交通信号灯电子技术课程设计报告.docx
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交通信号灯电子技术课程设计报告
数电课程设计报告
电子科学系
班级：
10电信班
姓名：
薛汉伟卓桂城杨坤
学号：
100703140
100703157
100703141
一、内容摘要
本电路通过由两个D触发器组成的四进制计数器和由与非门组成的译码器来控制主干道和支干道红、黄、绿灯的状态变化，从而达到疏导车辆安全顺利通过十字路口的作用，由555计时和电容电阻组成秒脉冲发生器；计时器由两个74LS190计数器组成，分别用于计时间的十位和个位；显示译码器把74LS190输出的BCD码译成7位二进制代码，驱动数码管显示相应的BCD码所对应的十进制数。
二、交通信号灯设计内容及要求
由一条主干道和一条支干道的汇合形成十字路口，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了红、绿、黄三色信号灯。
红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行使中的车辆有时间停靠到禁行线之外；
任务和要求：
1、主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒。
2、每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒，此时原红灯不变。
3、用十进制数字显示放行及等待时间。
三、方案分析
十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。
有一个主干道和一个支干道的十字路口如图所示。
每边都设置了红、绿、黄色信号灯。
红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。
因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。
路口交通指挥系统示意图
系统工作流程图如图所示。
主干道绿灯亮，支干道红亮，计数器由30开始递减计数
S1
主干道黄灯亮，支干道红灯亮，计数器由5开始递减计数
S2
主干道红灯亮，支干道绿灯亮，计数器由20开始递减计数
S3
主干道红灯亮，支干道黄灯亮，计数器由5开始递减计数
S4
系统工作流程图
要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、信号灯译码驱动电路、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路等几部分组成，整机电路的原理框图如图所示。
四个路口设有红、黄、绿三色灯和两位8421BCD码的计数、译码显示器。
交通信号灯控制系统原理组成框图
十字路口车辆运行情况只有4种可能：
1）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30s。
2）30s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5s。
3）5s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20s。
4）50s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为5s。
5s后又回到第一种情况，如此循环反复。
因此，要求主控制电路也有4种状态，设这4种状态依次为：
S0、S1、S2、S3。
状态转换图如图所示。
4、原理图设计
1信号灯状态控制器
十字路口车辆运行情况只有4种可能，实现这4个状态的电路，可以用两个D触发器组成一个四进制的计数器。
我采用的一片74HC74实现。
74LS74的引脚排列图：
74LS74的功能表：
74LS74的接线图所示：
D触发器的状态方程为Q*=Q',load每输入一个时钟脉冲Q0的状态改变一次，U7A将load输入的时钟脉冲二分频后送给U7B,即load每四个脉冲U7A和U7B的状态回到原来的状态，即四进制计算器。
2信号灯译码驱动电路
主、支干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。
它们之间的关系见真值表。
对于信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。
列出信号灯的真值表：
状态控制器输出
主干道信号灯
支干道信号灯
Q1
Q0
红（R）
黄（Y）
绿（G）
红（r）
黄（y）
绿（g）
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
根据真值表可以写出各信号灯的逻辑函数式：
用发光二极管模拟交通灯的工作状态，根据逻辑函数表达式画出的电路图如图所示。
因为门电路带灌电流负载的能力强，故设计成门电路输出低电平时，相应的发光二极管亮。
3置数译码电路
要实现30秒、20秒、5秒倒计时，就要在计数器倒计时到零的时候给计数器的置数端送入下一状态相应的时间数。
列出置真值表：
Q1Q0
hgfedcba
00
01
10
11
00000101
00100000
00000101
00110000
根据真值表可以写出逻辑函数表达式：
h=0g=0f=Q0e=Q1Q0d=0c=a=Q0'b=0
4计时系统
74LS190具有可对8421BCD进行计数、可逆计数、有联级脉冲输出、可由送数控制进行异步置数、并行输出、可联级到n位应用等功能，所以可以用74LS190做为计时系统的计时器。
74LS190的时序图：
74LS190的引脚排序图：
74SL190的功能表：
计时系统由两片74LS190构成的计数器、74HC00和74HC04构成的置数、状态转换信号输出电路组成。
如图所示。
用两片74LS190组成两位十进制减法计数器，当计数器状态为零时，U5C输出信号load,作为置数控制信号，将置数译码器输出的数据送入计数器。
Load送入状态计数器74LS74，作为状态计数器的时钟脉冲。
5显示译码器
显示译码器我们使用两片74LS48芯片。
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。
74LS48管脚图
6共阴七段LED共阴数码管
数码管分为共阳极结构和共阴极结构。
若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。
数码管的每段都加一个360Ω的电阻。
数码管的接线图：
7555振荡器构成的秒脉冲电路
时器555定时器内部结构和引脚排列图，如内部电路图，引脚排列图。
555定时器内部含有一个基本RS触发器，配个电压比较器C1,C2,一个放电三极管T由三个5K的电阻的分配器，555定时器因此而得名一个输出缓冲器G3。
比较器C1的参考电压为2VCC/3加在同相输入端C2的参考电压为VCC/3加在反相输入端，两者均由分在器上取得。
555定时器引脚排列图
555的内部电路图
555定时器个引线端的用途如下：
1端为接地线；
2端为低电平触发端，也称为触发输入端。
当2端的输入高电压高于VCC/3时，C2输出为1；当输入电压低于VCC/3时，C2的输出为0，使基本触发器置1；
3端U0为输出端；
4端是复位端，当
=0时，基本触发器直接置0，使Q=0，
=1；
5端UDD为电压控制端，如果CO端另加控制电压，则可以改变C1，C2的参考电压。
工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01uF的电容接地，以防旁路干扰；
6端TH为高电平触发端，当输入电压低于2VCC/3时，C1的输出为1；当输入电压高于2VCC/3时，C1的输出为0，使基本触发器置0，即Q0=0，
=1，这时定时器输出U0=0；
7端D为放电端。
当基本触发器的
=1时，放电晶体管T导通，外接电容元件通过T放电；
8端VCC为电源端，可在4.3-1.6V范围内使用，若为CMOS电路，则VCC=3-18V。
555定时器功能表，它全面表示了555的基本功能：
多谐振荡器产生矩形波的自激振荡电路，由于矩形波包含和高次谐波成分，因此称为多谐振荡器。
多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。
用555实现多谐振需要外接电阻R1，R2和电容C，并外接+5V的直流电源。
只需在+VCC端接上+5V的电源，就能在3脚产生周期性的方波，如图所示。
3脚输出的言方波的周期为T=（R1+R2）Cln2
本电路采取R1=15K,R2=68K,C1=0.1uF,C2=10uF。
8元件清单
元件
数量
74LS190
2
74HC74
1
74HC00
2
74HC04
1
74LS48
2
NE555
1
电阻、电容
若干
LED
6
共阴数码管
2
5、整体电路图以及工作原理
整体电路图见附录一。
由555组成的振荡器产生周期为一秒的时钟信号，送给计时器，计时器做减法计数，74LS48译码器把计时器输出的8421BCD码译成驱动数码管显示的七段二进制代码，使数码管显示相应的十进制数。
当计时器减到零状态，RCO1和RCO2分别输出一个低电平信号，通过非门和与非门，load输出一个低电平信号，置数译码电路输出的数据送入计时器，load在上升沿到来时，信号灯状态控制器的计数器加1，信号灯转到下一状态。
计时器继续倒计时，如此循环下去。
6、原理图仿真
这里用的是Proteus仿真软件，仿真原理图如下图：
主干道绿灯亮，支干道红灯亮，开始30秒倒计时。
主干道黄灯亮，支干道红灯亮，开始5秒倒计时。
主干道红灯亮，支干道绿灯亮，开始20秒倒计时。
主干道红灯亮，支干道黄灯亮，开始5秒倒计时。
从仿真结果可知，计时器能够正确置数，时间显示正常，仿真符合题目要求。
7、收获、体会和建议
为了这次课程设计，我们去图书馆和上网查阅了很多相关资料，包括各个芯片的引脚图和相关的功能，电路的连接和原理。
由于实验室的条件问题，我们要用到PROTEUS这个仿真软件来实现交通灯系统，为此我们学习了PROTEUS这个软件的用法。
经历了多天的努力，我们终于确定了器件和电路图，利用PROTEUS软件的仿真，我们最终完成了这个课程设计。
在完成这个课程设计的过程，我们遇到了很多难题，一开始是十分迷茫的，但通过大量资料的查阅，开始对它有点了解，慢慢的明白它的原理。
而最终完成了，让我们感到非常的兴奋。
虽然过程很艰难，但收获却很丰富，通过这个课程设计，我们了解到很多课本没有的知识，还能把自身学习到的东西运用到实际中，锻炼我们去寻求资料和解决难题的能力，这对我们以后的工作有非常大的帮助。
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