简易交通信号灯系统设计

前 言

设计内容与要求：

设计一个简易交通信号灯控制电路。任务如下： 1.定周控制：主干道绿灯45秒，支干道绿灯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、绿色发光二级管表示信号灯； 4. 设计计时显示电路 资料收集：

1.在接到设计任务后本小组便展开资料收集工作，首先参照以前的课本复习。 2.了解电子元件的功能与用法，然后到图书馆参考了许多相关资料。 设计电路系统简介：

本系统分为三大功能模块：主电路，定时电路，控制电路。同过控制电路对主电路中的交通灯进行控制，又由定时电路对交通灯电路的各灯的亮灭进行时间控制，并由主电路中的译码显示电路将时间显示出来。 任务分配：

本次设计任务由小组成员合理分工共同完成。每个成员分头行动处理各自所分配到的任务，最后在综合处理成整个完整电路。

参加这次课程设计的成员有：魏文 杨凌宇 程昌伟

本次课程设计的编写过程中，各小组成员集中了大家的智慧与能力，参考、运用了与程设计相关的大量的资料和相关实用软件。对论文中直接或间接引用的理论、电路和方法的作者表示最诚挚的谢意。特别在本论文的主要理论等方面得到了邓秋霞老师的具体指导，在此表示最诚挚的谢意。此外，在论文中被引用者的姓名和论著的出处没有一一表明，在此表示歉意。限于时间与水平所限，论文中的疏漏和不妥之处在所难免，敬请读者不吝指教。

2009年6月

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目 录

一、摘要 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 3

二、设计要求与任务 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3

三、设计原理与参考电路 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥4

四、各单元电路图及功能说明

1、秒脉冲产生电路 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 6 2、计时脉冲发生电路 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥7 3、控制器 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥8 4、灯光信号编码电路 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥9 5、计时显示电路 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 10

6、总电路接线图 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13

五．结束语

1、设计中存在的问题 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥15

2、收获和体会 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 15 3、鸣谢 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥15

六．附录

1、网路资源参考 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 16 2、元件明细表 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 16 2、参考文献 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 17

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数字电路课程设计

---------简易交通信号灯控制电路

一、摘要

通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,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，将以教材《数字电子技术基础》提供的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。

1. 设计一个交通信号灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停车。

2. 用红、绿、黄发光二极管作信号灯。

3. 主干道亮绿灯时，支干道亮红灯；支干道亮绿灯时，主干道亮红灯。

4. 主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒，设立45秒、25秒计时、显示电路。 5. 在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮5秒黄灯作为过渡，设立5秒计时、显示电路。

关键字：

秒脉冲，计时器，控制器，译码器，倒计时器，

二、设计任务与要求

1．定周控制：主干道通行绿灯时间45秒，支干道通行绿灯时间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．设计记时显示电路；

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三、设计原理与参考电路

（1）．通过分析系统的逻辑功能，画出其机构框图如图1。

交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器和计时显示电路等部分组成。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，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

图1 计时电路 主干道计时显示器 控制器 译码器 主干道灯 支干道灯 支干道计时显示器 秒脉冲发生电路主要由杨凌宇完成

计时电路、控制器、时间显示电路主要有魏文完成 译码器主要由程昌伟完成

（2）分析

1. 主干道绿灯亮，支干道红灯亮。支干道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔45s时，转到下一工作状态。

2.主干道黄灯亮，主干道红灯亮。支干道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔5s时，，转到下一工作状态。

3.主干道红灯亮，支干道黄灯亮。表示主干道禁止通行，支干道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔25s时，转到下一工作状态。

４

4.主干道红灯亮，支干道黄灯亮。表示主干道禁止通行，黄灯亮足规定的时间间隔5s时，电路又转换到第种1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所示，

控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。并作如下规定： 控制状态 信号灯状态 车道运行状态 S0（00） 主干道绿，支干道红 主干道通行，支干道禁止通行 S1（01） 主干道黄，支干道红 主干道停车，支干道禁止通行 S3（11） 主干道红，支干道绿 主干道禁止通行，支干道通行 S2（10） 主干道红，支干道黄 主干道禁止通行，支干道停车设： A: 表示主干道绿灯亮的时间间隔为45秒，定时时间到A=1，否则，A=0。 B:表示支干道绿灯亮的时间间隔为25秒，定时时间到B=1，否则，B=0。 C:表示黄灯亮的时间间隔为5秒，定时时间到C=1，否则，C=0。其状态表1为：

状态 s0 s1 s2 s3 状态图如下

A=0 C=0 A=1

S0（00）

C=1

S3（10） S2（11） B=0 ５

主干道 绿灯亮，允许通行 黄灯亮，停车 红灯亮，禁止通行 红灯亮，禁止通行 支干道 红灯亮，禁止通行 红灯亮，禁止通行 绿灯亮，允许通行 黄灯亮，停车 时间 45秒 5秒 25秒 5秒 S1(01) C=1

B=1 C=0 图2

四、各单元电路图及功能说明 1、秒脉冲产生电路

秒脉冲发生器是由555定时器构成的多谐振荡器，因为控制系统是以秒作为单位，所以用秒脉冲发生器，且其对信号的精度要求不高，这里选用555定时器来构成。

555定时器周期计算

当接通电源Ucc后，电容C上的初始电压为0V，比较器C1、C2输出为1和0，使u0=1，放电管T截止，电源通过R1、R2向C充电。Uc上升至2Ucc/3时，RS触发器被复位，使u0=0,T导通，电容C通过R2到地放电，uc开始下降，当uc降到Ucc/3时，输出uo又翻回1状态，放电管T截止，电容C又开始充电。如此周而复始，就可在3脚输出矩阵波信号。

由图7，31（b）可见，uc将在Ucc/3与2Ucc/3之间变化，因而可求出电容C上的充电时间T1和放电时间T2

T1=（R1+R2）CLn2≈0.7（R1+R2）C T2=R2CLn2≈0.7R2C 所以输出矩形波的周期为

T=T1+T2=（R1+2R2）CLn2≈0.7（R1+2R2）C

555定时器组成的秒脉冲CP的周期为1秒，即T=1.所以可以设置参数：R1=28.86TΩ R2=57.72TΩ C=10fF Cf=10fF

电路原理图如图3

图3

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2.计时脉冲发生电路

此电路通过芯片74LS161实现其功能。74LS161介绍如下:

74161是同步四位二进制加法计数器，它有异步清零、同步预置数等功能。

图5.24（a）和图5.24（b）分别是它的引脚图和逻辑符号图，其功能如图5.7所示。CP脉冲上升沿控制电路计数工作，RD端为异步清零端，LD是预置数控制端，A、B、C、D是预置数输入端，EP和ET是计数使能（控制）端，RCO是进位输出端。下面根据功能表进一步说明各控制端的作用。 表2 74161功能表 CP X ↑ X X ↑

要保证显示电路能够自动转换状态，则计数器应为5进制。每隔5、25、45秒都需有信号输出，如此可以当作控制器的输入。实现此功能可用第一级的进位输出端为5秒信号输出，第二级进位输出端为25秒信号输出，45秒可以为25秒+20秒实现信号输出。 5进制由同步置数功能实现，3级计数器均为同步置数进行5进制计数，计数循环状态如下。

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RD 0 1 1 1 1 LD X 0 1 1 1 EP X X 0 X 1 ET X X X 0 1 D X D X X X C X C X X X B X B X X X A X A X X X QD 0 D QC 0 C QB 0 B QA 0 A 保持 保持 加计数 QAQBQCQD 1111 1110 1011 1100 1101

具体电路图如图3所示：

此电路图是产生CP45、CP25、CP5的电路。

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。真值表如表3所示。选用两个D触发器U1、U2做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为A、B、C。

真值表 表3 现态 Q1 0 0 0 0 1 1 1 1

n Q0 0 0 1 1 1 1 0 0 n 输入 转换条件 A 0 1 × × × × × × B × × 0 1 × × 0 1 C × × × × 0 1 × × 输出 次态 Q10 0 0 1 1 1 1 0 n+1 Q00 1 1 1 1 0 0 0 ８

n+1

由真值表可以得到状态转换方程：

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4所示

图4

4.灯光信号编码电路

此电路采用74LS138进行译码工作。将控制器输出Q1、Q0转变成6信号灯的状态转换。假设：

G1表示主干道绿灯 R1表示主干道红灯 Y1表示主干道黄灯 G2表示支干道绿灯 R2表示支干道红灯 Y2表示支干道黄灯

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状态转换表如表4所示： Q1 0 0 1 1 Q0 0 1 1 0 G1 1 0 0 0 R1 0 0 1 1 Y1 0 1 0 0 G2 0 0 1 0 R2 1 1 0 0 Y2 0 0 0 1

由上表可知电路图如图5

图5

5、计时显示电路

此电路主要由74LS190、八管脚数字显示器等元件组成。

74LS190单时钟十进制可逆计数器。其74LS190管脚图、功能图、功能表分别如图6图7表5所示

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图6

图7

设计过程

要设计计时显示电路，则首先把两片74LS190级联成2位十进制计数器。级联图如下

表5

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由于交通灯分主、支干道，则需要以上二位十进制计数器两个。而要使状态转换时计数器预置不同初始值，则需要对不同74190芯片的输入端预置数。由控制器输出Q1、Q0可得状态转换表如表6 控制器输出状态 S0 S1 S2 S3 由上述状态表可得真值表如表7 控制器 Q1 0 0 1 1 Q0 0 1 1 0 第1片74190预置数 第2片74190预置数 第3片74190预置数 第4片74190预置数 D3 0 0 0 × D2 1 0 0 × D1 0 0 1 × D0 0 0 1 × D3 0 0 0 × D2 1 1 0 × D1 0 0 0 × D0 1 1 0 × D3 0 × 0 0 D2 1 × 0 0 D1 0 × 1 0 D0 11 × 0 0 D3 0 × 0 0 D2 0 × 1 1 D1 0 × 0 0 D0 0 × 1 1 1片74190预置数 2片74190预置数 4 0 3 × 表6 5 5 0 × 3片74190预置数 5 × 2 0 4片74190预置数 0 × 5 5

表7

由于74190的输出为4位十进制编码输出，要用 显示出来只要通过译码器4511将十进制翻译出来即可

U1 D3=0 D2=（Q1+Q0）非 D1=Q1Q0 D0=Q1Q0 U2 D3=0 D2=Q1 D1=0 D0=Q1

U3 D3=0 D2=（Q1+Q0）非 D1=Q1Q0 D0=（Q1+Q0）非 U4 D3=0 D2=1 D1=0 D0=Q1

非

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由此得计时显示电路

图8

6.总电路接线图

将上述各部分主要电路将接口名称相同的连接在一起，即可完成中电路图。

总电路图如下图：

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五．结束语

（1）设计中存在的问题

1.各部分电路之间是否会相互影响。

2.秒脉冲发生器产生的脉冲能否准确的产生秒脉冲。 3.计时脉冲电路能否正确的产生3种秒脉冲。 4.倒计时计数器能否自动切换预置数。

（2）收获和体会

我觉得这次的课程设计对我各方面的影响都很大。

首先我认识到了平时课堂的中央性了。虽说大学主要靠自学，但课堂上老师讲的东西还是很重要的，老师讲的全是书中的精华，所以我们一定要好好听讲。

其次这次课程设计对我们以前学的东西起到了很好的巩固作用，俗话说实践是检验真理的唯一标准。同样实践也是检验所学知识的标准。通过这次课程设计让我发现了在我以前的学习中没有注意到的问题，比如一些芯片的常用功能作用，可能子平时的学习中没有注意到这些问题，通过这次设计更加深了对它们的认识和理解，起到了很好的补充学习作用。

而且通过这次课程设计使我充分认识到了团队合作的重要性。一个团队的工作想依靠一个人的力量是很难完成的，我们必须学会团队间的协作。我觉得我们在这方面做的还是不够，经常是急急忙忙的。我觉得我们很多人在这方面都做的还不够好，应该在以后的生活学习中多注意这方面的能力提升。

这次课程设计是我学会了更多的知识和道理，我觉得他们会对我以后的生活，学习和工作起到莫大的帮助。

（3）鸣谢

在论文即将结稿之日我要感谢的人有很多,首先我要感谢我们的辅导老师邓秋霞老师,,本课程设计过程中得到邓老师的细心指导。邓老师多次为我指点迷津，帮助我开拓设计思路，

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精心点拨、热忱鼓励。对老师的感激之情是无法用言语表达的。

在此次课设中我深刻的体会到了小组之间的合作精神的重要性，在设计过程中和后期处理过程中都存在着繁重的压力，数据的处理，电路图的绘制等等，在此过程中如果没有小组之间的团队精神，个人很难或者说基本上根本就不可能完成此次课设，因此在工作和学习过程中我们应该懂得团结互助的原则。在设计中遇到了很多问题，最后在老师与同学们的辛勤指导下，终于应人而解。

我还要感谢我的同学陈文奎，董伟，张鼎，田自虎，李建华，田媛媛等在我学习生活中给我的帮助,在此我诚挚的道一声谢谢!

六．附录

网路资源参考

http://www.siaaa.com/yuanjiancanshu/icxinpian/200904/109536.Html/ http://www.paowen.com/ 元件明细表 序号 1 名称 电阻 型号参数 ——— 数量 2 备注 R1=5.772TΩ R2=69.26TΩ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

电容 集成计数器 编码器 数据选择器 集成计数器 各种TTL门 555定时器 D触发器 七段数码管 BCD七段码管 ———— 74LS190 74LS139D 74LS153 74LS161 ———— ———— D-FF-NEGSR 1 4 1 1 3 若干 1 2 C=10fF SEVEN_SEG_COM_A 4 4511BD_5V 4 １６

参考文献

郭锁利主编《基于Multisim9 电子系统设计 仿真与综合应用》 人民邮电出版社，2008版。

林涛主编《数字电子技术基础》清华大学出版社，2008版。 林涛主编《模拟电子技术基础》重庆大学出版社，2004版。 邱关源主编《电路》第四版，北京高等教育出版社，1999版。

唐竞新主编《数字电子技术基础解题指南》清华大学出版社，2002版。

丁蕾主编《数字电子技术基础知识要点与习题解析》哈尔滨工业大学出版社，2005版。

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