交通信号灯控制器设计

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1、 数字电子课程设计说明书 交通信号灯控制器院 系： 电气与信息工程学院 学生姓名： 叶 海 斌 指导教师： 胡 新 晚 专 业： 电气自动化技术 班 级： 电气1101班 完成时间： 2013年4月23日 前言数字电子技术是一门应用范围极广，发展及其迅速，具有较强实践性技术基础课，所以既要加强基础理论的系统学习，又要加强实践技术的训练。通过实验使学生在实验方法和实验技术上得到训练，进而培养学生理论联系实际的能力。在实际工作中，电子技术人员需要分析器件、电路的工作原理；验证器件、电路的功能；对电路进行调试、分析，排除电路故障；测试器件、电路的性能指标；设计、制作各种实用电路的样机。所有这些都离不

2、开实验。此外，实验还有一个重要任务，是要培养正确处理数据，分析和综合实验结果、检查和排除故障的能力。 在信息高速发展的社会，尤其是电子与信息技术的快速发展,大规模集成电路的出现，TTL数字集成电路也得到了相应的发展。TTL数字集成电路以其具有较高的工作速度及较低的平均功率而被广泛用于各种数字电路中。用得最多的是CT74LS系列产品，CT74LS系列，电路通过加大电路中电阻的阻值来降低电路的功耗。从而达到使电路既具有较高的工作速度，又有较低的平均功耗。而且体积小，价格低廉，稳定性可靠。本说明书主要介绍利用555芯片，CT74LS系列的这些优点，如何进行设计交通灯的，本设计主要利用到的芯片是74L

3、S190、74LS153、74LS08、74LS04、74LS74等芯片和元件。通过设计仿真、画原理图、画PCB图、制板和调试四个步骤完成本设计。交通信号灯控制器的设计是数字电子技术一个基础的设计课程。设计要求有以下五点：1、用红、黄、绿三色发光二极管作信号灯，设计制作一个交通灯控制器。2、当A干道允许通行亮绿灯时，B干道亮红灯。而B干道允许通行亮绿灯时，A干道亮红灯。3、两者交替允许通行，每次放行25秒。4、在每次由亮绿灯变成红灯时的转换过程中间，要亮5秒的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外。5、安装自己设计的电路并通电调试。 目 录第1章 交通信号灯控制器的设计31.1 设

4、计方案31.1.1 提出方案31.1.2 方案论证及确定31.2 设计原理分析41.2.1 系统框图41.2.2 交通灯控制器的ASM图41.2.3 单元电路的设计61.2.4 总体电路图14第2章 交通信号灯控制器的仿真制作152.1 交通信号灯控制器的PROTEUS仿真及验证152.1.1 制作控制器电路图152.1.2 控制器的仿真验证152.2 交通信号灯控制器的PCB制作152.2.1 控制器的protel99 SE电路图的制作152.2.2 控制器的PCB制作16第3章 交通信号灯控制器的实物制作193.1 元器件清单193.2 交通信号灯控制器电路板的制作203.2.1 图纸转印

5、及打孔203.2.2 元器件的焊接18第4章 实物验证及调试194.1 交通信号灯控制器电路的调试194.1.1 试前检查19第5章 设计总结215.1 总结215.2 心得体会225.3 参考文献23附录一 交通信号灯控制器PROTEUS的仿真23附录二 交通信号灯控制器PROTEL绘制原理图24附录三 实物图25第1章 交通信号灯控制器的设计1.1 设计方案1.1.1 提出方案方案一：用数字电子技术设计交通灯控制系统可以由秒脉冲发生器、定时器、控制器和译码器四个核心部分组成，秒脉冲发生器、定时器、控制器和译码器可以用190计数器、555多谐振荡器、153数字选择器和与非门实现，从而实现交通

6、灯的管理。方案二：用单片机技术设计交通灯控制系统可以通过在MCS-51系列单片机系统中扩展外围可编程并行输入/输出接口芯片8255，来实现交通灯的管理。1.1.2 方案论证及确定采用方案一时，秒脉冲发生器做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。秒脉冲发生器、定时器、控制器和译码器采用190计数器、555多谐振荡器、153数字选择器和与非门实现时， 电路相当稳定，且各元器件的成本低。若采用方案二，硬件设备是在80C51芯片外围通过74LS373和8255芯片来实现I/O口的扩展，利

7、用8255做输出口，控制六只发光二极管的亮灭来模拟交通灯管理，其主要核心是软件设备，即所编辑的程序。此电路虽然元器件少，但成本高，且灯亮的时间与方案一相比难于控制。根据实验设计的总体要求，本实验确定采用方案一。1.2 设计原理分析1.2.1 系统框图交通灯控制系统框图如图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。秒脉冲发生器做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1.1 交通灯系统框图图中，TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为20秒，即车

8、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。1.2.2 交通灯控制器的ASM图一、交通灯控制系统的工作过程：（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）甲车道黄灯亮，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

9、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，乙车道上未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，继续循环工作。 交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器进行控制的，控制器应送出红、黄、绿灯的控制信号给甲、乙车道。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S2、S3表示，则控制器

10、的工作状态以及功能如表1.1所示：表1.1 控制器工作状态及其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，乙车道缓行二、为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定： AG=1：甲车道绿灯亮； BG=1：乙车道绿灯亮；AY=1：甲车道黄灯亮； BY=1：乙车道黄灯亮；AR=1：甲车道红灯亮； BR=1：乙车道红灯亮；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

11、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。由此得到交通灯的ASM（Algorithmic State Machine算法状态）图，如 图1.2所示。图1.2 交通灯控制器的ASM1.2.3 单元电路的设计一、集成电路CT74LS190简介 本电路复杂程度为 58 个等效门，是同步可逆 BCD 计数器。本电路通过同时触发所有触发器而提供同步操作，以便在使用控制逻辑结构时，输出端的变化可相互吻合。本工作方式避免了一般用异步(行波时钟)计数器所带来的计数输出的尖峰脉冲。 若使能输入端置低电平，

12、四个主从触发器的输出将在时钟输入从低到高的跳变中被触发。使能输入端置高电平时，禁止计数。仅当时钟输入端是高电平时，使能输入端才能有电平变化。当可逆（）输入端处于低电平时，进行加计数，当可逆（）输入端处于高电平时，进行减计数。仅当时钟输入是高电平时，可逆输入才能有电平变化。这种计数器是可编程序的，即可通过将置数输入置于低电平并在数据输入端送入所需数据而将输出端预置到任一电平。输出随数据输入而变，不受时钟输入电平的影响。根据这一特点，用置数输入将计数长度略加改变便可将计数器作模N 除法器使用。 时钟、加/减和置数输入都加了缓冲器，从而大大降低驱动要求。 为便于进行级联，采用了两个输出：脉冲时钟输出

13、和最大/最小计数输出。当计数器发生溢出或下溢时，后一输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度约等于时钟的一个整周期。出现溢出或下溢情况时，脉冲时钟输出将产生一个低电平输出脉冲，其宽度等于时钟输入的低电平部分。若使用并行时钟脉冲，则计数器的级联方式是把脉冲时钟输出送到下一级计数器的使能输入；若使用并行使能，则级联方法是把脉冲时钟输出送到下一级计数器的时钟输入。高速应用时，可用最大/最小计数输出进行超前进位。 图1.3 74LS190的外引线排列图1.4 CT74LS190的时序波形 表1.2 CT74LS190功能表二、定时器定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）和十进制的减法计数器构成，要求

14、计数器在状态信号ST作用下，首先置数25，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从25开始进行减1倒计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。由两片74LS190级联组成的定时器电路如图1.5所示。 图1.5 定时器电路图三、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ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表1.3所示。选用两个D触发器、做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为和，当控制器处于状态时，如果 0，则控制器保持在00状态;如果=1，则控制器转换到状态。这两种情况与条件无关，所以用无关项“”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。表1.3 控制器状态转换表