简易交通信号灯控制器.docx
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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…………………………………………………………………………………2
1、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.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DCDHEX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1
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＝（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=28.86kR2=57.72kC=10uFCf=10uF
图2
2、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，其功能表如表1。
复位输入
置数输入
时钟
输出
R0
（1）R0
（2）
S9
（1）S9
（2）
Cp0Cp1
Q3Q2Q1Q0
11
11
X0
0X
1X
X0
11
11
XX
XX
XX
XX
0000
0000
1000
1001
R0
（1）R0
（2）=0
S9
（1）S9
（2）=0
CpX
XCp
CpQ0
Q3Cp
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1
74LS290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的输出作为控制器的Cp脉冲。
Q3Q2Q1Q0
R0
（1）R0
（2）=0
S9
（1）S9
（2）=0
Cp
0000
0001
0010
0011
0100
分频模块如图4：
表2：
图4
3、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，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6
A1，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：
Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7
A1B1C1
A2B2C2
45s
00000000
10000000
11100000
11110000
11111000
11111100
11111110
11111111
010
010
010
010
010
010
010
010
100
100
100
100
100
100
100
100
5s
01111111
001
100
25s
00111111
00011111
00001111
00000111
00000011
100
100
100
100
100
010
010
010
010
010
5s
00000001
100
001
表3
由此真值表的如下关系：
A1=Q1Q7B1=Q7+Q0C1=Q0Q1A2=Q7+Q1B2=Q1Q6C2=Q6Q7
控制器的电路如图7所示：
图7
4、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Q0~Q3即可预置成与输入端D0~D3相一致的状态。
而它的计数是同步的，靠Cp加在四个触发器上实现，当计数控制端CT为低电平，在Cp上升沿作用Q0~Q3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9
74190与指示灯控制端真值表如下：
主干道
支干道
绿
黄
红
高位片HGFE
低位片
DCBA
绿
黄
红
高位片
HGFE
低位片
DCBA
1
0
0
0100
0101
0
0
1
0101
0000
0
1
0
0000
0101
1
0
0
0010
0101
0
0
1
0011
0000
0
1
0
0000
0101
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DCDHEX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、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11
2主干道黄灯，支干道红灯状态
图12
3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
01
555定时器
555Timer
1
秒脉冲发生器
02
2-5进制计数器
74290N
1
分频器
03
八位移位寄存器
74164N
1
计数功能
04
十进制可逆计数器
74190N
4
减计数器
05
或门
7432N
1
每片4个
06
与非门
7400N
3
每片4个
07
非门
7404N
5
每片6个
05
数码管
DCDHEX
4
数码显示
06
发光二极管
LED
6
红黄绿各两个
07
电阻
IPC-7351\Chip-R0805
4
28.86k、57.72k、649
08
电容
IPC-2221A/2222\CAPPA3600-3000X1500
2
10ｕF
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
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2、赵文博·新型常用集成电路速查手册·人民邮电出版社·2006
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4、杨刚周群主编·电子系统设计与实践·电子工业出版社·20041
5、李金平沈明山姜余祥编著·电子系统设计·电子工业出版社·20078
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7、陆应华主编·电子系统设计教程·国防工业出版社·20052
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10、刘刚王立香编著·Multisim＆Ultiboard10原理图与PCB设计·电子工业出版社·2009
11、（美）WilliamKleitz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
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