交通信号灯控制器设计Word文档格式.docx
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数字电子电路是中央电大理工科开放专科电子信息技术专业必修的技术基础课。
该课程不仅具有自身的理论体系且是一门实践性很强的课程。
本课程的任务是解决电子技术入门的问题，使学生掌握数字电子电路的基本工作原理、分析方法和基本技能，为深入学习后续课程和从事有关电子技术方面的实际工作打下基础。
数电的鲜明特点是强调实践性教学，注重工程素质培养和专业基本训练。
因此加强实践环节和实验课改革，是数电课程建设的重要任务之一。
实践是学习电子线路知识和培养电子线路能力的最有效的途径，实验是对理论学习的强化和补充。
国外许多学校电子线路的教学重点在实验室而不在教室，国内许多学校加强实验采取实验单独设课，这些做法都是有益的。
分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合实验阐述了交通灯控制系统的工作原理，设计出一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。
2.设计要求
⑴设计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，甲车道（主干道）放行45秒，乙车道（支干道）通行时间为25秒；
⑵在每次由绿灯变成红灯的转换过程中间，要亮5秒的黄灯作为过度，以使行使中的车辆有时间停到禁止线以外；
⑶由于主干道车辆较多而支干道车辆较少，所以主干道处于常允许的状态，而支干道有车辆来时才允许通行。
当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。
而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯。
1．分析系统的逻辑功能，画出其框图
交通灯控制系统的原理框图如图1-1所示。
它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。
图中：
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。
由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
定时器
甲车道信号灯
秒脉冲发生器
控制器
译码器
TLTYST
乙车道信号灯
图1-1
（1）图1-1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。
绿灯亮满规定的时间隔TL时，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TY时，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满规定的时间间隔TL时，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。
黄灯亮满规定的时间间隔TY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4-1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：
（1）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。
绿灯亮足规定的时间隔TL时，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。
（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TL时，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，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已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TY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所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
表1-1控制器工作状态及功能
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
乙车道红灯亮
2、逻辑总图如1-2所示
图1-2
交通灯控制电路总逻辑图
3、单元电路的设计
（1）秒脉冲发生器
秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R6,C2的电阻电容值决定了脉冲宽度。
图1-3
秒脉冲发生器原理图
如图1-3所示，R6、C2组成一个串联RC充放电电路，在NE555的7脚上输出一个方波信号，C2上得到一个三角波。
此三角波送到NE555的2脚输入端。
由NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。
（2）定时器
定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，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。
计数器选用集成电路74LS163进行设计。
74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。
其功能表如表4-2所示。
图4-4中，SR是低电平有效的同步清零输入端，LD是低电平有效才同步并行置数控制端，CEP、CET是计数状态选择端，TC是进位输出端，P0～P3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。
表1-2
74LS163功能表
其工作原理为：
由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CP分别送给两个74LS163的清零端2处。
如图所示：
输入端3.4.5.6分别接地.。
U1的7和10与U2的15相连。
.即：
只有当时15处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲同时和U3A中的2下作
用产生脉冲。
74LS00在ST中12.13共同作用下将信号11分别送给U1和U2的SR。
可以得到TY和TY非是秒脉冲的4倍；
TL和TL非的结果是秒脉冲的24
图1-4
定时器部分的工作图
（3）控制器
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。
列出控制器的状态转换表，如表1-3所示。
选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1＝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。
控制器原理图如图1-5所示。
图1-5控制器原理图
表1-3控制器状态转换表
根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：
将Q1n+1、Q0n+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。
图中R、C构成上电复位电路。
控制器原理图如图4-5所示。
由两个双多路转换器和一个双D触发器组成控制器。
触发器记录4种状态，多路转换器与触发器配合实现4种状态的相互转换。
其原理为：
CP分别送给U7A和U7B的3和11的清零端。
将TY接入U6的5和U8的4和5；
T/Y/接入U6的4。
如上图所示：
FF1。
FF0两个D触发器作为时序寄存器产生4种状态。
选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的的现态值加到74LS153的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。
（4）译码器
译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。
控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表4-4所示。
表中A、B代表甲、乙车道。
1-4
控制器状态编码与信号灯关系表
Q1
Q0
AG
AY
AR
BG
BY
BR
0
0
1
1
1
图1-6译码器部分原理图
由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CP脉冲，一部分送给了定时器的74LS163芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。
在脉冲ST同时加到定时器74LS163芯片的情况下，通过芯片74LS00将会输出TY。
T/Y/；
TL。
T/L/。
即TY和T/Y/放大的结果是秒脉冲的5倍；
TL和T/L/放大的结果是秒脉冲的25倍。
前者输出的信号是后者的1/5。
将定时器输出的TY。
T/L/分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CP脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。
控制器中的信号在送给由芯片74LS00组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。
四、调试过程中出现的问题及解决方法
电路图设计出来后，接下来的工作变是仿真实验操作，按图接好后开始验证设计电路的准确性，也就是进行调试。
刚开始的时候，电路没有反应，根本不能实行灯的控制功能，找过来几个同学，但是都没有解决问题，看上去电路实在没怎么出错，但就是有错误找不出。
于是无奈之下跑到图书馆借了相关的参考书，看了好半天也没得到结论。
正当我焦头烂额之时，老师发现了我的一出错误：
芯片管角接错了。
我摸着头，这才发现错误原来这么简单，自己竟然没找出来，不过我很快反应过来，找到了解决的办法：
找来了书进行参考。
完成了第一个调试任务后，我又发现，红绿灯的控制不是太符合要求。
当然，理论上错误应该出在设计思路。
于是我很自然的想到查看自己的思路有没有不对的地方，但令我失望的是理论上再也找不出错误。
仔细看着图，思索良久，老师讲过逻辑电路的“0型”冒险与“1型”冒险，那么说问题可能出在通电由于不稳定竞争导致电路瞬间出现逻辑错误，后来证实确实是这样，解决办法如下：
⑴代数法消除冒险；
⑵卡诺图法消除冒险；
⑶加选通门；
⑷加吸收电容。
最后还面临了一次调试，那就是电路不稳定所引起的灯忽暗忽明。
解决的办法就是尽可能的选取直流稳压电源稳定性能好的，再就是选择干扰信号少一点的环境来做。
选题过程：
指导老师经过充份的思考和考虑我们的学习情况以及个人兴趣等等，建议我们选定了“交通灯控制电路”这个题目。
这题目可以让我们认识和学习Protel99软件这方面知识
查找教材，资料，相应软件，为了这次课程设计，我们在图书馆查找了大量的相关资料，终于被我找全了和本次课程设计相关的不懂问题。
根据所分析的系统的电路原理图，结合系统的设计要求，在Protel99环境下进行元器件之间的连线和编译与仿真，及时检查元器件的放置、连线是否有错误。
根据交通灯系统的控制要求，经过实验，排除所有实验中的错误并实现了预定的功能。
在老师的指导下，通过学习交通灯系统控制器的设计的实验，学习一种设计电子的软件，增加了我们对电子设计的了解。
随着电子自动化技术的不断发展，通过电路设计来制定其芯片的内部功能，所用到的就是可编程器件。
可编程器件其功能之卓越和成熟已经令当今的电子工程师们赞叹不已，它不但容量大，更突出的是其芯片的在系统可编程技术。
也就是ISP技术，ISP技术打破了产品开发时必须先编程后装配的惯例，，而可以先装配后编程。
ISP技术使得系统内硬件的功能象软件一样被编程配置，可以说可编程器件真正的做到了硬件的“软件化”自动设计，这就是当今的EDA电子设计自动化技术。
可以毫不夸张的说由于可编程器件的出现，传统的数字电路设计方法和过程得到了一次革命和飞跃
。
通过这次课程设计我们对于EDA技术多多少少有了一些了解，EDA技术发展迅速，有着广阔的应用前景，设计面广，内容丰富，它用软件的方法设计硬件；
用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；
在设计过程中可用有关软件进行各种仿真；
系统可现场编程，在线升级；
整个系统可集成在一个芯片上，体积小，功率低，可靠性高。
EDA技术以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方法，以计算机，大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译，逻辑化简，逻辑分割，逻辑综合及优化，逻辑布局布线，逻辑仿真，直至特定目标芯片的适配便宜，逻辑映射，编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。
其中大规模可编程器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体，硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段，软件开发工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具，实验开发系统则是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。
此次实验不但提高了我们实践的能力和理论水平，而且对于我们认识掌握各种操作技巧具有重大意义，使我们的综合素质得到了很大的提高。
当然，通过这次实习，对我的影响远不只以上这些，它对我在以后的学习和生活中将会起到不可估量的作用。
因此，学校安排的这次课程设计的目的显然会在我们这些人上得到体现。
最后，我建议学校多搞些这样的设计，在锻炼我们的同时还丰富了我们的生活，还建议在今后的设计报告中，提供一些好的报告让我们参考，谢谢！
！
1孟贵胥,王兢.数字电子技术.大连理工大学出版社
2夏宇闻.复杂数字电路与系统的Verilog-HDL设计技术.北京航空航天大学出版社.1998
3毕满清主编.电子技术实验与课程设计.第二版.北京：
机械工业出版社，2001
4张克农编.数字电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2003
5谢云等编.现代电子技术实践课程指导.北京：
机械工业出版社，2003
6李国丽，朱维勇，栾铭编著.EDA与数字系统设计.北京：
机械工业出版社，2004
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