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1、基于数字电路的交通灯课程设计报告基于数字电路的交通灯课程设计报告 2013 年 7 月 3 日系 别专 业班 级姓 名学 号指导教师摘要交通灯控制器是可以自动控制交通灯，并以倒计时的方式显示出时间，方便行人和车辆在通行时有条不紊的通行，达到交通井然有序，出行人员安全快捷的到达目的地的效果。本次设计的就是想通过这样的一个实例，达到理论和实践相结合的目的。关键字:交通灯控制器；数字电路；Multisim；555 多谐振荡器目 录1 引言.12 设计任务和要求.23 系统模块功能关系设计.34 电路设计计算与分析.44.1 时钟脉冲信号.44.2 主状态控制电路.44.3 信号灯驱动电路.54.4
2、计时器电路.64.4.1 百进制计数器电路 .74.4.2 置数端开关信号与主控器脉冲信号输出电路 .74.4.3 由主控器状态控制的置数信号输入 .84.5 计时器显示电路.104.6 总电路图仿真.115 焊接与调试.126 心得体会.13参考文献.14附录.15附录 A 元件清单表 .15附录 B 芯片管脚图 .16附录 C 实物图.1901 引 言随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、 上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自 80 年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路
3、的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。因此，本次通过对交通灯的设计，了解交通灯的工作原理。12 设计任务和要求利用所学数字电路知识，设计简单交通灯控制电路。在由一条主干道和一条支干道汇合形成的十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每一个入口处设置红、黄、绿三色信号灯。红灯亮禁止通行，绿灯
4、亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁止线外，以此实现红绿灯对城市交通的自动指挥。（1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。（2）当主道允许通行时绿灯亮，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。（3）主支干道交替允许通行，主干道每次允许放行 30S，支干道 20S。设计 30S和20S计时显示电路。（4）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮 5S的黄灯作为过渡，设置5S计时显示电路。23 系统模块功能关系设计本系统设计中，根据要求可以建立四个功能模块，分别是主控制器模块、时钟脉冲信号发生模块、计时器与时间显示模块、信号灯驱动模块。主控模块起到控制和联系其它各模块的作
5、用，其它模块反过来作用于主控模块，实现整个系统的正常运行。经过最终设计与论证，得到个模块的关系如图 1 所示：图 1 各个模块关系图信号灯与时间显示时钟脉冲主控制电路计时器电路34 电路设计计算与分析4.1 时钟脉冲信号时钟脉冲信号由 555 定时器与相应大小的电阻和电容连接而成的多谐振荡器来产生。由于电路中需要的脉冲信号周期为 1s，如果选用的电容分别是 10uF 和 0.01uF，则根据周期计算公式 T=(R1+2R2)CLn2，可得到 R1+2R2 的阻值为 144K 欧，因此我们令 R1 等于 39K 欧，R2 等于 51K 欧，则连接而成的由 555 定时器构成的多谐振荡器如图 2
6、所示。图 2 555 定时器构成的多谐振荡器4.2 主状态控制电路主控电路是本系统的核心，它的输入信号来自主干道和次干道计时系统有进位输出时产生的脉冲，它的输出一方面经显示驱动电路控制主干道和次干道信号灯的状态，另一方面控制计时系统的置数，根据信号灯的不同状态，给主干道和次干道计时器置入时间信号，让计时器按照预定的时间间隔工作。主控电路属于时序逻辑电路，由于主干道和次干道各自的三种灯正常工作时只有四种可能，即四种状态：主绿灯和支红灯亮，主道通行；主黄灯和支红灯亮，主干道准备停车；主红灯和支绿灯亮，支干道通行；主红灯和支黄灯亮，支干道停车。因此，我们可以用双 D 触发器构成二进制加法器，实现四个
7、状态的循环转换，关系图如图 3 所示。4图 3 主控器状态转换图双 D 触发器的连接如图 4 所示。图 4 双 D 触发器构成的二进制计数器令左边触发器两个输出端为 Q1 和 Q1,右边触发器的两个输出端分别为 QO 和Q0 ，则 Q1Q0 的状态变化依次是 00、01、10、11。4.3 信号灯驱动电路主控制器的四种状态分别要控制主、支干道红黄绿灯的亮与灭。令灯亮为“1” ，灯灭为“0” ，主干道红黄绿灯分别为 R、Y、G，支干道红黄绿灯分别为R、Y、G，则信号灯驱动电路真值表如表 1 所示：5表 1 信号灯驱动电路真值表输 入输 出Q1Q0RYGryg0000110001010100101
8、0000111100010由以上真值表可得到各灯的逻辑表达式分别为：R=Q1Q0+Q1QO=Q1;Y=Q1Q0; G=Q1Q0R=Q1Q0+Q1Q0=Q1;y=Q1Q0; g=Q1Q0因此得到主支干道的信号灯驱动电路如图 5 所示。主干道 支干道图 5 信号灯驱动电路图64.4 计时器电路计时器电路是本次设计中做复杂也最为关键的一部分，这一部分又可以分为输出和输入两部分。输入的信号除了秒脉冲时钟信号以外，更重要的是主控电路对其输入的置数信号。输出信号为三部分，分别是主次干道的计时显示电路、置数端开关控制信号、主控电路的脉冲控制信号。4.4.1 百进制计数器电路这一部分我们选用两片十进制计数器芯
9、片 74LS190D 级联而成。74LS190D 可以实现加计数和减计数，由 U/D 控制，当输入为低电平时进行加计数，反之则为减计数，本次设计选用减计数，因此 U/D 端输入始终为高电平。CTEN 端为扩展功能端，接入低电平时正常工作，级联接线如图 6 所示。图 6 计时器级联电路图4.4.2 置数端开关信号与主控器脉冲信号输出电路当计数器每完成一个状态的计数后，需要打开自己的置数端接受主控器下一个状态的置数，同时输出脉冲送往主控器使其产生新的状态。由于每完成一个计数状态，计时器都会有一个低电平进位输出，我们可以将这个低电平送往置数端开关端口打开置数端，同时反向后送往主控器切换状态。但由于进
10、位输出信号过于短暂，可能使主控器电路来不及反应就消失，造成电路不稳定。为了解决这一个问题，使进位输出信号有足够的宽度，我们想到用基本 RS 触发器组成反馈置数电路，由于进位输出信号是低电平，所以反馈电路可设计如图 7 所示。7图 7 基本 RS 触发器组成的进位输出电路4.4.3 由主控器状态控制的置数信号输入按照设计要求，当主干道允许通行并亮绿灯时，主道计数器需置入 30s 信号，30s计完以后输出进位信号和主控脉冲信号，主控电路进入下个状态，给主道计数器置入 5s信号，同时主道黄灯亮起，开始 5s 计时，5s 计完以后输出进位脉冲和主控脉冲信号，置数端被打开，主控制器接到脉冲切换到下一个状
11、态，给主计数器输入下一个置数信号；在此过程中，次道信号灯一直是红色禁止通行，计时器共计 35s 时间，因此，在主道开始亮绿灯允许通行时，支道计数器应该被主控器置入 35s 计数信号，30s 后尽管主控器状态发生变化，但次道仍然为红灯，次计数器没有进位输出，置数开关关闭，不允许置数，直到 35s 后有进位输出而打开置数端开关。35s 后，次道计数器和主道计数器同时送出进位输出，两个置数开关被打开，主控器接受脉冲切换状态，并送出新的置数信号，此时由于次道绿灯亮起允许通行，应该被置入 20s 计时信号，20s 后输出进位信号，置数端打开，同时送出主控器脉冲，使主控器切换到下一个状态，即次道黄灯亮起，
12、接受5s 置数信号，并开始计时，直到 5s 后再次输出进位信号，打开置数开关，接受新的置数，与此同时输出主控脉冲，使主控器状态变化。在次道这 25s 的绿黄灯过程中，主道一直是红灯禁止通行，因此主计数器在次道绿灯亮起的时刻应该被置入 25s 计时信号开始计时，直到 25s 后与次道同时输出进位信号和主控脉冲信号，进入下一个状态。至此，主次道以及主控器完成一次状态循环，具体关系如图 8 所示。8图 8 主控器置数关系图对于主干道和支干道计时器的置数信号输入端，设主道分别为D1、C1、B1、A1（高位端） ，d1、c1、b1、a1（低位端） ，次道分别为D0、C0、B0、A0（高位端） ，d0、c
13、0、b0、a0（低位端） 。由于主道需要的置数信号为30、5、25，次道需要的置数信号为 35、20、5，因此主道计时器置数输入端只需要用到B1、A1、c1、a1，次道计时器置数输入端用到的端口是 BO、A0、c0、a0。其它端口接低电平置零。所用端口与主控制器状态的关系表如表 2 所示：表 2 所用端口与主控制器状态的关系表主控器主干道次干道Q1Q0B1A1C1A1值B0AOC0A0值0011003011113501001151010112510002011001125由以上关系表可以得到主道和次道计时器的置数有效输入端与主控制器状态的逻辑关系如下所示：B1=Q1Q0+Q1Q0=Q0; A1=Q1Q0;c1=Q1Q0+Q1Q0; a1=c1;B0=Q0; A0=Q1Q0;c0=Q1Q0
