数电交通灯课程设计.doc

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1、华北科技学院课程设计交通灯控制电路目录1设计目的 22设计任务和要求 33设计思路 34设计过程 3 4.1方案论证3 4.2电路设计7 4.2.1秒脉冲发生器 7 4.2.2定时器9 4.2.3控制器 11 4.2.4译码电路 14 4.2.5显示部分 155系统调试与结果16 6结论 17 7设计心得体会178附录 18 9 参考文献 20交通灯控制电路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

2、与制作。2、设计任务和要求： 设计一个十字路口交通信号灯控制器，其要求如下： 1 它们的工作方式满足图1顺序的工作流程，途中设南北向的红、黄、绿灯分别为NSR、 NSY、NSG，东西向的红、黄、绿灯分别为EWR、EWY、EWG，其中红灯(R)亮，表示该条道路禁止通行，黄灯(Y)亮表示停车，绿灯(G)亮表示允许通行。 2 两个方向的工作时序：东西向亮红灯时间应等于南北向亮黄、绿灯时间之和，南北向亮红灯时间应等于东西向亮黄、绿灯时间之和。 3 十字路口有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。 4 可以手动调整和自动调整，夜间为黄灯闪耀。3.设计思路（1）设计秒脉冲发生器（2）设计交通灯

3、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4.设计过程 4.1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：用甲车道表示南北方向的道路，乙车道表示东西方向的车道。 TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为30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

4、：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 系统的原理框图 交通灯控制器的ASM 如图2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

5、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

6、的驱动信号合二为一，并作如下表1规定：表1 控制器的工作状态及功能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NSG=1甲车道绿灯亮甲车道通行EWG=1乙车道绿灯亮乙车道通行NSY=1甲车道黄灯亮甲车道缓行EWY=1乙车道黄灯亮乙车道缓行NSR=1甲车道红灯亮甲车道禁止通行EWY=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2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

7、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2 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。4.2单元电路的设计 4.2.1秒脉冲发生器 秒脉冲发生器由LM555CN电路及外围电路组成，其中R16=10K、R15=10K,R23=100K,C1=10nF,C2

8、=1uF的电阻电容值决定了脉冲宽度。既T=(R23+2R16)C1ln2当T=1S，即可凑出R8、R9、C2其中C2=1uF是为了保持输出的波形的稳定。 如图3所示， R16=10K、R15=10K,C2=1uF组成一个串联RC充放电电路，在LM555CN的7脚上输出一个方波信号，C2上得到一个三角波。此三角波送到NE555的2脚输入端。由LM555CN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 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5，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

9、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4 石英晶体和分频器构成的秒脉冲发生器4.2.2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，首先置数，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从置入的数开始进行减1计数，当减到零时通过非同步借位输出端向控制器提供脉冲。计数器选用集成电路40192BD进行设计较简便。40192BD是10进制同步减法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。40192BD功

10、能表如表2所示。表2 40192BD功能表CLKCPUCPD PL MR工作状态XX XX1X X 1 1000X011 置零 预置数 减计数 加计数表中PL是高电平有效的同步清零输入端，MR是低电平有效才同步并行置数控制端，CPU是减计数端，CPD是加计数端，CIK为脉冲。 图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送给U6的减计数端，如图5所示，MR接低电平，CPU接高电平，1、9输入端接地，10、15输入端接控制器输出的信号，2、3、6、7输出端接4511BD译码器使得输出的信号通过译码器输入到显示器上显示出来，将13（非同步借位输出端）接U5的减计数端，U5的MR

11、也接低电平，CPU接高电平，9、10输出端接地，1、15输入端接控制器输出的信号，同样2、3、6、7输出端接4511BD译码器使得输出的信号通过译码器输入到显示器上显示出来，将13（非同步借位输出端）接U5和U6的置数端使得当13有脉冲输出时U5和U6置入相应的数。4.2.3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。控制器由主从JK触发器构成，主从JK触发器的状态转移真值表如下表3：表3主从JK触发器的状态转移真值表 主从JK触发器的波形图如下图6图6 主从JK触发器的波形图控制器原理图如图7所示。图中U1A的JK触发器因为J端和K端相连，所以它实现的

12、功能为T触发器的功能。列出T触发器的特性表如下表4： 表4 T触发器特性表TQQ*001101010110图7 交通灯控制器其原理为： CLK分别送给U1A和U1B的3和13的脉冲输入端。当开始时U1B的10输入端输入的是0时，当脉冲到来时输出端15输出的为0，且一部分输出信号输送给计数器的输入端和74ALS11AM即译码电路，另一部分信号输入到U1A的J和K端故U1A的实际功能为T触发器，当脉冲到来时U1A的1输出端保持原先的输出状态，同样输出的信号一部分输送到了计数器的输入端和74ALS11AM即译码电路，另一部分信号输入到了4081BD中通过这些与门和或门的逻辑选择，最后又输入到U1B的

13、10端，而这是输入到10端的就变成1了，当脉冲到来时U1B的输出端15输出的为1，同理U1A的J和K端就接收到1，当脉冲到来时输出端则输出1状态，然后又回到4081BD中这样循环下去。4.2.4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，翻译成南北、东西车道上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5所示。表中NS,EW代表南北、东西车道。表5 控制器状态编码与信号灯关系表Q1 Q0NSG绿灯NSY黄灯NSR红灯EWG绿灯EWY黄灯EWR红灯0 01000010 10100011 00011001 1001010由秒脉冲发生器产生了周期性

14、变化的CLK脉冲，一部分送给了定时器的40192BD芯片，另一部分送给通过开关控制的4081BD。在脉冲ST同时加到定时器40192BD 芯片的情况下，单满足一点条件时40192BD芯片的TCD(非同步借位输出端)输出的高低电位会发生变化，然后送到4027BD的脉冲输入端。控制器中的信号在送给由芯片4081BD组成的译码器后再通过电路中的指示灯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8：图8译码器部分原理图4.2.5显示部分 显示部分由40192BD和共阴极七段数码管组成，4511BD作为译码器，对40192BD的输出信号进行译码，然后通过七段数码管

15、显示出40192BD的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计如图9：图9 由4511BD和数码管组成的电路5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，要求电路能进行减计时，从30减计时到0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30秒，南北车道方向绿灯亮，行人车辆都可自由通行；东西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30秒，以每秒

16、减1，减到0时，南北道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。时间显示器置为5秒，然后以每秒减1，减到0后时南北车道的黄灯转换为红灯；南北车道的红灯转换为绿灯。如此循环下去。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，基本能实现南北、东西车道路方向显示通行功能，可避免发生交通事故。夜间黄灯闪烁。2、不足之处 交通灯的红灯显示时间是绿灯和黄灯时间之和，结果显示器显示的时候红灯的时间成了两段，一段是绿灯的时间，一段是红灯的时间。还有就是用的芯片太多，线连得有点乱。 7、设计心得体会开始拿到题目的时候，不知道怎么去做,因为数电这门课学的不是很好了，自己对这门课的设计都不是很会，对很多的芯片的

17、功能都不是很清楚，所以做得特别认真，虽然做的过程中遇到了一些问题不过还是在其他同学的帮助下顺利地解决了。从收集资料到仿真一共用了两周的时间。这次课程设计历时两个星期。通过这两个星期的课程设计，我发现了自己的很多缺点与不足，自己知识的漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。 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

18、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。本次课程设计也让我加深了对电子线路基本知识的理解，提高了我的综合运用所学知识的能力，增强了我的根据课程需要选学参考资料，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。同时我也初步学习到了关于课程设计的基本方法、步骤和撰写设计论文的格式。8 、附录 总原理图11和原件表6：图11 仿真图 表6 所用元件明细表描述RefDes数量1CMOS_5V, 4511BD_5VU7, U8, U24, U2542CMOS_5V, 40192BD_5VU5, U6, U22, U2343CAPACITOR, 1

19、0nFC114RESISTOR, 10k 5%R15, R1625CAP_ELECTROLIT, 1FC21674LS, 74LS90DU2117SWITCH, SPDTJ118CMOS_5V, 4069BCL_5VU419CMOS_5V, 4027BD_5VU1110CMOS_5V, 4081BD_5VU2, U11, U13311CMOS_5V, 4071BD_5VU3112TIMER, LM555CNU1211374ALS, 74ALS05ANU20114LED_yellowLED1, LED2215LED_redLED3, LED4216LED_greenLED5, LED621774

20、ALS, 74ALS11AMU14, U15, U16, U17, U18, U19618SPDT, S1, S229、参考文献1. 郑家龙.集成电子技术基础教程.北京：高等教育出版社，2002.2. 路而红.专用集成电路与电子设计自动化.北京：清华大学出版社，2004.3. 李良荣.现代电子设计技术-基于Multisim&Ultiboard2001.北京：机械工业出版社，2004.4. 赵保经，蒋建飞.大规模集成数-模和模-数转换器设计原理.北京：科学出版社，1986.5. 陈立周.电气测量【M】.北京：机械工业出版社，1991.6. 阎石.数字电子技术基础【M】.北京：高等教育出版社，1998.7. 方建中。电子线路综合实验【M】.杭州：浙江大学出版社，2007.8. 康华光.电子技术基础：数电部分.4版：高等教育出版社，2000.9. 郭海文.电器实验技术【M】.徐州：中国矿业大学出版社，2008.10. 侯建军.电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计【M】.北京：高等教育出版社，2007.11. 滕国仁.电器实验技术【M】.北京：煤炭工业出版社，2003.12. 童诗白.模拟电子技术基础【M】.北京：高等教育出版社，2000.13. 毕满清.电子技术实验与课程设计【M】.北京：机械工业出版社，2005.忽略此处.21