1、简易交通信号灯控制器长 安 大 学电子技术课程设计课题名称 简易交通信号灯控制器班 级 32040902 姓 名 杭胜奎 指导教师 邓秋霞 日 期 2011/6/31 前 言 社会在飞速发展，交通也越来越便利，各式各样的马路，立交桥纵横交错，其中必不可少的就是交通信号灯。在繁忙的十字路口，红绿灯指示着各种车辆和行人的安全，使交通井然有序，无需交警，交通信号灯的自动控制是通过计算机来实现的。现在，我国的一些城市已经运用计算机自动控制了，市交警管理工作逐步自动化智能化。为了更了解信号灯自动控制的基本原理，学习利用数字电子技术设计并制作自动控制装置的方法。可编程逻辑器件的大量应用，传统74系列标准逻
2、辑器件在应用系统的设计中应用越来越小，但是数字电子技术作为理论基础原理并没有改变。因此，基本单元电路，基本功能模块及基本的分析方法仍然是本次设计的基本内容，本次设计主要是简易交通灯控制。这将有利于学生更好的掌握数字电路的设计方法，将数字电路和模拟电路融会贯通，提高解决实际问题的能力，同时也为更好的熟悉计算机和运用各程序打下良好基础。目 录摘要1一、方案论证与选择1二、系统概述21、原理框图2 2、简要分析2三、单元电路设计及功能说明3 1、秒脉冲产生模块3 2、分频模块4 3、控制模块5 4、计数和显示模块7四、系统仿真9五、系统综述11简易交通指示灯总电路图12编后语12元器件明细表13参考
3、文献14简易交通信号灯控制器摘要 在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。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，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。关键字：交通信号灯 控制器 课程设计 数字电路技术 计数器 寄存器 任务设计与要求1.定周控制：主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒；2
4、.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.设计计时显示电路。一、方案论证与选择提出方案 方案一：采用555多谐振荡器来产生T=1s的CP脉冲，然后分主干道和支干道两路，每一路的原理都相同；控制电路：由一个双向移位寄存器74LS194的输出来实现状态控制电路。通过它的移位来实现红、黄、绿灯的转换以及计数电路的工作状态；计数电路：采用十进制可逆计数器74LS190的级联来实现灯的倒计时计数；显示电路：采用七段数码显示译码器7447芯片和数码管来实现数字显示。方案二：采用555多谐振荡器来产生T=1s的CP脉冲，用异步二-五-十进制计数器实现5分频
5、的功能，从而减少控制状态；控制电路：采用移位寄存器74LS164芯片的输出与计数电路的逻辑关系来实现红、黄、绿灯的状态转换；计数电路：采用十进制可逆计数器74LS190级联来实现灯的倒计时计数；显示电路：采用七段数码显示数码管DCD HEX来实现数字显示。方案选择 本次设计我们采用方案二。对于方案一中的74LS194，要想实现红、黄、绿灯的转换；需要通过控制74LS194的S1、S0的状态来实现置数、保持、右移，而这三种状态的转换不易实现，相较而言，方案二比较合理。二、系统概述1、通过分析系统的逻辑功能，画出其原理框图如图1交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要有秒脉冲发生器，分频器，控制
6、器，计数器及倒计时显示电路组成。秒脉冲发生器是该系统中控制器的标准时钟信号源。控制器是系统的主要部分。有它来控制计数电路工作。秒脉冲发生模块 图12、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间隔45s时，转到下一个工作状态。（2）主干道黄灯亮，支干道红灯亮。支干道禁止通行，黄灯亮足规定的时间间隔5s时，转到下一个工作状态。（3）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。主干道禁止通行，支干道的黄灯亮足规定时间间隔的5s时转到下一个状态。（4）、主干道红灯亮，支干道绿灯亮。主干道禁止通行，支干道上的车辆允许通过绿灯亮足规定的时间间隔25s时，电路有转到第一种工作状态。交通灯的
7、以上四种状态是由控制器的移位寄存器74LS164芯片和一些门电路来进行控制的，具体介绍见后续控制器功能说明。三、单元电路设计及功能说明1、秒脉冲产生模块秒脉冲发生电路时由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对信号的精度要求不高，故选用555定时器构成。如图2所示555定时器周期计算：T1（R1R2）Cln2=0.7(R1R2）CT2=R2Cln2=0.7R2CT=T1+T2=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C555定时器组成的秒脉冲Cp的周期为1s，即T=1，所以可设置参数R1=28.86k R2=57.72k C=10uF Cf=10
8、uF图22、分频模块通过芯片74LS290实现其功能。74LS290介绍下：74LS290是异步二-五-十进制计数器。其逻辑电路图、引脚图和逻辑符号如图所示(a)、 (b)、(c)所示。它有一个二进制计数器和五进制计数器组成。若以Cp0为计数输入端、Q0为输出端，则得到一个二进制计数器；若以Cp1为输入端，Q3Q2Q1为输出端，则得到异步五进制计数器；将Cp1与Q0相连并以Cp0为时钟脉冲输入端，则得到以一个十进制计数器。有两个清零端R0(1）、R0(2），两个置9控制端S9(1) 、S9(2)。当S9(1) = S9(2)=1时，R0(1）= R0(2），=0时，计数器输出将被置9，其功能表
9、如表1。复位输入置数输入 时 钟 输 出R0(1） R0(2）S9(1) S9(2) Cp0 Cp1 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 X 0 0 X 1 X X 0 1 1 1 1 X X X X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1R0(1）R0(2）=0S9(1）S9(2）=0 Cp X X Cp Cp Q0 Q3 Cp 二进制计数器 五进制计数器 十进制计数器（8421码） 十进制计数器（5421码）表174LS290的逻辑电路如图3所示：图3本电路只用五进制计数，将秒脉冲产生的Cp给Cp1,输出端的变化如表2，根据Q3的变化。所以将Q3
10、的输出作为控制器的Cp脉冲。 Q3 Q2 Q1 Q0R0(1）R0(2）=0S9(1）S9(2）=0Cp 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 分频模块如图4： 表2：图43、控制模块控制电路：采用移位寄存器74LS164芯片和一些门电路来实现红、黄、绿灯的状态转换；74LS164功能介绍：8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。时钟 (CP) 每次由低变高时
11、，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（DSA和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。其逻辑图及引脚图如图5，图6. 图5 图6A1，A2分别表示主干道和支干道的红灯,B1，B2分别表示主干道和支干道的绿灯C1，C2分别表示主干道和支干道的黄灯.则得真值表如表3：Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7A1 B1 C1A2 B2 C2 45s0 0 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 01 1 1 0 0 0 0 01 1
12、1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 0 0 01 1 1 1 1 1 0 01 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 10 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 01 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 5s0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 025s0 0 1 1 1 1 1 10 0 0 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 1 1 10 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1
13、 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 5s0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 表3由此真值表的如下关系：A1=Q1Q7 B1=Q7+Q0 C1=Q0Q1 A2=Q7+Q1 B2=Q1Q6 C2=Q6Q7控制器的电路如图7所示：图74、计数和显示模块采用十进制可逆计数器74LS190来实现灯的倒计时计数；主干道和支干道的计数原理相同。74LS190介绍如下： 74LS190是十进制可加可减计数器。预置是异步的。当置入控制端（LD）为低电平时，不管时钟Cp的状态如何，输出端Q0Q3即可预置成与输入端D0D3相一致的状态。而它的计数是同步的，靠Cp加在四个触发器上
14、实现，当计数控制端CT为低电平，在Cp上升沿作用Q0Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制（U/D）为低电平进行加计数。当计数方式控制（U/D）为高电平进行减计数。只有在Cp为高电平时CT和U/D才可以跳变。190有超前进位功能。当计数溢出时，进位/借位输出端CO/BO输出一个低电平脉冲，其宽度为Cp脉冲周期的高电平脉冲。行波时钟输出端Rc输出一个宽度等于Cp脉冲周期的低电平脉冲。利用Rc可级联成N位同步计数器，当采用并行Cp控制时，则将Rc接到后一级的CT；当采用并行CT控制时，则将Rc接到后一级的CP. 图8 图974190与指示灯控制端真值表如下：主干道支干道
15、绿黄红高位片H G F E低位片D C B A绿黄红高位片H G F E低位片D C B A1000 1 0 00 1 0 10010 1 0 10 0 0 00100 0 0 00 1 0 11000 0 1 00 1 0 10010 0 1 10 0 0 00100 0 0 00 1 0 1表4通过对应逻辑关系实现74190置数功能。采用两片74LS190级联来实现45s及其他倒计时电路，电路原理图如图所示图10显示电路采用七段带译码数码显示DCD_HEX来实现数字显示。七段数码显示DCD HEX具有4位输入端，是共阴极七段显示。 只需按从左到右按高位到低位连接即可。如图10所示图10四、
16、系统仿真通过Multisim软件仿真，得如下结果1 主干道绿灯，支干道红灯状态图112 主干道黄灯，支干道红灯状态图123 主干道红灯，支干道绿灯状态图13 4 主干道红灯，支干道黄灯状态图14五、系统综述所设计系统通过将555多谐振荡器产生的秒脉冲用74290五分频后实现对移位寄存器74164的控制，再将八位寄存器74164通过非门接成十六位扭环形移位寄存器，得到十六种均匀的输出状态，将其不同输出状态通过逻辑门得到红绿灯的工作状态，同时可以根据红绿灯的工作状态转化为数码管所需显示时间，通过计时显示电路实现数码显示功能。而计时电路通过十进制加减可逆计数器74190的减法计数功能得以实现。简易交
17、通信号灯控制器总电路图图15编后语总结、收获与体会在此次课程设计中，对于简易交通指示灯，我们采用的方案也许不是最佳的，但是是我们努力的成果。我们的方案存在的缺点有电路比较复杂，用的芯片比较多。在计数电路和显示电路方面也以用更方便的集成电路来替代，但由于时间紧迫，我们没有完成。本次课程设计促使我们开动脑筋想出自己的方案, 巩固和加强“模拟电子技术”、“数字电子技术”课程的理论知识。不仅使我们知道课本上知识的原理,也使得我们对各种方案有进一步的理解并进行选择。在做设计之前我们在图书馆找了大量的资料，并从中得到启发进一步得出自己的总体方案，我们对方案进行了分块，对单元电路也做了详细的介绍。同时我们也
18、进一步熟悉并掌握了Multisim软件的应用，对所设计电路进行了仿真，由于时间的限制在设计的某些方面设计的还不理想。在这次设计中，我初步把数电知识理论与实践联系起来，使我所学的数字逻辑知识得到了的一定程度的运用。也培养了我对数电的学习兴趣。同时也让我们团队合作的重要性。问题与反思：1.脉冲发生器产生的脉冲不够稳定；2.各器件都有延时，可能会对电路有影响；3.器件的精确性会给系统带来误差；4.图中十位和个位位置不合理元器件明细表元器件明细表序 号名 称 型号参数数量备注 0 1555定时器555 Timer1秒脉冲发生器 0 22-5进制计数器74290N1分频器 0 3八位移位寄存器74164
19、N1计数功能 0 4十进制可逆计数器74190N4减计数器 0 5或门7432N1每片4个 0 6与非门7400N3每片4个 0 7非门7404N5每片6 个 0 5数码管DCD HEX4数码显示 0 6发光二极管LED6红黄绿各两个 0 7电阻IPC-7351Chip-R0805428.86k、57.72k、649 0 8电容IPC-2221A/2222CAPPA3600-3000X1500210F鸣谢在本次设计中首先感谢我的组员郝小艳和陈晓菲，在设计过程中我遇到过各种各样的问题，但是在他们的帮助下问题的到了解决，是整个设计及部分设计能按时完成。在他们身上，我感受到了他们对知识科学严谨的态度
20、和认真学习的能力。在此还要感谢指导老师，在老师的指导建议下我们的设计得到了进一步的完善，按时完成此次的课设题目。 参考文献1、林涛数字电子技术基础清华大学出版社20072、赵文博新型常用集成电路速查手册人民邮电出版社20063、陆应华 主编电子系统设计教程国防工业出版社20054、杨刚 周群 主编电子系统设计与实践电子工业出版社2004 15、李金平 沈明山 姜余祥编著电子系统设计电子工业出版社2007 86、戴伏生主编基础电子电路设计与实践国防工业出版社20027、陆应华主编电子系统设计教程国防工业出版社2005 28、(美）Daniel D.Gajski著 李敏波 译数字设计原理清华大学出版社2005 5 9、彭容修、刘泉数字电子技术基础武汉理工大学出版社2001 1010、刘刚 王立香 编著Multisim Ultiboard 10 原理图与PCB设计电子工业出版社200911、（美）William Kleitz著 陶国彬 赵玉峰 译数字电子技术-从电路分析到技能实践科学出版社2007评 语 评阅人： 日期：
