交通信号灯课程规划设计报告.doc

目录 1.前言前言3 2 总体方案设计总体方案设计4 2.1 方案论证与比较方案论证与比较4 2.2 方案的选择方案的选择6 3 单元模块设计单元模块设计7 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计各单元模块功能介绍及电路设计7 3.1.1 秒脉冲发生器7 3.1.2 定时器7 3.1.3 控制器9 3.1.4 译码电路11 3.1.5 显示电路11 3.1.6 总原理图12 3.2 特殊器件的介绍特殊器件的介绍13 3.2.1 74LS16013 3.2.2 74LS15314 3.2.3 74LS7415 3.2.4 CD451116 3.2.5 NE55517 4 系统调试系统调试19 5 系统功能、原件系统功能、原件 20 5.1 系统能实现的功能系统能实现的功能20 5.2 主要元件主要元件20 6 结论结论 21 7 总结与体会总结与体会 22 8 致谢致谢 23 9 参考文献参考文献24 附录：附录：25 1.1.前言前言 在城镇街道的十字交叉路口，为保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各 有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该 条道路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；绿灯亮表示该条 道路允许通行。交通信号灯控制器自动控制十字路口两组红、黄、绿交通信号灯的状 态转换，指挥主、从干道上各种车辆和行人的安全通行，实现十字路口交通管理的自 动化。自从交通信号灯产生后其内部控制电路几经完善使其更加合理与人性化，科技 含量不断提高，各种新型算法的诞生使得控制理论向着智能化方向迈进，前人的基础 上给信号控制器的进一步发展提供了宽阔的平台与一定的技术基础。 该设计是利用数字电路实现对交通灯的控制，可以提高其时间上的准确度及抗干 扰能力，提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯 的状态转换的方法，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。 因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。 本实验设计目的是培养数字电路的能力，掌握交通信号灯控制电路的设计方法。设计 要求：1.两干道路灯亮的时间同为 25 秒；2.每次由绿灯变为红灯时，应有 5 秒黄灯亮 作为过渡；3.分别用红、黄、绿发光二极管表示信号灯；4.设计计时显示电路。实验 设计由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路组成。其中秒脉冲发生器由 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 CD4511 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。 设计过程中参考了一些相关文献，包括电子技术基础，电子技术课程设计实用教 程，及西华大学图书馆内相关藏书。本实验用 portues7.8 软件仿真实现。 由于所学知识有限，设计中难免出现错误，请老师批评指正。 2 2 总体方案设计总体方案设计 2.1 方案论证与比较方案论证与比较 方案一方案一 用数电电子技术来实现交通灯控制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 2.1 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 2.1 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 2.1 规定： 表 2.1 系统状态表 控制状态信号灯状态车道运行状态 S0（00）甲绿、乙红甲车道通行，乙车道禁止通行 S1（01） 甲黄、乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行 S3（11）甲红、乙绿甲车道禁止通行，乙车道通行 S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，乙车道缓行 AG=1甲车道绿灯亮甲车道通行 BG=1乙车道绿灯亮乙车道通行 AY=1甲车道黄灯亮甲车道缓行 BY=1乙车道黄灯亮乙车道缓行 AR=1甲车道红灯亮甲车道禁止通行 BY=1乙车道红灯亮乙车道禁止通行 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 方案二方案二 用单片机技术来实现交通灯控制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非常容易实现，过程简单，用到的器件较少， 并且控制信号稳定。但是单片机编程叫复杂，要求有一定单片机编程基础。 2.2 方案的选择方案的选择 方案一与方案二比较之后，由于本人单片机基础薄弱，编程不易实现，而方案一 相交而言容易实现，且能很好的运用所学数电知识，因此选择方案一。 3 3 单元模块设计单元模块设计 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计各单元模块功能介绍及电路设计 3.1.1 秒脉冲发生器秒脉冲发生器 秒脉冲发生器由 NE555 电路及外围电路组成，其中 R8=28K、R9=57K,C2=1nF 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=9uF 是为了保持输出的波形的稳定。 如图 3.1.1 所示， R9=57K、C3=9uF 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 3.1.1 秒脉冲发生器 3.1.2 定时器定时器 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 3.1.2 所示。 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，D0D3 是并行数据输入端，Q0Q 3 是数据输出端。设计如图 3.1.2 表 3.1.2 74LS160 功能表 图 3.1.2 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。 CLK RD LD EP ET工作状态 X X X 0 1 1 1 1 X 0 1 1 1 X X X X 0 1 X 0 1 1 置零 预置数 保持 保持（C=0） 计数 3.1.3 控制器控制器 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 3.1.3 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 3.1.3 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 3.1.3 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。 图图 3.1.33.1.3 控制器控制器 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。 3.1.4 译码电路译码电路 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 3.1.4 图 3.1.4 译码电路 3.1.5 显示电路显示电路 显示部分由 CD4511 和共阴极七段数码管组成，CD4511 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 3.1.5 图图 3.1.53.1.5 显示电路显示电路 3.1.6 总原理图总原理图 电路总原理图如下图：电路总原理图如下图： 图图 3.1.63.1.6 总原理图总原理图 3.2 特殊器件的介绍特殊器件的介绍 3.2.1 74LS160 74LS160 为可预置的十进制同步计数器，共有 54/74160 和 54/74LS160 两种线路 结构型式。160 的清除端是异步的。当清除端/MR 为低电平时，不管时钟端 C 盘状态如 何，即可完成清除功能。160 的预置是同步的。当置入控制器/PE 为低电平时，在 CP 上升沿作用下，输出端 Q0-Q3 与数据输入端 P0-P3 一致。对于 54/74，当由 低至高跳变前，如果计数控制端，为高电平，则应避免由低至高 电平的跳变，而无此中限制。引出端符号： TC 进位输出端 CEP 计数控制端 Q0Q3 输出端 CE计数控制端 CP 时钟输入 端（上升沿有效） /MR 异步清除输入端（低电平有效） /PE 同步并行置 入控制端（低电平有效） 3.2.2 74LS153 是双选数据选择器多路选择器。里面有两个地址 码共用的选数据选择器。通过输入不同的地址码，可以控制输出选 个输入数据中的一个。 结构图如图 3.2.2： 图 3.2.2 74153 结构图 功能表如表功能表如表 3.2.23.2.2： 表表 3.2.23.2.2 7415374153 功能表功能表 3.2.3 74LS74 74LS74 为带预置和清除端的两组型触发器，共有 547474、54/74S74 等四种结构路 线形式，其主要电特性如表 3.2.3.1： 表 3.2.3.1 74LS74 特性表 引脚含义如下： 1CP、2CP 时钟输出端 1D、2D 数据输入端 1Q、2Q、1Error!Error!、2Error!Error! 输出端 CLR1、CLR2 直接复位端（低电平有效） PR1、PR2 直接置位端（低电平有效） 逻辑图如图 3.2.3： 图 3.2.3 74LS74 逻辑图 功能表如表功能表如表 3.2.3.23.2.3.2： 表表 3.2.3.23.2.3.2 74747474 功能表功能表 3.2.4 CD4511 CD4511 是用于驱动共阴极 LED（数码管）显示器的 BCD 码-七段码译码器，特点： 具有 BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电 流。可直接驱动显示器。引脚如图 3.2.4 所示。其中 a,b，c,d 为 BCD 码输入， a 为最低位。LT 为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一 直显示数码“8” ，各段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI 为消隐功能端，低电 平时使所有段均消隐，正常显示时，B1 端应加高电平。另外 CD4511 有拒绝伪码的特点， 当输入数据越过十进制数 9 时，显示字形也自行消隐。LE 是锁存控制端，高电平时锁 存，低电平时传输数据。a-g 是 7 段输出，可驱动共阴 LED 数码管。 CD4511 引脚如图 3.2.4： 图 3.2.4 CD4511 引脚图 其功能如下： BI：4 脚是消隐输入控制端，当 BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段 数码管均处于熄灭状态，不显示数字。 LT：3 脚是测试输入端，当 BI=1，LT=0 时，译码输出全为 1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8” 。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当 LE=0 时，允许译码输出。LE=1 时译码器是锁定保持 状态，译码器输出被保持在 LE=0 时的数值。 A1、A2、A3、A4 为 8421BCD 码输入端。 A、b、c、d、e、f、g：译码输出端，输出为高电平 1 有效。 3.2.5 NE555 NE555 引脚图如图 3.2.5： 图 3.2.5 NE555 引脚图 NE555 功能介绍： 1 脚为地。2 脚为触发输入端；3 脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而 触发 器受上比较器 6 脚和下比较器 2 脚的控制。 当触发器接受上比较器 A1 从 R 脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态， 3 脚输出 低电平； 2 脚和 6 脚是互补的，2 脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压 小于 1Ucc/3， 此时 3 脚输出高电平。6 脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用， 即输入 电 压大于 2Ucc/3，称高触发端，3 脚输出低电平，但有一个先决条件，即 2 脚电位必 须大于 1Ucc/3 时才有效。3 脚在高电位接近电源电压 Ucc，输出电流最大可打 200mA。 4 脚是复位端，当 4 脚电位小于 0.4V 时，不管 2、6 脚状态如何，输出端 3 脚 都输出低 电平。 5 脚是控制端。 7 脚称放电端，与 3 脚输出同步，输出电平一致。 4 4 系统调试系统调试 （1）组装调试秒脉冲电路，如图 4.1。 图 4.1 秒脉冲 （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，输入信号后，数码管能正确显示数字，且能按 照设置递增，从 0 至 25，如图 4.2，图 4.3。 图图 4.24.2 数码管仿真图数码管仿真图 图图 4.34.3 数码管仿真图数码管仿真图 （4）当输入脉冲后，观察信号灯是否按照要求亮，如图 4.4，图 4.5，图 4.6，图 4.7。 图 4.4 信号灯仿真 1 图 4.5 信号灯仿真 2 图 4.6 信号灯仿真 3 图 4.7 信号灯仿真 4 （5）判断各部分电路之间的时序配合关系，检查电平的变化，是否符合电路的要求。 最终调试结果如下： 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，从 0 增到 25 时，甲道的绿灯转换为黄灯， 其余灯都不变。从 0 增到 25 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 5 系统功能、原件系统功能、原件 5.1 系统能实现的功能系统能实现的功能 系统供上电之后，秒脉冲发生器发出脉冲，各部分开始工作，数码管上开始计时， 从 0 到 25，并且同时甲车道的绿灯亮，乙车道的红灯亮，甲车道的行人与车辆正常通 行， 当数码管计时到 25 时，甲车道未过线的车辆禁止通行，并且在数码管计时变为 0 时， 乙车道的黄灯亮，数码管计时 5 秒，这期间甲乙车道的车辆都禁止通行，当数码管计 时 5 秒之后，甲车道黄灯亮，乙车道绿灯亮，数码管重新从 0 开始计时到 25，而此时， 乙车道的车辆与行人通行，甲车道的车辆与行人禁止通行。当数码管计时到 25 秒时， 乙车道黄灯亮，甲乙车道车辆禁止通行，当数码管计时 5 秒之后，重新计时，如此循 环。 5.2 主要元件主要元件 主要元件如表 5.2,。 表 5.2 主要元件 共阴极数码管2 片 CD4511 2 片 74LS160 2 片 74LS153 2 片 74LS74 2 片74LS08（与门）4 片 74LS00（与非门）2 片非门3 片 6 6 结论结论 本设计基本达到要求，实现了控制甲乙干道车辆的通行，由于课程设计过程的要求 故通行时间设置为 25 秒，中间过渡时间设置为 5 秒。而在现实中可以把时间加长，以 达到现实的要求。本实验设计优点在于交通灯的控制上加了计时器，使得人们可以更 具时间来调整车速，并且可以是的交通灯的时间控制变得更准确，抗干扰能力更强。 而本设计的缺点就是没有设计出可以控制干道车辆转弯的信号，并且在时间控制上 如果采用倒计时就会更加完美。但是由于水平的原因，没有设计出这两个问题的解决 办法。目前所知到的有，可以用 74ls192 来代替 CD4511，因为 74192 是可预置数的倒 计时译码器，可以设计出倒计时的计时器，但是这样就会使得其他部分的逻辑电路设 计变得更加难。而在转弯的问题上，则在显示上遇到了一定问题，由于显示不能用灯 来控制，需要带箭头的电子屏幕，而这样的显示不会使用和控制，也不易找到，并且 同上一个问题一样，加上了这部分之后，逻辑电路变的复杂，不易设计出来。 本设计只是基本达到要求，能实现提出的基本要求，其中的不足，请老师指正。 7 7 总结与体会总结与体会 这个课程设计的任务用时两周多的时间。在这段时间里我们几乎用尽了一切能想到 的办法，进了最大的努力。但我感觉还是不太成功。原因是多方面的，第一点，我觉 本次选的课程设计任务并不太难，而我们花了两周的时间本身就是一种办事效率低下 所导致的， 我们的学习工作以及生活中都将注意这一点，毕竟现在社会运行是非常的 高效。这一点我将在以后的学习生活中不断的加强这个方面的要求，争取成为一个办 事高效的人。 第二点，本次课设所用到的内容都是以前所学过的，但是我发现对以前学的内容掌 握的和自己想象的还有很大差距。很多东西我们在课堂上学了但是下来没有及时的复 习，导致了现在不能及时拿来运用。还有一点在学习中是一个很大的误区，我们很多 时候为了应付考试并没有将许多本应该学懂学透的内容真正掌握，这也直接导致我在 课设的时候不能灵活运用那些知识。这是我们在以后的学习中一定要认识的一点。 第三点，通过本次课程设计我还真切的认识到理论联系实际在实践中并不是我们想 象中的那么容易，很多东西可能在理论上我们掌握了，但要在实践中自如的运用还需 要多多的锻炼。毛主席说过“没有调查就没有发言权”确实是一句实话 。在实践中我 们可以更好的理解课本上的内容，因此我们还需要更多的理论联系实际的练习。 第四点Portues 仿真软件使用的很少，现在要用了，它的很多功能都不知道。通 过这次课设，加强了我动手、思考解决问题的能力。现在设计已经做好了，虽然花了 很多时间，但学到了很多东西。 第五点，我通过本次课设看到互相帮助的力量，培养了同学之间的默契与协作能力， 也加教会了我们合作。 8 8 致谢致谢 感谢*老师，以及我的室友和同学在我课设过程中给了我极大的帮助和鼓励。 在以后的学习生活中，我将努力提高自己的能力，知恩图报，不负他们给予的帮 助。 9 9 参考文献参考文献 1 彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，2006 2 康华光.电子技术基础模拟部分（第 5 版）M北京：清华大学出版社， 2006 3 谢自美.电子线路设计.实验.测试M，华中科技大学出版社，2006 年 8 月 4 电子技术实验指导书M，西华大学，2010.10； 165-171 页 5 阎石主.数字电子基础基础编.M .高等教育出版社 2006 版 6姚福安.电子电路设计与实践M，山东科技技术出版社，2001 年 10 月 7王橙非.电路与数字电路设计实践M，东南大学出版社，1999 年 10 月 8李银华.电子线路设计指导M，北京航空航天大学出版社，2005 年 6 月 9李莺、罗毅.超高频数字频率计的设计J，重庆邮电大学学报，2007 年 6 期 10龙驹.基于 proteus 数字频率计的设计 J，数字技术与应用，2010 年 8 期 11 曲学基等.稳定电源电路设计手册M. 北京：电子工业出版社，2003.10 12 王水平等.PWM 控制与驱动器使用指南及应用电路M.西安：西安电子科技大 学出版社，2005.5 附录：附录： 仿真设计图： 电路仿真图 PCB： 电路 PCB