交通灯控制逻辑电路设计.doc
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数字电子技术课程设计
题目交通灯控制逻辑电路设计
系（部）信息工程系
班级11通信1班
姓名
学号
指导教师
2013年7月1日至7月7日共1周
2013年7月5日
课程设计成绩评定表
出勤
情况
出勤天数
缺勤天数
成
绩
评
定
出勤情况及设计过程表现（20分）
课设答辩（20分）
说明书（20分）
设计成果（40分）
总成绩（100分）
提问
（答辩）
问题
情况
综
合
评
定
指导教师签名：
年月日
课程设计说明书
目录
1引言 1
1.1功能要求 1
1.2总体方案设计 1
2设计原理 2
2.1白天工作模式 2
2.2夜晚工作模式和总设计图 2
3总体设计 3
3.1单元电路 3
3.1.1秒脉冲产生电路 3
3.1.2信号灯转化器 4
3.1.3JK触发器 5
3.1.4倒计时计数器 6
3.1.5倒计时计数器与信号灯转化器的连接 7
3.1.6黄灯闪烁控制 8
3.1.7白天夜间模式的转换 9
3.2时序仿真结果 9
3.2.1白天工作模式 9
3.2.2夜间工作模式 10
4仿真软件简介 12
5设计总结 13
6参考文献 14
7附录 15
1引言
城市十字交叉路口为确保车辆、行人安全有序地通过，都设有指挥信号灯。
交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显效果。
因此如何采用合适的方法，使交通信号灯的控制与交通疏导有机结合，最大限度缓解主干道与匝道、城市同周边地区的交通拥堵情况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门以待解决的主要问题。
以下就一个简单的交通灯控制系统的电路原理、设计和仿真测试等问题来进行具体分析。
1.1功能要求
要求东西方向的红、黄、绿灯和南北方向的红、黄、绿灯按照上面的工作时序进行工作，黄灯亮时应为闪烁状态；
1）南北和东西车辆交替进行，各通行时间24秒
2）每次绿灯变红灯时，黄灯先闪烁4秒，才可以变换运行方向
3）十字路口要有数字显示作为时间提示，以倒计时按照时序要求进行显示；
4）可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀状态
（选作：
通行时间和黄灯闪亮时间可以在0-99秒内任意设定）
1.2总体方案设计
GYR
白天工作模式
依据功能要求，交通灯控制系统应主要由秒脉冲信号发生器、倒计时计数器电路和信号灯转换器组成，原理框图如图1.1.1所示。
秒脉冲信号发生器是该系统中倒计时计数电路和黄灯闪烁点控制电路的标准时钟信号源。
倒计时计数器输出两组驱动信号T5和T0，分别为黄灯闪烁和变换为红灯的控制信号，这两个信号经信号灯转换器控制信号灯工作。
倒计时计数电路是系统的主要部分，由它控制信号灯转换器的工作。
夜间工作模式
GYR
信号灯转换器
倒计时计数器
秒脉冲发生器
图1-1交通信号灯的逻辑框图
2设计原理
南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，各20秒。
南北方向黄灯闪亮4秒，东西方向红灯亮4秒。
南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，各20秒。
南北方向红灯亮4秒，东西方向黄灯闪亮4秒。
2.1白天工作模式
图2-1信号指示灯白天工作流程图
2.2夜晚工作模式和总设计图
南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮。
因此总设计图如下图所示：
东西信号灯
南北信号灯
组合逻辑电路
计数器
分频器
秒脉冲产生电路
系统电源
工作方式控制开关
图2-2总设计图
3总体设计
3.1单元电路
3.1.1秒脉冲产生电路
秒脉冲产生电路的功能是产生标准秒脉冲信号，主要由振荡器和分频器组成。
振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的进度决定了计时器的准确度，可由石英晶体振荡电路或555定时器与RC组成的多谐振荡器构成。
一般来说，振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大，故在设计时，一定根据需要设计出最佳电路。
石英晶体振荡器具有频率准确、振荡稳定、温度系数小的特点，但如果精度要求不高的时候可以采用555构成的多谐振荡器。
振荡周期与频率的计算公式为：
T=（R1+2R2）Cln2=0.7（R1+2R2）C,电源电压为Vcc=12V，其中电路图中C1的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，课程设计中要求输出T=1S，选取电容为C=10nF，R1=28.86MΩ，根据振荡周期计算，选择电阻R2=57.72MΩ。
用multisim进行仿真，仿真图如图所示：
图3-1555构成的多谐振荡器
此电路就可以产生脉冲频率为1赫兹的脉冲。
以下对555定时器进行简介：
NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。
NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。
图3-2555定时器内部逻辑电路
3.1.2信号灯转化器
信号灯状态与车道运行状态如下：
S0:
东西方向车道的绿灯亮，车道通行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；
S1:
东西方向车道的黄灯亮，车道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；
S2:
东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道通行；
S3：
东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道缓行。
用以下6个符号来分别代表东西（A）、南北（B）方向上个灯的状态：
GA=1:
东西方向车道绿灯亮；
YA=1：
东西方向车道黄灯亮；
RA=1：
东西方向车道红灯亮；
GB=1：
南北方向车道绿灯亮；
YB=1：
南北方向车道黄灯亮；
RB=1：
南北方向车道红灯亮。
实现信号灯的转换有多种方法，现采用比较典型的方法进行设计，实现信号灯的转换工作。
若选用JK触发器，则原理如下。
3.1.3JK触发器
设状态编码为S0=00,S1=01,S2=11,S3=10,其输出为Q1，Q2，则其与信号灯状态关系如表3—1所示。
表3-1状态编码与信号灯关系表
现态
次态
输出
Q0Q1
00
01
11
10
Q0*Q1*
01
11
10
00
GAYARAGBYBRB
100001
010001
001100
001010
可以得出信号灯状态的逻辑表达式：
GA=Q1’Q0’YA=Q1’Q0RA=Q1
GB=Q1Q0YB=Q1Q0’RB=Q1’
JK触发器的输出状态是与J输入端的状态相同的，同时分析表3-1，触发器0的现态与触发器1的次态相同，触发器1的现态与触发器0的次态相反，因此可以将触发器0的输出端Q、Q’（现态）分别接触发器1的J、K输入端（次态），触发器1的输出端Q、Q’（现态）分别接触发器0的K、J端（次态），取触发器0为、触发器1为，连接后的电路如下图所示：
图3-3JK触发器连接的电路图
3.1.4倒计时计数器
十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们更直观的把握时间。
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，直至减到数位“4”和“0”。
十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。
在倒计时过程中计数器还向信号灯转换器供模4的定时信号T4和模0的定时信号T0，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红灯的变换。
倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。
根据要求，采用两片74190芯片构成计数器，因为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。
采用两片74190芯片可设计成00～99的百进制计数器，再根据线路连接的改变将其连接成24进制计数器。
74190没有专用的清零输入端，但可以借助QD、QC、QB、QA的输出数据间接实现清零功能。
其功能表如下图所示：
表3-274190的功能表
CTEND/U
CLKLOAD
ABCDQAQBQCQD
0
ABCD
01
1
减计数
00
1
加计数
1
1
0000
要实现24s的倒计时，需选用两个74190芯片级联成一个从99到00的计数器，其中作为个位数的74190芯片的CLK接秒脉冲发生器，再把个位数74190芯片输出端QD用一个与门连起来，再接在十位数74190芯片的CLK端。
当个位数减到0时，再减1就会变成9，0（0000）和9（1001）之间的QA、QD同时由0变为1，把QA、QD起来接在十位数74190芯片的CLK端，此时会给十位数74190芯片一个脉冲数字减1，相当于借位。
则又74190芯片的功能性质可知，当个位数74190的C管脚和十位数74190的B管脚同时置1，CTEN端接低电频，加/减计数控制端D/U接高电频实现减计数，预置端LOAD接高电频时计数，接低电频时预置数。
因此，工作开始时，LOAD为0，计数器预置数，置完数后，LOAD变为1，计数器开始倒计时，当倒计时减为00时，LOAD又变为0，计数器又预置数，如此循环下去。
则连接后的电路如下图所示：
图3-4倒计时计数器电路
3.1.5倒计时计数器与信号灯转化器的连接
倒计时计数器向信号灯转换器提供定时信号T4和定时信号T0以实现信号灯的转换。
TO表示倒计时减到数“00”时（即绿灯的预置时间，因为到“00”时，计数器重新置数），此时给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。
接法为：
把个位、十位计数器的输出端QA、QB、QC、QD分别用一个4输入或非门连起来，再把这两个4输入或非门的输出用一个与门连起来。
T4表示倒计时减到数“04”时，给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯的变为黄灯，红灯不变。
接法为：
当减到数为“04”（00000100）时，把十位计数器的输出端QA、QB、QC、QD用一个4输入或非门连起来，个位计数器的输出端QB、QD用一个两输入或非门连起来，再把这两个或非门与个位计数器的的输出端QA、QC’用一个4输入与门连接起来。
最后将T4和T0两个定时信号用或门连接接入信号灯转换器的时钟端。
则连接图如下图所示：
图3-5交通灯信号控制器电路图
3.1.6黄灯闪烁控制
要求黄灯为闪烁状态，即黄灯0.5秒亮，0.5秒灭，故用一个频率为1赫兹的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接至黄灯。
在3.1.1中已用555定时器连接成了频率为1赫兹的多谐振荡器。
3.1.7白天夜间模式的转换
根据任务书的要求，要用一个手动开关来控制白天模式与晚上模式的改变。
由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式可以看出，白天与夜间模式的转换由单刀双掷开关与与门或或门控制。
当开关接上边时为白天工作模式，开关接地时为夜晚工作模式。
则电路连接如下图3-5所示：
图3-6白天夜间的切换开关
在实际生活中，手动开关电路毕竟不方便，因此实际应用中可设计自动开关电路。
用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现），作为白天与夜间的自动转换开关。
这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。
第二天天量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。
在本次课程设计中选择使用手动切换白天与夜晚模式的选择。
3.2时序仿真结果
3.2.1白天工作模式
交通灯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。
信号灯采用红、绿、黄发光二灯模拟。
在实际电路中，开关J2和J7闭合，使个位74190的C管脚接高电平，A、B、D接低电平；十位74190的B管脚接高电平，A、C、D接低电平，并且白天夜间的切换开关不接地。
计数器的开关如下图所示：
图3-7置数法的开关连接方法
白天的工作状态结果如下图3-7所示：
图3-8白天工作状态
3.2.2夜间工作模式
南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮，将设置的手动开关，拨动到接地状态。
电路图工作结果如下图3-7所示：
图3-9夜间工作状态
4仿真软件简介
NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。
借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。
与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。
有如下特点：
1通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路；
2通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为；
3借助高级电路分析,理解基本设计特征；
4通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试；
5通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短研发时间。
5设计总结
通过本次课程设计，使我对数电知识有了更深更广更深刻的理解和掌握。
课设的学习不同于课本的学习，课设是真正要求一个人的思维能力的，课程设计中的每一步没一个小小的细节都必须做到准确无误。
这次课程设计更让我懂得了一个严谨的思维是多么的重要。
电路的连接，芯片和其它各种器件的放置，电路的检查，都需要一个人的动手能力，对个人的能力提高很有帮助。
时间很紧，这一周又在忙碌中过去了，经过一周的数电课程设计，我从原先看见电路图就一头雾水到现在能够设计复杂的数字钟电路，并且能够实现电路的仿真与实物板的制作与调试，之间的巨大变化着实令人吃惊。
但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题，正是在解决问题的期间我才慢慢地熟悉了数字电子技术基础的基础知识，才慢慢学会了如何去按照给定的要求设计出合适的电路，作出电路的实物并对电路进行调试。
本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计一个符合要求的数字钟，本次设计不仅要求我们要掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对数字钟的各个组成部分的原理，包括振荡器的原理、计数器的原理、译码驱动原理都有深刻的理解和掌握，本次课程设计最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有一定的动手能力，能够根据电路图买到我们所需的原件，绘制出仿真电路并调试。
在课设过程中我遇到很多问题，原因有很多比如如何安装软件、调试过程中遇到的问题都不尽相同，但是通过问老师与同学交流都迎刃而解。
在每次课设中，遇到问题最好的办法就是请教别人，因为每个人掌握的情况都不一样，一个人不可能做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才能够简单化。
在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就遇到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简单，来得快。
6参考文献
[1]付家才，电子工程实践技术。
北京：
北京工业出版社，2003
[2]毕满清，电子技术实验与课程设计。
北京：
机械工业出版社，2001
[3]阎石主编，数字电子技术基础（第五版）。
北京：
高等教育出版社，2009
[4]丁润涛主编，电子工程手册。
北京：
机械工业出版社，1995
[5]唐赣主编，Multisim10ltiboard10原理图仿真与PCB设计。
北京：
电子工业工业出版社，2008
[6]郭锁利主编，基于Multisim9的电子系统设计、仿真与综合应用。
北京：
人民邮电出版社，2008
[7]王鸿明，段玉生。
《电工与电子技术》。
等教育出版社，2009.12
[8]吴俊芹，《电子技术实训与课程设计》。
机械工业出版社，2009.4
7附录
表7-1器件明细表
器件明细表
器件名称
器件型号
器件数目
与门
7408N
13个
或门
7432N
3个
非门
7404N
1个
与非门
7400N
1个
JK触发器
7473N
2个
计数器
74190N
2个
定时器
IC555
2个
七段译码器
DCD-HEX-YELLOW
4个
电容
10nf
4个
电阻
28.86Ω
2个
电阻
57.72Ω
2个
电阻
5kΩ
1个
开关
手动开关
9个
发光灯
发光灯
6个
图7-1仿真电路图
16
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