数电交通灯课程设计.docx

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数电交通灯课程设计

第1章交通信号灯控制器的总方案及总设计框图········································1

1.1交通信号灯控制器的方案比较························································1

1.2交通信号灯控制器的总方案选择····················································1

1.3交通信号灯控制器的总设计框图····················································1第2章单元电路设计···········································································2

2.1秒脉冲发生器的设计·································································2

2.1.1秒脉冲发生器的功能及组成元件··············································2

2.1.2秒脉冲发生器的工作原理························································2

2.1.3秒脉冲发生器电路所用芯片的管脚图········································3

2.1.4秒脉冲发生器电路元件参数的计算···········································4

2.2定时器电路的设计····································································4

2.2.1定时器的功能及组成元件························································4

2.2.2定时器电路所用芯片的管脚图及其功能表·································5

2.2.3定时器电路工作原理······························································7

2.3控制器电路的设计····································································8

2.3.1控制器的功能及组成元件························································8

2.3.2控制器电路所用芯片的管脚图及其功能表·································8

2.3.3控制器电路工作原理······························································9

2.4.译码器电路的设计···································································11

2.4.1译码器的功能及组成元件······················································11

2.4.2译码器电路所用芯片的管脚图················································11

2.4.3译码器电路工作原理·····························································12

第3章交通信号灯控制器电路的仿真···················································13

3.1EWB仿真软件的介绍····································································13

3.2仿真波形···················································································13

第4章交通信号灯控制器的制作及调试····················································16

4.1交通信号灯控制器的制作·······························································16

4.2交通信号灯控制器的调试·······························································16

课程设计总结························································································17

参考文献······························································································18

附录APCB原理图··············································································19

附录BPCB板图·················································································20

附录C元器件明细清单·······································································21

第1章交通信号灯控制器的总方案及总设计框图

1.1交通信号灯控制器的方案比较

方案1：

采用MAX7000S系列的EPM128LC-7芯片设计较少，但是采用的芯片比较贵，并且软件的设计难度比较打，对软件的设计要借助一定的工具，而实现这种逻辑编程的工具很贵。

方案2：

采用AT89C51单片机电路设计并制作。

这种方案硬件少，基本上硬件设计没有什么难度，都是常用的接法，软件实现的难度不高，并且单片机电路电路也是常用的电路，芯片容易买到，价格有相对便宜。

方案3：

采用传统的数字电路设计制作方案。

电路复杂，设计思维能力要求较高，调试起来也有一定的难度，而且电路需要的硬件多成本高制作方案。

电路硬件比

1.2交通信号灯控制器的总方案选择

由于我们是在做数字电路的课程设计，为了加深对数字电路知识的理解和掌握，所以本课题交通信号灯控制器选择方案3

1.3交通信号灯控制器的总设计框图

交通灯控制系统的原理框图如图1-3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A车道或B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。

第2章单元电路设计

2.1秒脉冲发生器的设计

2.1.1秒脉冲发生器的功能及组成元件

秒脉冲发生器用于产生周期为1秒的的矩形波脉冲，其主要由NE555芯片组成的多谐振荡器来实现。

2.1.2秒脉冲发生器的工作原理

由555定时器构成的多谐振荡器如图2-1-2所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。

由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。

这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。

充电时间常数T充=（R1＋R2）C。

由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。

为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。

不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。

电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc之间变化。

图2-1-2（b）所示为工作波形。

图2-1-2555定时器震荡电路和工作波形图

2.1.3NE555芯片管脚图及其功能表

NE555芯片管脚图如下所示：

图2-1-3NE555芯片管脚图

NE555的功能表如下所示：

输入

输出

TR/

RD/

OUT

V状态

导通

>2/3

>1/3VCC

导通

<2/3VCC

<1/3VCC

截止

<2/3VCC

>1/3VCC

不变

表2-1-3NE555的功能表

2.1.4秒脉冲发生器电路的元件参数计算

秒脉冲发生器电路原理图如下所示：

图2-1-4秒脉冲发生器电路原理图

根据图2-1-2中UC的波形可以确定

振荡周期为T=TPH+TPL

TPH对应的充电时间TPH=0.7（R1+R2）C（2-1-4-1）

TPL对应的放电时间TPL=0.7R2C（2-1-4-2）

振荡周期T=TPH+TPL=0.7（R1+2R2）C（2-1-4-3）

振荡频率f=1/T（2-1-4-4）

取R2=47KΩ,R1=47KΩ,C1=10uF,代入（2-1-4-1）可得TPH=[0.7*（47+47）*10]ms代入（2-1-4-2）可得TPL=（0.7*47）ms,将以上所得代入（2-1-4-3）可得T=TPH+TPL=0.7（47+94）*10=987ms≈1s基本满足设计要求，取滤波电容C2=0.01UF用以改善波形输出，各元件参数如图2-1-4所示

2.2定时电路的设计

2.2.1定时器的功能及组成元件

定时器的功能是实现精确定时，其电路组成元件由HD74HC11P.74LS04.74LS163

来实现

HD74HC11P管脚图如下图所示:

HD74HC11P

141312111098

Vcc1C1Y3C3B3A3Y

1A2B2A2B2C2YGND

1234567

图2-2-1HD74HC11P管脚图

该芯片中有3个3输入与门，A.B.C为输入，Y为对应的输出，在电路连接中，只要把A.B.C中其中的两个接入，另一个悬空即可。

2.2.2定时器电路所用芯片的管脚图及其功能表

74LS04管脚图如下图所示

74LS04

141312111098

Vcc6Q6A5Q5A4Q4A

1A1Q2A2Q3A3QGND

1234567

图2-2-2-1

图2-2-2-174LS04管脚图

该芯片中有6个非门，A为输入，相对应的Q为输出

74LS163管脚图如下图所示:

图2-2-2-274LS163管脚图

74LS163的功能表如下所示：

输入

输出

CTpCTTCPD0D1D2D3

Q0Q1Q2Q3

0××××××××

1O××↑d0d1d2d3

1111↑××××

110×↑××××

1l×O×××××

O0OO

d0d1d2d3

计数

保持

表2-2-2-174LS163的功能表

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。

74LS163的引脚图如图2-2-2-1所示，其功能表如表2-2-2所示。

图中，

是低电平有效的同步清零输入端，

是低电平有效的同步并行置数控制端，CTp、CTT是计数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。

由两片74LS163级联组成的定时器电路如图2-2-3-2所示。

2.2.3定时器电路工作原理

定时器电路原理图如下所示：

图2-2-3-1定时器电路原理图

其简化图如下所示：

图2-2-3-2简化图

74LS163是4位二进制同步计数器，它具有异步置0功能，同步并行置数功能和保持功能。

电路的工作原理如下：

当电路刚开始工作时左边的高位片CTP=0,CTT=0,

=1，右边的低位片CTP=1,CTT=1,

=1，来自编码器的控制信号ST=0,即

=1，在输入时钟脉冲CP上升沿的作用下，并行输入的数据D0～D3被置入计数器，即Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0=0000,同时右边的低位片开始计数，当它计数到0100时，ST=1,

=0，计数器被置0，即Q3Q2Q1Q0=0，然后低位片又从0开始计数，当低位片计数到Q3Q2Q1Q0=1111时，向左边的高位片进1，当计数器计数到Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0=00011000时，控制信号ST=1，

=0，计数器又被置0，接着计数器有重复以上过程。

2.3控制器电路的设计

2.3.1控制器的功能及组成元件

控制器的功能是按预定的时间控制着每个交通灯的亮和灭。

其电路由74LS153芯片和74LS74芯片来实现。

2.3.2控制器电路所用芯片的引脚图及其功能表

74LS153引脚图如下所示：

图2-3-274LS153引脚图

74LS153芯片功能表：

输入

输出

1ST/

A1A0

1D31D21D11D0

XXXX

XXX1D0

XX1D1X

X1D2XX

1D3XXX

1D0

1D1

1D2

1D3

表2-3-274LS153芯片功能表

2.3.3控制器电路工作原理

画出交通灯控制器的ASM图

（1）A干道绿灯亮，B干道红灯亮。

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TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。

（2）A干道黄灯亮，B干道红灯亮。

表示甲干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，B干道禁止通行。

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）A干道红灯亮，B干道黄灯亮。

表示A干道禁止通行，B干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）A干道红灯亮B干道黄灯亮。

表示A干道禁止通行B干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12、1所示，控制器应送出A、B干道红、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：

AG=1：

A干道绿灯亮；BG=1：

B干道绿灯亮；

AY=1：

A干道黄灯亮；BY=1：

B干道黄灯亮；

AR=1：

A干道红灯亮；BY=1：

B干道红灯亮；

控制器工作状态及功能如下所示：

控制状态

信号灯状态

车道运行状态

S0（00）

A绿，B红

A干道通行，B干道禁止通行

S1（01）

A黄，B红

A干道缓行，B干道禁止通行

S3（11）

A红，B绿

A干道禁止通行，A干道通行

S2（10）

A红，B黄

A干道禁止通行，A干道缓行

表2-3-3-1控制器工作状态及功能

设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），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（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。

控制器状态转换图如下所示：

图2-3-3控制器状态转换图

控制器电路工作原理：

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。

从算法状态可以列出控制器的状态转换表，如表4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。

控制器状态转换表如下所示：

输入

输出

现态

状态转换条件

次态

状态转换信号

Q1n

Q0n

Q1n+1

Q0n+1

表2-3-3-2控制器状态转换表

根据表2-3-3-2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的项所对应的输入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。

控制器的逻辑图如图2-3-3-2所示

图2-3-3-2控制器逻辑图

2.4.译码器电路的设计

2.4.1译码器的功能及组成元件

译码器输入为二进制代码，输出为与输入代码对应的特定信息，它可以是脉冲，也可以是电平，根据需要而定。

此电路中译码器由三输入与门HD74HC11P来实现

2.4.2译码器电路所用芯片的管脚图

译码器电路中用到了3输入与门74HC11P芯片。

该芯片中有3个3输入与门，A.B.C为输入，Y为对应的输出，在电路连接中，只要把A.B.C中其中的两个接入，另一个悬空即可。

HD74HC11P管脚图如下图所示:

1A2B2A2B2C2YGND

1234567

HD74HC11P

141312111098

Vcc1C1Y3C3B3A3Y

图2-4-2-1HD74HC11P管脚图

该芯片中有3个3输入与门，A.B.C为输入，Y为对应的输出，在电路连接中，只要把A.B.C中其中的两个接入，另一个悬空即可。

2.4.3译码器电路工作原理

译码器电路原理图如下所示：

图2-4-2译码器电路原理图

原理图上的6个交通灯中，上面的3个是A车道的，从上到下依次为绿.黄.红灯，下面的3个是B车道的，从上到下也依次为绿.黄.红灯，在原理图中将控制器中74LS74的输出Q1、Q0分别与74HC11P中相对应的四个与门的输入相连。

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。

在下表中用AG.AY.AR分别表示A车道的绿.黄.红灯，用BG.BY.BR分别表示B车道的绿.黄.红灯,控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表2-4-3所示。

状态

AGAYAR

BGBYBR

表2-4-2控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系表

第3章交通信号灯控制器电路的仿真

3.1EWB仿真软件的介绍

EWB的英文全名是ElectronicsWorkbench（电子工作台），它虚拟了一个可以对模拟电子电路和数字电子电路进行模拟仿真的工作台，具有较完善的各种元器件模型库和几种常用的分析仪器。

能进行电子电路设计，并能对电子电路进行较详细的分析，包括静态分析.动态分析.时域分析.频域分析.噪声分析.失真分析和器件的线性与非线性分析，还能进行离散傅里叶分析.零极点分析等多种高级分析。

能将设计好的电路文件直接输出到常用的一些电子电路排版软件，如Protel等，排出印刷电路板图，为实现电子电路的设计提供了很大的方便。

3.2仿真波形

将EWB中的示波器与仿真图中555芯片3脚的输出口相接得到秒脉冲波形

秒脉冲电路仿真波形如下所示：

图3-2-1秒脉冲波形仿真图

将逻辑分析仪LogicAnalyzer与仿真图中LED灯的6个输入口相接，在图中为上面6个连续的输入口，同时将74LS74的两个输出口1Q.2Q也接入逻辑分析仪中，在图中为下面的两个输入口

当1Q2Q=00时，A干道绿灯亮，B干道红灯亮，波形如下：

图3-2-2时序图1

当1Q2Q=01时，A车道黄灯亮，B车道红灯亮，波形如下：

图3-2-3时序图2

当1Q2Q=11时，A干道红灯亮，B干道绿灯亮，波形如下：

图3-2-4时序图3

当1Q2Q=10时，A干道红灯亮，B干道黄灯亮，波形如下

图3-2-4时序图4

第4章交通信号灯控制器的制作及调试

4.1交通信号灯控制器的制作

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