数电交通信号灯控制器设计.docx
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数电交通信号灯控制器设计
交通信号灯控制器设计
1方案设计意义及要求
1.1方案设计意义
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。
自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。
尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。
1.2方案设计要求
运用模拟电子技术和数字电子技术以及电路原理的相关知识设计出交通信号灯的控制电路，完成下列的要求：
1.假设一路口为东西南北走向。
初始状态0为东西红灯，南北红灯，
2.然后转状态1东西绿灯通车，南北红灯。
3.过25s转状态2，东西绿灯灭，黄灯闪烁5次，南北仍红灯。
4.再转状态3，南北绿灯通车，东西红灯亮。
5.过20s转状态4，南北绿灯灭，闪5次黄灯，东西仍是红灯。
6．最后循环至状态1，如此不断周期循环下去。
2方案设计内容
2．1方案设计思路
方案设计要求南北方向和东西方向的交通信号灯的周期不一样，南北方向是红灯30秒、绿灯25秒、黄灯闪烁3秒。
东西方向是红灯25秒、绿灯20秒、黄灯闪烁5秒。
但是南北方向和东西方向是相对称的，其交通信号灯的状态转换图如下：
图2-1交通指示灯状态转换图
2.2方案设计
2.2.1方案一（个人方案）设计原理
交通信号灯控制原理图如下图所示：
计数器实现
五十五进制
图2-2交通信号灯控制原理图
根据设计方案的要求，我们可以依据南北方向和东西方向交通信号灯的亮灭情况画出以下的时序状态图：
图2-3交通信号灯状态时序图
首先用NE555定时器产生1Hz脉冲作为时钟脉冲信号源，用74LS161构成五进制计数器，产生五进制数，并且每五秒自动清零，同时利用清零信号给74LS164移位寄存器一个脉冲信号，使移位寄存器每5秒发生一次移位，然后通过74LS164移位寄存器分别实现5秒，20秒，25秒和30秒的循环控制，30秒后禁止信号输入移位寄存器，再过25秒信号又可以重新输入移位寄存器，这样就可以分别使东西方向和南北方向对应的红灯和绿灯亮和灭，最后用黄灯信号和脉冲信号源进行与逻辑运算，使得黄灯能够每秒闪烁一次，闪烁时间为5秒。
由于南北方向和东西方向的红灯和绿灯的亮灭的时间不相等，南北方向红灯亮30秒，绿灯亮25秒，黄灯闪烁5秒；东西方向红灯亮25秒，绿灯亮20秒，黄灯闪烁5秒，所以南北方向周期为30秒，东西方向周期为25秒，总周期为55秒。
因此利用一片74LS161和构成五进制计数器的74LS161级联起来构成一个55进制的计数器，再利用其清零端接到74LS164移位寄存器的清零端，实现移位寄存器的每55秒清一次零，从而达到对南北方向和东西方向周期不相等的控制，达到方案设计的要求。
总电路图见附录
2.2.2方案二（小组方案）设计原理
图2-4方案二电路原理框图
通过单片机写入符合题意的程序，之后小组的成员还一起讨论了，还增加了红灯时长可编辑、紧急情况的控制和人行道红路灯等附加功能，再接上一定的外围电路，通过程序控制I/O口的输出状态控制所接外围电路的状态来实现交通信号灯控制。
总电路图见附录
2.3方案比较
方案一是利用555定时器来产生1Hz的脉冲，利用数据选择器的选择功能和
移位寄存器的移位功能来实现对南北方向和东西方向不同周期的信号灯的控制，
电路的设计思维容易理解，但是所用到的元器件较多较复杂，电路的接线相对要
复杂。
方案二是利用单片机处理器，通过软件编程来实现设计所要求的功能，简
单明了，便于控制，并且功能上的扩展性也很强，但是相对于方案一需要更高的
要求，要对汇编语言及单片机的工作原理有较深的理解。
3单元电路原理设计
3.1秒脉冲信号发生器设计
图3-1秒脉冲电路原理图
时钟信号产生电路主要由NE555定时器、电容和电阻组成震荡器，产生稳定的脉冲信号，送到状态产生电路，状态产生电路根据需要产生一定的“0”、“1”信号，电路图如下图所示：
所以时间周期就是：
T=
C=1s
经计算可得R1=46kR2=50k产生的秒脉冲通过3端口输出NE555管脚图如图：
图3-2NE555管脚图
3.2五进制计数器设计
要实现五进制计数，用74LS161四位二进制同步加法计数器，该计数器能同步并行预置数据，具有清零置数，计数和保持功能，具有进位输出端，可以串接计数器使用。
它的管脚排列如图2-3所示：
图3-474LS161管脚图
管脚图介绍：
时钟CP和四个数据输入端P0~P3
清零/MR
使能CEP，CET
置数PE
数据输出端Q0~Q3
以及进位输出TC.（TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET）
下图为74LS161的功能表：
表3-174LS161功能表
从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
所以可以利用一片74LS161实现五进制加计数，将CR=LD=EP=ET=“1”，D3,D2,D1,D0接地，二进制的五为（0101），故将Q2,Q0连到同一与非门后接CR清零端，每五个脉冲清一次零，实现五进制加计数器，同时利用清零信号，每五秒给74LS164移位寄存器一个脉冲信号。
五进制电路连接图如下图所示：
图3-5五进制计数器电路图
3.3五十五进制计数器设计
因为南北方向和东西方向交通信号灯的周期不一样，南北方向是30秒，东西方向是25秒，如果要用一片移位寄存器实现的话，就必须对移位寄存器定时清零，不然就会出现5秒的空白时间。
但是总的周期是不变的，为55秒，所以利用两片74LS161构成五十五进制计数器，前一片接成五进制，后一片接成十一进制的，这样就使前一片的74LS161参与了两个电路功能，达到使用减少的元件实现较多功能的目的。
同时利用第二片74LS161的清零信号接到后面移位寄存器的清零信号，从而实现每55秒清一次零，这样就可以解决南北方向和东西方向周期不相等的问题了。
五十五进制电路连接图如图所示：
图3-6五十五进制计数器电路图
3.4移位寄存器
74LS164为8位移位寄存器，当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。
串行数据输入端（A，B）可控制数据。
当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。
当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。
引出端符号
CLOCK时钟输入端
CLEAR同步清除输入端（低电平有效）
A，B串行数据输入端
QA－QH输出端
74LS164封装图如下图所示：
图3-774LS164封装图
74LS164逻辑图如下图所示：
图3-874LS164逻辑图
74LS164真值表如下图所示：
74LS164时序图如下图所示：
图3-974LS164时序图
采用74LS164八位移位寄存器可以实现对南北方向红灯30秒、绿灯25秒、黄灯5秒和东西方向红灯25秒、绿灯20秒、黄灯5秒的控制。
利用接成五进制的74LS161的清零信号作为74LS164的触发信号，使移位寄存器每5秒移一次位，并且利用11脚来控制移位寄存器的串行信号的输入，即每六个脉冲到来后就禁止信号的输入，再利用接成五十五进制的74LS161的清零信号作为74LS164的清零信号，每55秒对移位寄存器清一次零，从而实现总周期为55秒的功能。
移位寄存器电路连接图如下图所示：
图3-10移位寄存器电路连接图
3.5信号灯控制
3.5.1红灯信号控制
南北方向的红灯亮灯时间为30秒，所以用Qf取反后与其相连；东西方向的红灯亮灯时间为25秒，所以将Qe与Qd相与后与其相连。
3.5.2绿灯信号控制
南北方向的绿灯亮灯时间为25秒，所以用Qd和Qf相与后与其相连；东西方向的绿灯亮灯时间为20秒，所以将Qe和Qf分别取反后再相与获得。
3.5.3黄灯信号控制
黄灯信号的获得比绿灯、红灯要稍复杂，南北方向的黄灯信号通过Qd和Qe相与获得，要实现其每秒闪烁一次，用其再和1Hz时钟脉冲相与即可。
东西方向的黄灯信号则通过Qe与Qf取非之后相与，再和1Hz时钟脉冲相与获得。
具体信号灯控制电路连接图如图所示：
图3-11交通灯信号控制电路
4调试及检测
4.1制作
按照总的电路图，规划电路总布局，以使电路连接简单、明了。
首先一个模块一个模块连接，连接好一个模块，就检测一个，包括芯片，电路板，及导线是否接正确且接稳等，以防整体检测时不必要的麻烦。
4.2调试过程
整体连接完毕，进行调试，看是否和仿真结果相同。
如有出入，仔细检测电路，查出问题所在。
这样不断调试，直到达到预期结果。
首先对时钟信号脉冲源进行调试，看是否产生1Hz时钟信号，如果不能产生脉冲，检测555定时器的引脚是否接对，电阻和电容是否接正确，阻值和电容值是否正确，如果不是这些问题，就通过换芯片，看是否是芯片的问题，如果芯片也没问题，就再检查设计原理是不是出了问题。
再对五进制计数器和五十五进制计数器进行测试，看是否为五进制计数和五十五进制计数，然后测试移位寄存器的工作是否正常，最后检验信号灯是否达到预期目标，若是没有按预期的工作，检查逻辑门是否正常工作，导线是否连接到位。
进过不断调试后，交通灯控制电路达到了预期的全部功能。
4.3调试过程中发现的问题及解决
调试过程中难免发现一些问题：
（1）NE555定时器没有产生1Hz的秒脉冲，而始终输出为高电平，经过仔细检查后，发现原来是NE555的2脚和6脚没有接在一起导致无法正常工作。
（2）74LS161五十五进制计数器不能正常工作，后来经过检查发现是没有将清零信号返回到MR端所致
（3）对于小组方案，在设计过程中，也出现了一些问题使得单片机异常工作，但都是常见的小问题，如：
代码中双引号的使用并不是在英语书写状态下，输入字母出错等，在调试时出现异常，不过这些都是经常性错误，经过调试修改都一一解决，程序顺利完成，并实现了其功能。
调试过程中虽然发现了很多问题，不过经过检查一一解决。
5仿真操作步骤及使用说明
5.1仿真操作步骤
5.1.1秒脉冲源的仿真
按原理图在protues中画好1Hz脉冲源的电路图，在端口3（即脉冲输出端口）接上一个示波器，开始仿真，调节示波器观察波形及周期是否符合设计要求，不符合继续调试直到符合，符合后进行下一步仿真。
5.1.2五进制计数器的仿真
按原理图在protues中用74LS161接好五进制的电路图，接库文件中的1Hz脉冲源开始仿真，观察74LS161的输出端口高低电平变化是否符合每秒加1，每5秒钟循环一次，不符合进一步调试直到符合，符合后进行下一步仿真。
5.1.3五十五进制计数器的仿真
按原理图在protues中用74LS161接好五十五进制的电路图，接库文件中的1Hz脉冲源开始仿真，观察第二片74LS161的输出端口高低电平变化是否符合每5秒加1，每55秒钟循环一次，不符合进一步调试直到符合，符合后进行下一步仿真。
5.1.4移位寄存器的仿真
按原理图在protues中用74LS164接好电路图，用第一片74LS161的清零信号作为移位寄存器的脉冲输入信号，用第二片74LS161的清零信号作为移位寄存器的清零信号，再接入1Hz脉冲源开始仿真，接入示波器观察波形，观察是否是每5秒移位一次、每55秒清一次零。
若不符合则进一步调试直到符合，符合后再进行下一步仿真。
5.1.5设计电路整体仿真
在原有电路的基础上按照电路原理图连接上南北方向和东西方向的交通信号灯，之后开始仿真，看是否符合设计方案的要求，若不符合则进一步调试直到成功为止。
5.2使用说明
打开仿真程序后，点击仿真开始按钮开始仿真，观察南北方向和东西方向的交通信号灯的亮灭情况是否符合设计方案的要求。
结束语
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅。
总的说来有以下几点心得体会：
1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和芯片上的选择，并实现的电路的仿真。
这个方案总共使用了74LS161，74LS164，74LS04，74LS08，74LS11，NE555定时器。
2、在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。
3、我认为做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
4、平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。
所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。
5、在实现部分电路功能时，要做到模块化操作，做好一个模块再进行下一个模块的连接，这样能提高很高的效率，减少很多不必要的麻烦。
6、在实际的连接中，还要注意一些连接顺序，要先连接振荡电路，测试无误后方可连接其他。
所有的二极管都要接限流电阻。
7、所有器件的多余输入不能悬空，做合适的处理。
有些不高不低的电平信号，会造成逻辑上的错误，导致无法检测出电路的问题所在。
8、实际操作中有很多的问题值得我们注意，在解决的同时又会掌握不少实际应用的能力。
设计中还要有一些科学的习惯，力求设计的精简，和分析处理问题的准确性。
参考文献
[1]《电子技术基础---数字部分》康华光主编高等教育出版社
[2]《电子技术基础---模拟部分》康华光主编高等教育出版社
[3]《通用电子元器件的选用与检测》王昊李昕电子工业出版社
[4]《数字电路设计完全手册》邓勇国防工业出版社
[5]《常用电子元器件及典型芯片应用技术》刘法治机械工业出版社
附录
1．元件名细表：
附表1元件名细表
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
NE555
1
脉冲发生器
2
74LS164
1
移位寄存器
3
74LS08
4
二输入与门
4
74LS04
4
六非门
5
74LS11
3
三输入与门
6
74LS161
2
计数器
7
LED
12
红黄绿各四个
8
C1
10uF
1
9
C2
0.01uF
1
10
R1
46k
1
11
R2
50k
1
2.方案一（个人方案）电路图
3.方案二（小组方案）电路图
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
交通信号灯控制器设计
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
设计方案
与内容
（30分）
制作与调试
（20分）
说明书内容与规范程度
（30分）
答辩
（10分）
学习态度
与考勤
（10分）
总分
（100分）
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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