灯定时电路

（3）设计交通灯控制电路

（4）设计交通灯译码电路

（5）设计交通灯显示时间电路

3 设计过程

3.1方案论证

方案一 用数电电子技术来实现交通灯控制

交通灯控制系统的原理框图如图1-1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： TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。

TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。

ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

(1)

图1-1 系统的原理框图

交通灯控制器的ASM 如图1-3所示

（1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。

（2）乙车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过

停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

（3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。

交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表1、2所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下表1-2规定：

(2)表1

由此得到交通灯的ASM图，如 图1-3所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），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ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。

(3)

图1-3 交通灯的ASM图

3.2．单元电路的设计

3.2.1秒脉冲发生器

秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R8=15K、R9=68K,C3=10uF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1-4所示， R9=68K、C3=10uF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1-4 秒脉冲发生器原理图

秒脉冲还可以由芯片CD4060和74LS74及其外围电路构成如图1-4-4，该电路选用石英晶体结构成振荡器，在经过分频电路得到秒脉冲。振荡器的频率越高，计时精度越高。如果精度要求不高也可以采用集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器以及由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。因此，该设计选着由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器来产生秒脉冲。

图1-4-4 石英晶体和分频器构成的秒脉冲发生器

3.2.2定时器

定时器由与系统秒脉冲（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 2

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进行设计较简便。74LS160是10进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。74LS160功能表如表4-1所示。

表2

表中RD’是低电平有效的同步清零输入端，LD’是低电平有效才同步并行置数控制端，EP、ET是计 图1-3 交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q 3是数据输出端。设计如图1-5

图1-5 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3.4.5.6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1-6所示。选用两个D触发器74LS74做为时序寄存器产生 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；如果，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3

根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q

1n+1、Q0n+1和 ST为1的项所对应的输人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，即可得到下面的方程：

3

根据以上方程，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1-7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种状态的相互交换。

图1-7 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。

3.2.4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，翻译成甲、乙车道上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1-8所示。表中A、B代表甲、乙车道。

表4

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；TL、TL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。电路图设计如图1-9

图1-9译码器部分原理图

3.2.5显示部分

显示部分由74LS48和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。其设计如图1-9

图1-9 由74LS48和数码管组成的电路

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