1、目 录1 引言 12 总体设计方案 12.1 设计思路 12.2 总体设计框图 23 设计原理分析 33.1 振荡电路 33.2 分频器 33.3 定时器 43.4 控制器 53.5 译码器 53.6 驱动电路 53.7 其他电路 64 总结与体会 7参考文献 7附录1 8附录2 9附录3 10交通灯控制器摘 要：本电路采用数字电路的基本知识，在参考了其他电路的基础上，设计具有自动和手动控制的交通灯控制电路，该电路具备交通灯控制电路的基本功能，可以指挥各种车辆的正常行驶和拐弯，以及行人在通过十字路口时的安全通行，可以实现自动控制，在紧急情况下也可以实现手动控制，本电路还可以进行扩展，可以根据条
2、件加入辅助电路以完善其功能。关键词：振荡电路；分频器；定时器；74HC151；74HC1381 引言在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，大家的安全问题就成了重中之重。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，随着电子科技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。因此，在本次课
3、程设计里，将以传统的设计方法为基础，同时运用各种软件和信息资料，采用全部的数字控制，使电路的稳定性和可靠性大大增强，充分利用现有的条件和资源，以数字电子技术为基础，利用所学知识完成了这次设计。 2 总体设计方案2.1 设计思路交通灯控制器电路应该具有最基本的脉冲振荡电路和分频器，用来产生秒脉冲信号。还应当具有定时器电路对交通灯的工作时间进行控制。其核心部分应该是控制器电路，具体的控制是由它来完成的，在这一部分可以进行电路的提高和改进。然后就是译码器电路，用来对电路进行状态的分配，其输出控制交通灯的驱动电路。因此，本电路主要有七部分组成，分别是：振荡电路、分频器、定时器、控制器、译码器、驱动电路
4、和手动控制电路。振荡电路采用555电路配合外围电路产生1024Hz 的信号。分频器采用了两片半74LS93（四位二进制计数器）电路，构成了十分频电路，最后得到1Hz 的秒脉冲信号，为定时器电路和控制电路提供基准信号。定时器电路使用了两片74LS163（四位二进制计数器（同步清零） ）电路，利用其产生 5s、10s、25s的时钟控制信号，送到控制器作为时间上的基准。控制器相当于一个编码电路，对于电路的状态进行合理编排和时间安排，采用了四片74HC151电路和一片半74LS74 电路对状态进行编码，输出信号送给译码器电路进行最后的分配。译码器用了一片74HC138电路适当连接就可以完成，其输出作为
5、后级电路的驱动信号。驱动电路采用了三极管和继电器进行电路的最终驱动。手动控制电路仅仅使用简单的开关控制就可以，不过在工作时应当将自动控制电路关闭。交通灯工作方式流程图如图 1，设有甲、乙两个车道，甲用 1 表示，乙用 2 表示。图 1 交通灯工作流程图2.2 总体设计框图交通灯控制系统的原理框图如图 2 所示。主要有七部分组成，图中三个从定时器输出给控制器的信号分别表示甲通道或乙通道绿灯和人行道灯亮的时间（TL）25s，黄灯亮的时间（TY）5s,拐弯的时间（TT）10s ；从控制器输出给定时器的信号表示控制器发出给定时器的转换重复信号 ST。图 2 交通灯控制系统框图绿 1、人 1 、红 2黄
6、 1、红 2红 1 、绿 2、人 2红 1、黄 2左拐 1 、红 2黄 1 、红 2红 1 、左拐 2红 1 、黄 2振荡电路 分频器定时器译码器 驱动电路动控制电路驱动电控制器手动控制电路 交通灯Q0 12Q1 9Q2 8Q3 11MR12MR23CLK014CLK11VCC 5GND1074LS93(1)Q0 12Q1 9Q2 8Q3 11MR12MR23CLK014CLK11VCC 5GND1074LS93(2)Q012Q19Q28Q311MR1 2MR2 3CLK0 14CLK1 1VCC5GND 1074LS93(3)1024HzGNDGNDGND1HzVCC3 设计原理分析3.1
7、振荡电路振荡电路的核心部分是 555 集成块，配合外围电路的电容和电阻振荡出满足要求的频率，其频率产生的高低可根据公式 f=1.44/(2R2+R1)C2 来得出，其电容和电阻值在图 3 标有，通过计算可以得到，当电容取 0.01uF、电阻 R2 取 5.1K 时可得到R1=3.862K，故取电阻 R1=2K，加一个可调电阻适当 P1 调整得到合适的频率。电路的参数可根据需要进行调整，只要依据上边所给公式就可以，但是电阻和电容的取值都应趋向于常用元器件。电路如图 3。TRIG2Q 3R4CVolt5 THR 6DIS 7VCC8GND1555C10.1UC20.01UR12KR25.1KP11
8、0KGND1024HzVCC图 3 振荡电路3.2 分频器分频器电路采用两片半二-四- 十六进制计数器 74LS93 集成电路，其内部电路图如图 5，通过将每一片的 Q1 脚和 CLK1 脚连接，将 MR1 和 MR2 相连接地，然后将前一级的 Q4 接到后一级的 CLK0 上就可以了，要求 1024Hz 的信号从第一片的 CLK0 输入，从最后一片的 Q2 端输出就得到了 1Hz 的秒脉冲信号。电路如图 4。图 4 分频器3.3 定时器本电路采用两片四位二进制同步计数器 74LS163 集成电路，其功能如表 1，集成电路的 CTp、CTt 为计数控制端， CO 为进位端，D0-D3 为并行数
9、据输入端，Q0-Q3为数据输出端，CR 为清零复位端，CP 为触发端。两片集成电路的清零复位端和触发端连在一起，第一片的计数控制端始终通过一个电阻接高电位，根据电压和电流的大小可以取电阻值为 1-3K。第一片的进位端接第二片的计数控制端，输出时可以从第一片的 Q2 端得到周期为 5s 的信号 TY，将第一片的 Q0 和 Q3 接一个与门就得到了周期为 10s 的信号 TT，将第一片的 Q3 和第二片的 Q0 接一个与门就得到了周期为 25s 的信号 TL，需要说明的是触发端接的是 1Hz 的秒脉冲信号，清零复位端接的是从控制器反馈回来的三个时间信号中的一个，其作用是作为转换重复信号。电路如图
10、6。图 5 74LS93 内部逻辑电路P03P14P25P36Q014Q113Q212Q311TC15CEP7CET10CLK2PE9SR1GND8VCC1674LS163(2)P03P14P25P36Q014Q113Q212Q311TC15CEP7CET10CLK2PE9SR1GND8VCC1674LS163(1)GND1Hz123U2A74ALS00ST4 56U1B74ALS081 23U1A74ALS08GNDR32KTL25S TT10SVCC4 56U2B74ALS0089 10U2C74ALS00/TL25S /TY5S TY5S图 6 定时器1 2 3 4 5 6ABCD654
11、321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 1-Jan-2007 Sheet of File: E:MyDesign.ddb Drawn By:CPJ/CRQQkQ0CPJ/CRQQkQ1CPJ/CRQQkQ2CPJ/CRQQkQ3/CLK0 /CLK1MRI MR2表 1 74LS163 功能表3.4 控制器控制器是除 74HC138 以外的其他电路，它由集成电路 74HC151（四片）和74LS74（一片半）组成，74HC151 是 8 输入多路开关电路，其功能如附录 1 中表2，74LS74 是正边沿触发双 D 触发器，通过两种集成电路的配合使用就构成了控
12、制器电路。电路是将 74HC151 的 A0、A1、A2（地址输入端）分别接到一起并且连接到 D触发器的 Q0、Q1、Q2，其中第一片的输出接 Q2 的输入端作为最高位，依次类推。四片 74HC151 电路的编码是根据自然码来编排的，其编码方式对应交通灯的状态，如附录 1 中表 3。根据编码方式可以确定电路的接法和各个 74HC151 芯片的输入状态，如附录 1 中表 4，表中 TL 表示 25s 的时钟信号用来控制绿灯和人行道灯的工作时间， TY表示 5s 的时钟信号用来控制黄灯的工作时间，TT 是 10s 的时钟信号用来控制拐弯的时间，ST 是送给定时器的复位信号，控制状态的重复转换。电路
13、中电容 C3 的作用是利用其两端电压不能突变的特性，当电路启动时，给 D 触发器一个清零复位信号，使电路初使状态状态为 000，及直接令第一组灯工作，然后再进入正常的循环。电路输出信号经三个 D 触发器输入到译码器。电路见附录 2 中的主要电路连接图。3.5 译码器译码器电路主要是 74HC138 集成电路的功能利用， 74HC138 是 3 线-8 选一的译码器电路，其输出为低电平有效，功能如表 5，电路中将上一级送来的 Q0、Q1 、Q2 分别送给地址输入端 A0、A1、A2 用来进行控制。E3 和 E1 通过 R5 接高电位，E2 接地，Y0 接第一组等的驱动电路，依次类推。电路见附录
14、2 中的主要电路连接图。3.6 驱动电路驱动电路主要有 NPN 型三极管和继电器组成，共电电压为 12V 左右，三极管型号可根据继电器电阻的工作电流的大小选取 SD548 或 9013 等，继电器的耐压应高于12V，选用具有一个常开触点的就可以。在继电器的两端并联上一个二极管（如 D1）作为续流二极管，防止断开时的感应电压过大损坏三极管。驱动电路的部分电路如图T1T2R11KGNDGNDK K1AK K2AY0D1D2123U3A74ALS00y07。图 7 部分驱动电路表 5 译码器 74HC138 的功能表1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b
15、e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 3 - J a n - 2 0 0 7 S h e e t o f F i l e : G : .D d bD r a w n B y :G 1 P 1G 2 P 2Y 1Y 2R 1R 2L 1L 22 5 s2 5 s3 0 s3 0 s5 s 5 s5 s5 s1 0 s1 0 s2 5 s输入 输出E3 E2 E1 A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7L H X X X XH H D L L LH H D L L HH H D L H LH H D L H HH H D H L LH
16、H D H L HH H D H H LH H D H H HL L L L L L L LD L L L D L L LL D L L L L L LL L D L L L L LL L L D L L L LL L L L D L L LL L L L L D L LL L L L L L D LL L L L L L L D图 8 交通灯工作时序流程波形图3.7 其他电路交通灯电路：由于电路比较复杂所以只画出了一部分，灯的数量应该翻倍，电路接法如图 9，电路中的开关都是与继电器连动的。供电电压可以是 220V/110V。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumb
17、er RevisionSizeBDate: 3-Jan-2007 Sheet of File: D:.Ddb Drawn By:LM11GLM21PLM31RLM41YLM51LLM62GLM72PLM82RLM92YLM102LK1B K2BK3B K4BK5B K6BK7B K8BK9BK10B K11BK12B K13BK14B K15BK16BK17B K18BVCC220V/110V图 9 交通灯连接图手动控制电路：考虑到实际问题，这一部分不与自动控制电路进行关联，当手动控制时关闭自动控制电路，手动开关直接控制交通灯的工作，有几种特殊情况：一、红灯全亮；二、黄灯在夜晚车流量少时全亮等
18、等。考虑有几种情况可以分别列组用一个开关控制，在此不做详细设计。4 总结与体会通过这次课程设计，运用了许多书上学的东西，比如说在设计振荡电路的时候，运用了数电书上讲授的关于 555 电路的基本知识，并且运用的比较得心应手，也进一步加深了对这一部分知识的掌握。在设计分频器电路的时候，运用了数电实验课上对芯片的了解，选用了比较熟悉的集成电路进行了设计。而对于定时器的设计则主要选用了图书馆一本书上的样本电路，经过仿真实验，在原电路的基础上加入了十秒的信号，也拓展了对芯片知识的了解。对于控制器电路和译码器电路的设计全部采用书上介绍的芯片，自主设计并编码，这是对自身能力的又一次锻炼，通过设计掌握了74H
19、C151 和 74HC138 的使用。在本次设计中运用了 Protel99SE 软件，锻炼了绘图能力，使用了 EWB 软件进行仿真，使自己对这个软件的知识也更加了解。参考文献1 康华光 .电子技术基础数字部分（第五版）M. 北京: 高等教育出版社，20062 高吉祥，易凡等.电子技术基础实验与课程设计M. 北京：电子工业出版社，20053 林红 .现代数字电路设计 M.北京: 清华大学出版社， 20054 何书森，何华斌.实用电子线路设计速成M. 福州：福建科学技术出版社，20065 科林 ,孙人杰 .TTL 高速 CMOS 手册M.北京: 电子工业出版社出版， 20046 李东生 .Prot
20、el DXP 电路设计教程 M.北京: 电子工业出版社出版，20047 蔡明胜 .电子设计 M. 北京：高等教育出版社，20048 彭介华 .电子技术课程设计指导M. 北京:高等教育出版社， 1997附录 1：表 1 数据选择器 74HC151 功能表表 2 控制器工作状态及功能控制器状态 信号状态 车道运行状态Q2 Q1 Q0 南北 东西 南北 东西0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 10 0 0绿、人 红黄 红红 绿、人红 黄左拐、红 红黄、红 红红 左拐、红红 黄、红绿、人 红通行 停缓行 停停 通行停 缓行左拐 停缓行 停停 左拐停 缓行通行
21、停输入 输出使能 选择/E S2 S1 S0Y Y，H X X XL L L LL L L HL L H LL L H HL H L LL H L HL H H LL H H HL HD0 D0D1 D1D2 D2D3 D3D4 D4D5 D5D6 D6D7 D7表 3 译码器 74HC138 的功能表输入 输出E3 E2 E1 A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7L H X X X XH H D L L LH H D L L HH H D L H LH H D L H HH H D H L LH H D H L HH H D H H LH H D H H HL L
22、 L L L L L LD L L L D L L LL D L L L L L LL L D L L L L LL L L D L L L LL L L L D L L LL L L L L D L LL L L L L L D LL L L L L L L D附录 2：表 4 八个状态控制译码电路驱动信号灯真值表输入 输出Q2 Q1 Q0 TL TY TT Q2 Q1 Q0 ST0 0 0 0 X X0 0 0 1 X X0 0 1 X 0 X0 0 1 X 1 X0 1 0 0 X X0 1 0 1 X X0 1 1 X 0 X0 1 1 X 1 X1 0 0 X X 01 0 0 X
23、X 11 0 1 X 0 X1 0 1 X 1 X1 1 0 X X 01 1 0 X X 11 1 1 X 0 X1 1 1 X 1 X0 0 0 00 0 1 10 0 1 00 1 0 10 1 0 00 1 1 10 1 1 01 0 0 11 0 0 01 0 1 11 0 1 01 1 0 11 1 0 01 1 1 11 1 1 00 0 0 1表 7 集成电路元器件配置表元件名称 功能 使用个数555 电路 定时器 174LS93 四位二进制计数器 374LS163 四位二进制计数器（同步清零） 274HC151 8 输入多路开关电路 474HC138 3 线-8 选一的译码器
24、 174LS74 正边沿触发双 D 触发器 274LS00 二输入四与非门 374LS08 二输入四与门 1TRIG 2Q3 R 4CVolt 5THR6DIS7VCC8GND1555C10.1UC20.01UR12KR25.1KP110KGND1024HzQ0 12Q1 9Q2 8Q3 11MR12 MR23CLK014 CLK11 VCC 5GND1074LS93(1)Q0 12Q1 9Q2 8Q3 11MR12 MR23CLK014 CLK11 VCC 5GND1074LS93(2)Q012 Q19Q28 Q311MR1 2MR2 3CLK0 14CLK1 1VCC5GND 1074LS
25、93(3)1024HzGNDGNDGND1HzP03P14P25P36Q014Q113Q212Q311TC15CEP7CET10CLK2PE9SR1GND8VCC1674LS163(2)P03P14P25P36Q014Q113Q212Q311TC15CEP7CET10CLK2PE9SR1GND8VCC1674LS163(1)GND1Hz12 3U2A74ALS00ST4 56U1B74ALS081 23U1A74ALS08GNDR33KTL25S TY5S TT10SD04D13D22D31D415D514D613D712A011A110A29E7Y5Y6VCC16GND874HC151(1)
26、D04D13D22D31D415D514D613D712A011A110A29E7Y5Y6VCC16GND874HC151(2)D04D13D22D31D415D514D613D712A011A110A29E7Y5Y6VCC16GND874HC151(3)D04D13D22D31D415D514D613D712A011A110A29E7Y5Y6VCC16GND874HC151(4)GNDGND GNDGNDVCC +5VA01 A12A23 E14E25 E36Y0 15Y1 14Y2 13Y3 12Y4 11Y5 10Y6 9Y77GND8VCC 1674HC138(1)CLK3D2SD4 CD 1Q5Q6GND7VCC 14A74LS74(1)CLK11D12SD10 CD 13Q9Q8 B74LS74(1)CLK 3D 2SD4CD1Q5Q6 GND 7VCC14 A74LS74(2)C3 10uFR43K GND1HzQ0Q1Q2GNDGNDST OUTGNDR53K4 56U2B74ALS0089 10U2C74ALS00/TL25S /TY5SY7Y0Y1Y2附录3：总体电路图
