交通灯控制电路设计.docx
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交通灯控制电路设计
计算机科学与工程学院
综合设计报告
设计名称：
基础硬件综合设计
设计题目：
交通灯控制电路设计
学生学号：
专业班级：
学生姓名：
学生成绩：
指导教师（职称）：
（讲师）
课题工作时间：
2013/3/4至2013/3/15
说明：
1、报告中的第一、二、三项由指导教师在综合设计开始前填写并发给每个学生；四、五两项（中英文摘要）由学生在完成综合设计后填写。
2、学生成绩由指导教师根据学生的设计情况给出各项分值及总评成绩。
3、指导教师评语一栏由指导教师就学生在整个设计期间的平时表现、设计完成情况、报告的质量及答辩情况，给出客观、全面的评价。
4、所有学生必须参加综合设计的答辩环节，凡不参加答辩者，其成绩一律按不及格处理。
答辩小组成员应由2人及以上教师组成。
5、报告正文字数一般应不少于5000字，也可由指导教师根据本门综合设计的情况另行规定。
6、平时表现成绩低于6分的学生，其综合设计成绩按不及格处理。
7、此表格式为武汉工程大学计算机科学与工程学院提供的基本格式（适用于学院各类综合设计），各教研室可根据本门综合设计的特点及内容做适当的调整，并上报学院批准。
成绩评定表
学生姓名：
学号：
班级：
类别
合计
分值
各项分值
评分标准
实际得分
合计得分
备注
平时表现
10
10
按时参加综合设计，无旷课、迟到、早退、违反实验室纪律等情况。
完成情况
30
20
按设计任务书的要求完成了全部任务，能完整演示其设计内容，符合要求。
10
能对其设计内容进行详细、完整的介绍，并能就指导教师提出的问题进行正确的回答。
报告质量
35
10
报告文字通顺，内容翔实，论述充分、完整，立论正确，结构严谨合理；报告字数符合相关要求，工整规范，整齐划一。
5
课题背景介绍清楚，综述分析充分。
5
设计方案合理、可行，论证严谨，逻辑性强，具有说服力。
5
符号统一；图表完备、符合规范要求。
5
能对整个设计过程进行全面的总结，得出有价值的结论或结果。
5
参考文献数量在3篇以上，格式符合要求，在正文中正确引用。
答辩情况
25
10
在规定时间内能就所设计的内容进行阐述，言简意明，重点突出，论点正确，条理清晰。
15
在规定时间内能准确、完整、流利地回答教师所提出的问题。
总评成绩：
分
补充说明：
指导教师：
（签字）
日期：
年月日
答辩记录表
学生姓名：
学号：
班级：
答辩地点：
答辩内容记录：
答辩成绩
合计
分值
各项分值
评分标准
实际得分
合计得分
备注
25
10
在规定时间内能就所设计的内容进行阐述，言简意明，重点突出，论点正确，条理清晰。
15
在规定时间内能准确、完整、流利地回答教师所提出的问题。
答辩小组成员（签字）：
年月日
指导教师评语
指导教师：
（签字）
日期：
年月日
一、综合设计目的、条件、任务和内容要求：
目的：
《数字逻辑》是计算机专业的重要专业基础课。
该课程的工程实践性很强，必须靠大量的实验以及真正的电路制作才能加深对电路的理解，更好地掌握课程内容。
其中组合逻辑电路与时序逻辑电路是这门课程的重点内容，本课题就是对逻辑电路的综合应用。
通过这次设计不仅可以培养学生的动手实践能力，还可以提高其分析和解决问题的能力。
条件：
数字逻辑实验箱一台、集成芯片若干
任务：
1、根据系统功能要求，设计总体方案；
2、设计各单元电路，画出电路原理图；
3、制作并调试单元电路；
4、进行系统联调与测试；
5、书写综合设计报告。
内容要求：
结合日常生活实际，设计制作一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒，黄灯先亮5秒，才能变换运行车道。
指导教师签字：
徐银霞
2012年12月12日
二、进度安排：
1．总体方案设计，画出系统框图（1～2天）
2．单元电路设计、制作与调试（5～6天）
3．结果分析及书写报告（2～3天）
三、应收集资料及主要参考文献：
[1]白中英.数字逻辑与数字系统[M].北京:
科学出版社,2008
[2]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].北京:
高等教育出版社,2006
[3]欧阳星明.数字逻辑[M].武汉:
华中科技大学出版社，2005
[4]王永军.数字逻辑与数字系统[M].北京:
电子工业出版社,2005
四、综合设计（课程设计）摘要：
位于十字路口的交通灯，是用来控制车辆的流动，主要是提高十字路口的通行效率，尽量减少交通事故。
本交通灯设计主要是由秒脉冲发射器、定时器、控制器和译码器四个部分组成。
其中秒脉冲发射器是由秒脉冲产生的脉冲信号，定时器是由74LS163实现的，控制器是由74LS74完成，译码器是由组合逻辑实现。
总的控制电路是由控制器通过控制定时器来实现红、黄、绿等的转换功能。
关键字：
交通灯；脉冲信号；控制器；定时器；触发器
五、综合设计（课程设计）Abstract：
Locatedintheintersectiontrafficlights,isusedtocontroltheflowofvehicles,main
istoimprovetheefficiencyoftheintersectiontraffic,trytoreducethenumberoftraffic
accidents.Thetrafficlightisdesignedbythesecondpulsetransmitters,timer,controller
anddecoderfourparts.Onesecondpulsetransmittersisproducedbythesecondpulsepulse
signal,thetimerismadeof74LS163implementation,controllerismadeof74LS74
completed,decoderisrealizedbytheassemblylogic.Totalcontrolcircuitisbythe
controllerthroughthecontroltorealizethetimerred,yellow,andgreenfunctionofthe
Conversion.
Keyword:
trafficlights;Thepulsesignal;Controller;Thetimer;trigger
目录
摘要………………………………………………………………………………………II
Abstract…………………………………………………………………………………...III
第一章绪论……………………………………………………..……………………….1
1.1设计背景……………………………………………………………………………....1
1.2设计目的………………………………………………..…………………………….2
第二章总体方案设计………………………………………………………..…………..3
2.1组成部分………………………………………………..………………………….…3
2.2工作状态………………………………………………..………………………….…3
第三章详细设计…………………………………………………………..……………...5
3.1定时器的设计…………………………………………..……………………………5
3.2控制器的设计…………………………………………..……………………………6
3.3译码器的设计…………………………………………..………………………....…7
3.3总体电路图…………………………………………..………………………………9
第四章设计结果及分析…………………………………………………..…………...…10
4.1预期结果…………………………………….………………………………..…..…10
4.2实际结果…………………………………………………..…………………..…….10
总结…….……………………………………………………..………………………….11
致谢…….……………………………………………………..………………………….12
参考文献…….………………..………………………………..………………………….13
附录芯片引脚图………...………………………………..………………………….14
摘要
位于十字路口的交通灯，是用来控制车辆的流动，主要是提高十字路口的通行效率，尽量减少交通事故。
本交通灯设计主要是由秒脉冲发射器、定时器、控制器和译码器四个部分组成。
其中秒脉冲发射器是由秒脉冲产生的脉冲信号，定时器是由74LS163实现的，控制器是由74LS74完成，译码器是由组合逻辑实现。
总的控制电路是由控制器通过控制定时器来实现红、黄、绿等的转换功能。
关键字：
交通灯；脉冲信号；控制器；定时器；触发器
Abstract
Locatedintheintersectiontrafficlights,isusedtocontroltheflowofvehicles,mainis
toimprovetheefficiencyoftheintersectiontraffic,trytoreducethenumberoftraffic
accidents.Thetrafficlightisdesignedbythesecondpulsetransmitters,timer,controller
anddecoderfourparts.Onesecondpulsetransmittersisproducedbythesecondpulsepulse
signal,thetimerismadeof74LS163implementation,controllerismadeof74LS74
completed,decoderisrealizedbytheassemblylogic.Totalcontrolcircuitisbythe
controllerthroughthecontroltorealizethetimerred,yellow,andgreenfunctionofthe
Conversion.
Keyword:
trafficlights;Thepulsesignal;Controller;Thetimer;trigger
第一章绪论
1.1设计背景
随着世界范围内城市化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全球化的问题。
城市交通基础设施供给滞后于高速机动化增长需求，道路堵塞日趋加重，交通事故频繁，环境污染加剧等问题普遍存在。
目前，全国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象，交通事故频发，这给人民的生命财产安全带来了极大的损失。
如何解决城市交通问题已成为全社会关注的焦点和大众的迫切呼声。
探究城市交通发展中存在问题的原因，无论是从宏观上还是从微观上分析，其根本原因在于城市交通系统的管理机制不适应。
城市交通控制系统（UTC，UrbanTrafficControlSystem）是现代城市智能交通系统（IDJ，Intelligenttransportsystem）的组成之一，主要用于城市道路交通的控制与管理。
城市平交路口实现交通信号控制是城市交通管理现代化的基本标志之一，是提高交通管理效能的重要技术手段。
路口信号控制器是控制交叉路口交通信号的设备，它是交通信号控制的重要组成部分。
各种交通控制方案，最终都要由路口信号控制器来实现。
为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。
伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高,汽车的数量在不断增加。
AltinumDesignerwinter是一款知名的EDA仿真软件，由加拿大IIT、公司于2007年推出最新版本。
在Windows环境下，此软件有一个完整的集成化设计环境，它将原理图的创建、电路的测试分析、结的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中。
在搭建实际电路之前，采用此仿真软件进行虚拟测试，可使实验方法和实验手段现代化，扩展实验容量，使实验内容更完备，提高了实验效率，节省大量的实验资源。
此软件进行设计仿真分析的基本步骤为：
设计创建仿真电路原理图→电路图选项的设置→使用仿真仪器→设定仿真分析方法→启动此仿真。
因此本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用与实际生活中。
1.2设计目的
学习了一个学期的《数字电子技术》课程，这次的课程设计主要综合了解与运用所学的知识，通过这次课程设计来检查这一学期的学习状况。
通过制作来了解交通灯控制系统，了解译码器、计数器、寄存器芯片的作用。
交通灯控制系统主要是实现城市交叉路口红绿灯的控制。
在现代化的大城市中，十字交叉路口越来越多，在每一个交叉路口都需要有一个准确的时间间隔和转换顺序，这就需要一个安全、自动的系统对红、黄、绿的转化进行管理。
本次的设计就是基于此目的进行的。
设计交通信号控制灯要求某方向绿灯点亮25秒，然后黄灯点亮5秒，最后红灯点亮30秒。
在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。
如果以5秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：
1：
6。
从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：
如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。
信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。
南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。
其它灯不亮。
要求设置手动开关，用手动开关控制白天和夜间工作方式。
第二章总体方案设计
2.1组成部分
系统由控制器和处理器组成，控制器接收外部系统时钟信号。
处理器由定时器和译码显示器组成。
定时器能向控制器发出定时信号，译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号。
系统框图如图2。
图2交通灯控制电路系统框图
AG、AY、AR分别表示甲车道绿、黄、红三色灯；
BG、BY、BR分别表示乙车道绿、黄、红三色灯；
TL:
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到，TL=1，否则，TL=0。
TY：
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到，TY=1，否则，TY=0。
ST：
表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。
由它控制定时器清零并且开始下个工作状态的定时。
2.2工作流程
交通灯控制器的控制过程分为4阶段，对应输出有4种状态：
（1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。
表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔25S时（TL=1），控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。
（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。
表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔5S时（TL=1），控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态
（3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行。
绿灯亮足规定的时间间隔25S时（TL=1），控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定的时间间隔5S（TL=1），时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第
（1）种工作状态。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器进行控制的。
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1-1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：
控制状态信号灯状态车道运行状态
S0（00）甲绿，乙红甲车道通行，乙车道禁止通行
S1（01）甲黄，乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行
S3（11）甲红，乙绿甲车道禁止通行，甲车道通行
S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，甲车道缓行
AG=1：
甲车道绿灯亮；
BG=1：
乙车道绿灯亮；
AY=1：
甲车道黄灯亮；
BY=1：
乙车道黄灯亮；
AR=1：
甲车道红灯亮；
BY=1：
乙车道红灯亮；
该系统的ASM图：
设控制器的初始状态为S0，当S0的持续时间小于25秒时，TL=0，控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个工作状态。
依此类推。
第三章详细设计
3.1定时器的设计
定时器由系统秒脉冲和同步计数器构成。
时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST的作用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供模M25、M5信号，即TL、TY。
定时器框图如下。
器件：
计数器选用74LS161或74LS163及门电路若干。
定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）和计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
定时器原理图
3.2控制器的设计
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。
根据ASM图可得状态表如表1-1。
选用两个D触发器FF1、FF0为时序寄存器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Qn1Q0n＝00状态时，如果TL＝0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝01状态。
这两种情况与条件TY无关，所以用无关项"X"表示。
其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。
表1-1交通灯控制器状态图
根据状态转换表可以推出状态方程和ST信号方程，其方法是：
将Q1n+1Q0n+1和ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中"1"用原变量表示，"0"用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：
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Qn1Q0n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1-5所示。
图5控制器原理图
3.3译码器的设计
系统输出是在Q1Q0驱动下的六个信号灯，各状态与信号灯的关系由表1-2给出。
表1-2译码器状态图
由表得到灯光信号与控制器状态变量的关系为:
器件:
选用74LS139
图6译码器原理图
3.4总体电路图
通过前面分别对定时器、控制器和译码器单独进行设计以后就可以将整个电路图连接起来，在这里我用AltinumDesignerwinter版本的软件连接的实物图，如图3-6所示。
图3-6
第四章设计结果及分析
4.1预期结果
在连接电路图之前要对整个过程进行详细的分析，通过分析后就有一个大体的框架。
在交通灯管理中，分为定时器、控制器和译码器，其中控制器是最难实现的，但是通过步步分析，整个过程其实并不难，分为以下几个过程：
先由基本常识画出原始状态图，再由原始状态图做出原始状态表，经过化简，可以得到化简后的状态表，此时对最简状态表进行编码，选择所需要的触发器，我选择用D触发器，因为所有能用其它触发器完成的时序逻辑电路的设计，D触发器都能完成。
选择了触发器后，再结合得到的最简状态表就可以利用卡诺图写出激励函数和输出函数的表达式，通过表达式就很容易的将电路图画出来了。
控制器的作用就是要控制计时器，所以说这里的控制器起到的另一个作用就是选择器，选择到达3秒将定时器清零还是达到8秒后将定时器清零，这个功能只需要在控制器中实现，而译码器主要是将输出信号Q1和Q0的四种组合形式用6个LED灯进行显示即可。
4.2实验结果
4.2.1结果
通过对整个过程的分析一直到画出电路图，连接实物图最终得到了以下结果：
A道方向的灯的状态为：
绿—>黄—>红—>黄—>绿……；
B道方向的灯的状态为：
红—>黄—>绿—>黄—>红……；
4.2.2实验结果分析
结果分析：
结果完全符合设计要求，达到了实验目的。
说明实验分析正确，设计思路无误。
总结
在不知不觉中，时间又从我们身边悄悄走过，不留一点儿痕迹，现在又到了每个学期的课程设计时间，一边准备考研一边又要准备课程设计，感觉总有那么一点儿仓促，让我有点儿狼狈。
幸好有同学的帮助，不然在这么短的时间内我还真不能完成如此艰巨的任务。
虽然在短短的时间里完成了它，说不是做的很好，但我确实已经尽力了。
不管怎么说，毕竟自己付出过，那么总会有所收获正如熟话说“一分耕耘一分收获”。
这次我做的是交通灯的设计。
在设计的过程中让我认识到自己对嵌入式方面的知识了解的太少，对于书本上的很多知识运用的能力有所欠缺很多的知识需要经过实践之后才会豁然开朗。
只有经过实践书本上的知识才能真正的成为自己的知识。
将理论应用到实践，只有动手动脑，主动请教，查询资料团结合作，不断的发现问题，不断的解决问题，才能有所收获，才能真正的体会到实践的重要性。
课程设计中遇到的各种知识不总是在书上能找到的，所以我们必须，自己查找相关资料，利用图书馆或网络搜索，这是一个比较辛苦的过程，你必须从无数的信息中分离出对你有用的，这也是锻炼我们搜寻、整理信息的能力。
在设计的过程，首先要有一个整体的思路不过幸好徐老师在开始的时候给我们指导一下，让我们知道如何下手。
然后我就就开始着手于各个模块的设计，把整体电路图设计出来。
不过在同学的帮助下和自己的努力下，功夫不负有心人，最终还是克服了困难，完成了本课题的设计。
总之，这次交通信号灯的设计，感觉确实收获颇丰，非常真诚的感谢学校给了我们这样一次机会，也要感谢贺老师对我们的谆谆教导，当然还有组员同学的帮助与劝勉。
这次的课程设计让我为下次的毕业设计积累了宝贵经验。
在这大学四年即将毕业的时候，真心的希望自己能多学点有用的知识和技能，为将来走出校门，走向社会奠定坚实的基础。
致谢
在本次的课程设计中，我得到了很多人的帮助。
在这里，我首先要感谢的就是我的母校，提供了我做本次设计的场所和最基本的设备。
感谢我的指导老师徐银霞老师，感谢你在本实验过程中为我提供的帮助和督促，以及平时对我的教导。
其次就是要感谢我的同学，感谢
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