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1、安徽科技学院安徽科技学院数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计设设计计报报告告设计题目：设计题目： 交通灯控制设计交通灯控制设计 班级：班级：网络工程网络工程 121 姓名：姓名：丁俊杰丁俊杰学号：学号：1887120107 成成 绩：绩： 评阅人：评阅人： 吕跃凤吕跃凤 安徽科技学院理学院安徽科技学院理学院目录目录 安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页1一、设计要求一、设计要求（一）设计指标（一）设计指标（二）设计要求（二）设计要求（三）制作要求（三）制作要求（四）编写设计报告（四）编写设计报告二、原理框图二、原理框图三、单元电路设计三、单元电路设计四、设计步骤及方法四、设计步骤及方
2、法五、总结五、总结六、参考文献六、参考文献交通灯控制的设计交通灯控制的设计 交通灯控制电路是通过采用数字电路设计的，提出使交通灯控制电路是通过采用数字电路设计的，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、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新方法，指挥各种车辆和行人的安绿交通灯的状态转换的新方法，指挥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全通行，实现十字路口交通管理的自动化。设计要求设计要求（一）设计指标（一）设计指标1.为十字交叉路口设计两组信号灯控制，每组有红，绿，黄三色信为十字交叉路口设计两组信号灯控制，每组有红，
3、绿，黄三色信号灯显示。各干信号灯顺序为：红号灯显示。各干信号灯顺序为：红绿绿黄黄红红绿绿，东西方，东西方向红灯亮的时间等于南北方向黄绿灯亮之和。向红灯亮的时间等于南北方向黄绿灯亮之和。2.设置一组数码管，以倒计时的方式显示可以通过的或者禁止通行设置一组数码管，以倒计时的方式显示可以通过的或者禁止通行的时间。的时间。安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页23 附加功能：当各条路上任意一条路上出现故障或有救护车，消防附加功能：当各条路上任意一条路上出现故障或有救护车，消防车等通过时，各方向都是红灯亮，倒计时停止，且显示数字在闪烁。车等通过时，各方向都是红灯亮，倒计时停止，且显示数字在闪烁。当特
4、殊情况结束后，控制其恢复正常。当特殊情况结束后，控制其恢复正常。（二）设计要求（二）设计要求1、画出电路原理图（或仿真电路图）、画出电路原理图（或仿真电路图） ；2、元器件及参数选择；、元器件及参数选择；3、电路仿真与调试；、电路仿真与调试；（三）制作要求（三）制作要求自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。（四）便携设计报告（四）便携设计报告写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会二、原理框图二、原理框图交通灯控制系统的原理框图如下图所示。它主要由控制器、定时交通灯控制系统的原理框图如
5、下图所示。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。分，由它控制定时器和译码器的工作。 安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页3交通灯控制系统的原理框图图中： 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
6、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。三、单元电路设计（一）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 74LS163 进行设计较简便。74LS163 是4 位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数
7、的功能。74LS163 的外引线排列图和时序波形图如图 12、3 所示，其功能表如表 12、2 所示。图中， 是低电平有效的同步清零输入端，是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTT 是计 图 12.2 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。由两片 74LS163 级联组成的定时器电路如图 12、4 所示。电路的工作原理请自行分析。安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页4图 12、3 74LS163 的外引线排列图和时序波形图（二）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。从 A
8、SM 图可以列出控制器的状态转换表，如表 12、3 所示。选用两个 D 触发器 FF1、FFO 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，同时表中还列出了状态转换信号 ST。图 12、4 定时器电路图 安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页5表 12.2 74LS163 功能表表 12.3 控制器状态转换表状态转换表根据表 12.3、可
9、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 的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中“1“用原变量表示，“0“用反变安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页6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。控制器的逻辑图如图 12.5 所示。图中 R、C 构成上电复位电路 。图 12、5 控制器逻辑图（三）译码器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
10、，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 12、4 所示。实现上述关系的译码电路请读者自行设计。安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页7三、单元电路设计三、单元电路设计1.1 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
11、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，车安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页8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1.1(人行道交通灯未标明)所示：图 1.1 交通灯运行状态分析图1.2 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
12、路，(交通灯)状态控制电路，灯显示电路。安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页9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源电路供电图 1.2 交通灯控制电路功能模块框图 2.1 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
13、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。安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页10图 2.1 稳压电源2.2 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 2.2 555 定时器原理图安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页11组成的脉冲电路如图 2.
14、3 所示：根据功能表和电路图计算如下式：取 R1=10kW，R2=10 kW，C=1.6uF。即可实现输出 4Hz 的矩型安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页12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。2.3 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 2Q 端，电路如图 2.4 所示：图 2.4 分频电路2.4 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
15、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。安徽科技学院数字电子技术课程设计报告第 页13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 00
16、00，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 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 0
