课程设计 简易交通信号灯控制器.docx
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课程设计简易交通信号灯控制器
《电子技术》课程设计报告
题目简易交通信号灯控制器
摘要
交通运输是国家经济发展的动力，日常出行也是我们生活中不可或缺的一部分。
在确保十字路口的交通秩序工作中，信号灯扮演了极其重要的角色。
交通信号控制系统是用来自动控制十字路口红黄绿三色的电子系统。
交通灯简易交通信号灯控制器利用555秒脉冲发生器提供秒脉冲CP信号，为计数器提供工作频率。
计数器由两块74LS190级联构成八位二进制，实现倒计数；显示电路由两个十六进制数码管构成，可以显示00-99之间的数字；控制电路由74LS161构成的循环电路控制三种灯的开关；置数电路由相应数量的74LS465与74LS138译码器构成置位电路使得主干道在45-0秒为绿灯，5-0秒时为黄灯，30-0秒时为红灯，相应的次干道与主干道相配合，在50-0秒时为红灯，在25-0秒时为绿灯，在5-0秒时为黄灯，通过共用CP脉冲，实现对主干道与支干道交通信号灯的联合控制。
关键字
根据设计原理，系统的关键字有以下几个：
交通信号灯秒脉冲递减计数分时置数控制器
目录
1.课题名称以及设计要求…………………………………………………4
1.1课题名称……………………………………………………4
1.2设计要求……………………………………………………4
2.系统概述…………………………………………………………………4
2.1总体方案的选择………………………………………………4
2.2系统总体结构框架……………………………………………5
2.3系统基本工作原理……………………………………………6
3.单元电路设计与分析……………………………………………………7
3.1秒脉冲发生器单元……………………………………………7
3.2倒计数以及显示单元…………………………………………8
3.3信号灯控制单元………………………………………………9
3.4顺序定时置数置数单元………………………………………10
3.5黄灯闪烁以及蜂鸣提示单元…………………………………12
4.系统仿真…………………………………………………………………13
4.1仿真说明……………………………………………………13
4.2仿真示意图…………………………………………………14
5.系统综述以及总体电路图………………………………………………15
5.1系统综述……………………………………………………15
5.2总体电路图…………………………………………………17
6.结束语……………………………………………………………………18
7.元件明细表………………………………………………………………18
7.1元件明细列表………………………………………………18
7.2元件说明……………………………………………………19
8.参考文献……………………………………………………………………19
9.收获体会与总结……………………………………………………………20
9.1收获体会……………………………………………………20
9.2问题反思以及对未来交通信号控制的思考……………………20
10.鸣谢…………………………………………………………………………21
一．课题名称以及设计要求
1.1课题名称
简易交通灯信号控制器
1.2设计要求
简易交通信号灯控制，主要实现功能如下：
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。
功能扩展：
1.黄灯亮的时候伴随黄灯闪灯和蜂鸣提示；
2.考虑到主干道与次干道车流量的变化，为了人性化的控制交通信号灯，可以自由设定主干道和次干道各个信号灯的亮变时间，在0-99范围内变化。
二．系统概述
2.1总体方案的选择
经过我们上网查资料以及在图书馆借阅相关的领域知识，我们得出以下三种可以实现本次课设目的的方案，方案如下：
方案一：
由主控制电路和秒脉冲发生器组成，其中主控制电路包括：
主控制器、清零装置、驱动装置、信号灯装置及一些逻辑门。
主控制器中采用两块74LS290二-五-十进制来实现八十进制计数器。
秒脉冲发生器由555秒脉冲发生器负责提供脉冲信号。
接通电源瞬间，清零装置将主控制器清零，紧接着，主干道绿灯和支干道红灯打开，其余主、支道灯关闭。
秒脉冲传送到控制器，主控制电路在45s到，50s到，75s到，80s到分别产生翻转信号，从而改变主、支道绿、黄、红灯的开闭持续时间，继而实现交通信号灯控制。
方案二：
由定时器NE555构成的多谐振荡器产生秒脉冲，两块74LS192芯片级联成61进制倒计时器，计时器输出的数据通过两块74LS48译码器和两块七段数码管显示出来。
由倒计时器与逻辑门构成定时器，在每隔55秒或5秒输出一个脉冲，触发状态控制器工作。
状态控制器控制着信号灯的转换。
方案三：
主要有秒脉冲产生模块，倒计时模块，控制信号灯模块，定时置数模块构成。
秒脉冲产生模块采用555定时器构成的多谢震荡器产生周期为一秒的脉冲，提供给计数器工作，达到计时的目的；倒计时模块采用两片74LS190级联构成一个倒计时计数的电路，通过使用来自秒脉冲的CP脉冲以及定时置数模块的置数功能，来完成倒计时并且实时显示在LED数码显示器上；控制信号灯模块，接收来自计数模块倒计时为零时的信号，通过74LS161的循环计数功能，配合相应的门电路完成三种信号灯之间的交替亮灭；顺序置数模块采用三片74LS465以及74LS138译码器组成，接收信号灯亮灭的信号来实现对计数器的置数。
方案三的思路比较清晰，里面的元器件自己在课堂上都比较熟悉，而且有很大的发挥空间，可以增加一些比较华丽的功能模块，综合以上，我们最终选择了方案三来作为我们本次系统设计的最终方案。
2.2系统总体结构框架
简易交通信号灯控制系统主要有以下几个重要的模块够构成：
1.秒脉冲产生模块2.倒计时及显示模块，3.信号灯控制模块，4.顺序置数模块，5.功能扩展模块（黄灯闪烁以及蜂鸣报警）；
本系统的总体结构框架如下图所示：
图2.1系统的总体结构框架图
2.3系统基本工作原理
本系统采用主干道和支干道分开实现功能，但又相互配合的思路，用时间的相关性将主干道与支干道的信号灯的亮灭相联系起来。
根据系统的要求：
主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒；每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡；则其时间循环图如下所示：
图2.2主干道时间循环图
图2.3支干道时间循环图
对于其中一条干道，系统的工作流程图如下所示：
图2.4系统工作信号流程图
系统工作原理如下：
初始状态，对于主干道，计数器预置数45秒，在CP脉冲的作用下开始进行倒计时，当倒计数至零时，可以对信号灯控制电路产生一个上升沿的单脉冲，该脉冲将作为74LS161的脉冲输入，完成一次计数，实现对绿灯，黄灯和红灯的亮灭的控制，此时红灯亮，当三种信号灯完成一次状态变化时，将变化的信号传送给74LS138译码器，由该译码器选中相应的74LS465预置的倒计时数，并将该倒计数置给计数器74LS190，完成一次工作循环，然后是5秒的黄灯，最后是30秒的红灯。
对于支干道而言，循环时间是50秒，25秒，5秒，其具体的循环过程与主干道一致。
三．单元电路设计与分析
3.1秒脉冲发生电路
秒脉冲发生电路是该系统的时间动力，提供计数器的工作时钟频率，从而完成倒计数模块信号传递。
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。
其工作原理图如下所示：
图3.5555秒脉冲发生器
555定时器周期计算：
T1＝（R1＋R2）Cln2=0.7（R1＋R2）C
T2=R2Cln2=0.7R2C
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1s，即T=1，所以可设置参数
R1=57.72kR2=28.86kC=10uFCf=10uF
说明：
在电路仿真的过程中，为了保证仿真的准确性，该模块产生的脉冲信号可以由信号发生器来代替。
3.2倒计数以及显示单元
十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们更直接准确地把握时间。
具体工作方式为：
当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式工作，直到减到数为“0”，产生一个标志信号，控制十字路口绿、黄、红变换，一次工作循环结束，进入下一个某方向的工作循环。
倒计时的显示由四输入的DCD—HEX数码显示，显示计数器的输出值。
有多种减法计数器可供选择，例如74190，74191，74192，74193等等。
在这里，计数器我们选用集成电路74190进行设计，是比较简便的。
通过两种接线我们来实现倒计时计数器，74190是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能，保持功能。
74190没有专用的清零输入端，但可以借助QA、QB、QC、QD的输入数据间接清零功能。
功能表如下：
D/U
CLK
ABCD
QAQBQCQD
0
ABCD
0
1
1
减计数
0
0
1
加计数
1
1
0000
表3—174190的功能表
图3.674LS190的管脚图
要实现45s/25s/5s的倒计时，需要选用两个74190芯片级联成一个从99倒计到00的计数器。
两片计数器之间采用异步级联的方式，利用个位计数器的借位输出脉冲（RCO′）直接作为十位计数器的计数脉冲（CLK），个位计数器输入秒脉冲作为计数脉冲。
选用两只带译码功能的七段显示数码管实现两位十进制数的显示。
D1﹑C1﹑B1﹑A和D0﹑C0﹑B0﹑A0是十位和个位计数器的8421BCD码置数输入端。
由74LS190的功能表可知，该计数器在零状态时RCO′端通过或门控制两片计数器的控制端LOAD′（低电平有效），从而实现了计数器减计数至“00”状态瞬间完成置数的要求。
通过8421BCD码置数输入端，可以选择100以内的数值，实现0~100秒内自由选择的定时要求。
其电路连接图如下所示：
图3.7倒计数以及显示单元电路图
分析：
每当该模块的计数到01时候，通过或非门的连接可以得出以下的输出信号：
即，未倒计数至01时信号输出低电平，当计数至01时，产生高电平，由此过程产生一个上升沿的单脉冲，该脉冲传送至下个模块：
信号灯控制芯片：
74LS161，作为该芯片的工作时钟。
3.3信号灯控制单元
信号灯控制模块，当相应的倒计时到00时，完成信号灯的转换，用于标示交通路口的通行状态。
本模块采用74LS161芯片，配合相应的门电路完成三种信号灯的轮流转换。
在本系统中，通过反馈清零法，使该计数器工作在0000-0001—0010三个状态循环每次接收到来自倒计数的一个脉冲，该计数器进行一次计数。
G（1,0）=绿灯（亮，灭），Y（1,0）=黄灯（亮，灭），R（1,0）=红灯（亮，灭）；则其相应的表达式为：
对于主干道：
G（0）=QA+QB；Y
（1）=QA；R
（1）=QB；
对于次干道：
R（0）=QA+QB；G
（1）=QA；Y
（1）=QB；
其中，74LS161真值表如下表3-2所示：
表3-274160的功能表
CP
RD
LD
EP
ET
X
0
X
X
X
XXXX
0000
上升沿
1
0
X
X
ABCD
ABCD
X
1
1
0
X
XXXX
保持
X
1
1
X
0
XXXX
保持
下降沿
1
1
1
1
XXXX
加计数
说明：
该模块接受的信号来自倒计时计数电路的上升沿脉冲，传出的信号000-001-010三个信号，传送至定时预置数模块。
则该模块的电路图如下所示：
图3.8信号灯控制单元
3.4顺序定时置数单元
因为数码管每次显示的时间是从不同时间基点开始的（主干道45、5、30，支干道50、25、5），所以必须要有一个顺序定时置数单元，来控制当某一个数码管显示“0”后，下一步要从哪个数字开始倒计时。
在这里可以选择74465来实现这一功能。
每个干道选用三片74465组成按顺序定时置数的控制电路，三片74465输入端分别以8421BCD码的形式由按键设定主、支干道的通行时间和黄灯亮的时间。
输出端按照高、低位对应关系并联并按照Y8~Y1由高到低排列后，接到倒计时计数器的置数输入端。
三片74465的选通控制端分别有对应状态的上一状态选通（低电平有效），从而完成对倒计时计数器的预置数。
每一组的三片74465中任何时刻只能有一片选通，其他两片输出端均处于高阻态。
这样就完成了顺序定时置数的功能。
其中，74465的功能表如下表所示：
图3.874465的功能表
倒计时计数器与信号灯转换器的配合主要靠顺序定时置数控制电路。
根据系统的设计要求，主干道的绿灯亮的时间是45秒，可以为第一个74465设置为01000101，黄灯亮的时间是5秒，则给第二个74465设置为00000101，红灯亮的时间是30秒，则要给第三个74465预置为00110000；支干道的红灯亮的时间是50秒，可以为第一个74465设置为01010000，绿灯亮的时间是25秒，则给第二个74465设置为00100101，黄灯亮的时间是05秒，则要给第三个74465预置为00000101，他们的顺序由74LS138译码器来控制，74LS138的功能表如下表2-3所示。
表2-374LS138的功能表
控制输入
译码码输入
输出
S1S2+S3
A2A1A0
Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8
X1
XXX
11111111
0X
XXX
11111111
10
000
01111111
10
001
10111111
10
010
11011111
10
011
11101111
10
100
11110111
10
101
11111011
10
110
11111101
10
111
11111110
74LS138译码器接收来自三个信号灯变化状态时的电平高低变化，如对主干道来说，绿灯时为000，黄灯时001，红灯时010，经74LS138译码器译码后分别选中第一第二第三片74465，进而可以给倒计时电路预置初始的倒计时数。
在设计该电路模块的时候，为了方便以后调节时间，特别采用可以调节定时时间的拨码开关来控制所置的数，定时预置数功能模块的电路图3.9如下所示：
图3.9定时预置数功能模块电路图
说明：
该电路的信号来源来自于信号灯的控制电路，输出的为倒计时电路提供与预置数，完成控制相应灯的闪亮时间。
3.5黄灯闪烁以及蜂鸣提示单元
我们要求黄灯点亮的时候，黄灯进行闪烁，用于提醒交通通过者，故用一个频率为1Hz的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接至黄灯，即可实现黄灯闪烁的效果！
同时将黄灯的输出信号接给蜂鸣器，即可在黄灯闪烁的同时使蜂鸣器发出声响！
提醒路人：
黄灯亮了，请等一等！
如下为黄灯闪烁以及蜂鸣提示单元电路图：
图3.10黄灯闪烁以及蜂鸣提示单元电路图
说明：
该电路模块的信号来源有黄灯的点亮信号控制，配合相应的频率发生器，实现闪烁与蜂鸣报警的功能。
四．系统仿真
4.1仿真说明
对于该电路的整体仿真，说明如下：
1.初始化时主干道绿灯开始亮，时间为45秒，此时次干道红灯亮，时间是50秒；当主干道倒计时完成时，黄灯闪烁并且蜂鸣报警，此时次干道的红灯仍然亮，时间剩余5秒；当主干道的黄灯闪烁时间到零的时候，主干道的红灯点亮，时间是30秒，次干道的绿灯点亮，时间是25秒；当次干道的时间为零时候，其黄灯点亮闪烁并且蜂鸣报警，此时，主干道的红灯仍然点亮，时间是5秒。
2.为了便于电路的仿真准确性，秒脉冲发生装置用信号发生器来代替，便于电路的布局，增加了电路仿真的准确性。
4.2系统仿真示意图
1.循环过程一：
初始化时，主干道显示时间45秒，亮灯绿灯，次干道显示50秒时间，亮红灯，确保主干道上正常通行，次干道上禁行，其仿真结果如下图4.1所示：
图4.1循环过程一初始化电路显示仿真图
2.循环过程二：
主干道显示时间5秒，亮灯黄灯，次干道显示5秒时间，亮红灯，确保提醒主干道上注意“等一等”，次干道上禁行，其仿真结果如下图4.2所示：
图4.2循环过程二电路显示仿真图
3.循环过程三：
主干道显示时间30秒，亮灯红灯，次干道显示25秒时间，亮绿灯，确保次干道上通行，主干道上禁行，其仿真结果如下图4.3所示：
图4.3循环过程三电路显示仿真图
4.循环过程四：
主干道显示时间5秒，亮灯红灯，次干道显示5秒时间，亮绿灯，确保提醒次干道上注意“等一等”，主干道上禁行，其仿真结果如下图4.4所示：
图4.4循环过程四电路显示仿真图
仿真说明：
以上四个过程将完成该系统的一个循环，如果没有人为的干涉，该系统将沿着这样的循环一直进行下去；考虑到实际的情况并非总是主干道上的车流量大，可以进行人为的干预，即通过改变定时预置树模块的预置数，重新设置主干道和次干道的时间分配，达到人性化的工作状态。
五．系统综述以及总体电路图
5.1系统综述
本系统的设计，主要的特色在于将主干道和次干道的控制进行部分分开，即分开进行控制，同时，他们两个有紧密的联系，通过公用秒脉冲信号，用时间的联系将两者紧密的结合起来。
所设计系统通过将555多谐振荡器产生的秒脉冲，该脉冲信号传送至倒计时电路，该电路进行倒计时并且将时间显示，显示到00时的信号传送至信号灯控制电路，由该电路控制信号灯进行有规律的交替的变化，变化瞬间产生的各个信号灯的电平状态传送至定时置数电路，由该电路完成对倒计时电路的置数功能，从而形成一个干道完整的循环。
5.2总体电路图
六．结束语
到这里，本交通信号灯的控制系统基本介绍完毕，该信号灯控制系统完整的完成了预期的目的：
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。
同时为使该系统更加的人性化，增加其面对多种情况的应对策略，出色的完成了一些附加的功能，主要有：
1.黄灯亮的时候伴随黄灯闪灯和蜂鸣提示；2.考虑到主干道与次干道车流量的变化，为了人性化的控制交通信号灯，可以自由设定主干道和次干道各个信号灯的亮变时间，在0-99范围内变化。
本系统的一大特色之处是，将主干道与次干道的控制既进行了部分分开，避免了之间的相互干扰，同时也便于分开进行控制，此外又将两条干道进行时间的紧密联系，确保该信号灯控制系统，可以按照需要无误的完成其指挥交通的功能。
七．元件明细表
7.1元件明细列表
序号
名称
型号参数
数量
备注
1
74LS190D
74LS系列
4
计数器
2
4002BD_5V
CMOS_5V,
5
四输入或非门
3
74LS465N
74LS系列
6
选通芯片
4
7404N
74STD
4
非门
5
74LS00D
74LS系列
2
两输入与非门
6
74LS161
74LS系列
2
计数器
7
4001BD_5V
CMOS_5V
2
两输入或非门
8
74LS138
74LS系列
2
3-8译码器
9
BUZZER
1000HZ
2
蜂鸣器
10
SWITCH
单开双掷
48
开关
11
DCD_HEX
ORANGE
4
数码显示
表7-1元件明细列表
图7.1由multisim输出的元件清单图
7.2元件说明
1.74LS190D为倒计时模块的倒计时芯片，本系统中一共是用了4个；
2.CMOS_5V,4002BD_5V为四输入的或非门，一共使用了5个；
3.74LS465N为定时置数模块的预置数芯片，一共使用了6个；
4.74STD,7404N为单输入的非门，本系统一共使用了4个；
5.74LS00D为两输入的与非门，本系统一共使用了2个；
674LS161为计数器，用于控制信号的的转换，本系统一共使用了2个；
7.CMOS_5V,4001BD_5V为两输入的或非门，系统一共使用了2个；
8.74LS138为3-8译码器，用于选择置数的定时预置数，一共使用了2个；
9.1000HZ的蜂鸣器使用率两个，用于控制黄灯是的蜂鸣报警；
10预置数的开关选择，根据需要一共使用了48个；
11.四输入的数码显示管DCD_HEX，一共使用了4个，显示主干道和次干道上的时间。
八．参考文献
[1]王连英主编.基于Multisim10的电子仿真实验与设计.北京市：
北京邮电大学出版社，2009.08
[2]林涛主编.楚岩,田莉娟，林薇编著.数字电子技术.北京：
清华大学出版社，2006（2007重印），2006年6月第一版
[3]袁宏，李忠波等著.电子设计与仿真技术.北京：
机械工业出版社，2010.4
[4]刘福太主编.梁发麦、魏书田、林洪文编著.红版电子电路.北京:
科学出版社,2007
[5]刘修文编著.实用电子电路图集.中国电力出版社.北京.2006.3
九．收获体会与总结
9.1收获体会
通过这次的数字电子技术课程设计实验，我学到了许多之前课堂上没有的实践性的东西，同时也真正的体会到了数字电路的神奇之处。
在整个课程设计的过程中，我学到的不仅是书本上的知识理论，通过查阅资料，我更加明白了交通信号控制方面的一些前沿发展，增长了自己的见识，也学会了通过在图书馆查阅书籍和上网查询一些有用的知识。
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，但是这是我们努力的成果。
在计数电路和显示电路方面也可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。
总之，这次的数电课程设计让我学到了好多，更让我体会到了做一件事要有毅力，更要肯动脑筋，多想方法，你会收获颇多的。
9.2问题反思以及对未来交通信号控制的思考
问题反思
1.我们设计的仅仅是交通信号控制的干道信号控制，没有涉及到人行道等的信号控制，功能并非是完善的。
2.精确度方面，我们设计的秒脉冲产生模块，经测试并非精确至一秒，存在时间的误差，这与我们的设计简单性可能有关，并非将诸多的因素考虑完全。
3.各器件都有延时，可能会对电路
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