1、电子技术综合训练设计报告题目： 交通信号灯控制器制作日期： 2010 年 1 月 12 日 摘 要随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于 1918 年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。 当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调， 多值化方向发展随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注.随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯
2、,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的.全部有数字电路组成,比较以前的方案更为精确。键词：控制器 计数器 信号灯 译码电路目录摘 要 2关键词 2一、设计任务和要求 1二. 系统设计 .2三、单元电路设计 43.1 主控制器 43.1.1 74LS90 引脚排列图与逻辑图 .43.1.2 74LS90 的功能表及引脚功能. .53.2、计数器 .73.2.1 计数器的作用 .73.2.2 计数器的工作情况 .73.2.3 控制信号灯的译码电路的真值表 .83.2.4 置数电路 .93.2.5 状态译码电路 .113.3 译码显示电路 133.3.1 共阴极共阴极 LED 七段数码管 .1
3、33.3.2 CD4511 译码器 .133.4555 振荡器构成的秒脉冲电路 163.4.1 555 定时器的引脚 163.4.2 555 定时器构成的多谐振荡器 173.4.3 555 定时器工作原理 183.5 交通灯信号灯控制总体框图 20四、电路安装、调试与测试 21五、参 考 文 献 22六、总结、体会和建议 230一、设计任务和要求设计并制作一个十字路口的交通信号灯控制器，控制A 、B 两条交叉道路上的车辆通行，基本要求：1、每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿三个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆停止通
4、行；2、每条道路上每次通行的时间为25S；3、每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道；4、黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次。5、电源：220V/50HZ 的工频交流电供电；（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用 Multisim 或OrCAD/PspiceAD9.2 进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。发挥部分：1、按照交通规则设计人行道指示灯2、其它恰当的功能1二. 系统设计十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通
5、行。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。路口交通指挥系统示意图设南北干道通行时间为 N1，东西干道通行时间为 N2，南北、东西干道黄灯的时间均为N3，按南北、东西干道通行的时间来看，设置 N1=N2N3。系统工作流程图如图所示。2南北干道绿灯亮，东西干道红灯亮计数器由 N1 到 30 递增计数南北干道黄灯亮，东西干道红灯亮计数器由 N3 到 5 递增计数南北干道红灯亮，东西干道绿灯亮计数器由 N2 到 30 递增计南北干道红灯亮，东西干道黄灯亮计数器由 N3 到 5 递增计S1S2S3S0系统
6、工作流程图要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路等几部分组成，整机电路的原理框图如图所示。四个路口设有红、黄、绿三色灯和两位 8421BCD 码的计数、译码显示器。 显示器译码器计数器时钟信号发生器支干道信号灯信号灯译码驱动电路主干道信号灯主控电路交通信号灯控制原理电路框图十字路口车辆运行情况只有 4 种可能：1）设开始时南北干道通行，东西干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为 30s。2）30s 后，南北干道停车，东西干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为 5s。3）5s 后，南北干
7、道不通行，东西干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为 30s。4）20s 后，南北干道仍不通行，3东西干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为 5s。5s 后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电路也有 4 种状态，设这 4 种状态依次为：S0、S1、S2、S3。状态转换图如图所示。S0 S1S2S330s 后5s 后30s 后5s 后状态转换图 三、单元电路设计3.1 主控制器3.1.1 74LS90 引脚排列图与逻辑图十字路口车辆运行情况只有 4 种可能，实现这 4 个状态的电路，可用两个触发器构成，也可用一个二- 十进制计数器或二进制计数器构成。我采用二-十
8、进制计数器 74LS90 实现。采用反馈归零法构成 4 进制计数器,即可从输出端 QBQA 得到所要求的 4 个状态。图 4-1 74LS90 管脚排列图,逻辑图如图所示。为以后叙述方便，设 X1=QB,X0=QA。474LS90 管脚排列图74LS90QAQBQCQDR01 R02 S91 S92 CP0CP1主控制器的逻辑图3.1.2 74LS90 的功能表及引脚功能.74LS90 功能表输 入 输 出 清 0 置 9 时 钟 R0(1)、R0(2) S9(1)、S9(2) CP1 CP2 QD QC QB QA 功 能 1 1 0 0 0 0 0 0 清 0 0 0 1 1 1 0 0
9、1 置 9 1 QA 输出二进制计数 0 0 0 0 1 QDQCQB 输出 五进制5 计数 QA QDQCQBQA 输出 8421BCD 码 十进制计数 QD QAQDQCQB 输出 5421BCD 码 十进制计数 1 1 不 变 保 持 如表 7 4LS90 功能表：7 4LS90 逻辑功能为(1)计数脉冲从 CP1 输入， QA 作为输出端，为二进制计数器。 (2)计数脉冲从 CP2 输入， QDQCQB 作为输出端，为异步五进制加法计数器。 (3)若将 CP2 和 QA 相连，计数脉冲由 CP1 输入， QD、QC、QB、QA 作为输出端，则构成异步 8421 码十进制加法计数器。(4
10、)若将 CP1 与 QD 相连，计数脉冲由 CP2 输入，QA 、QD、QC、QB 作为输出端，则构成异步 5421 码十进制加法计数器。(5)清零、置 9 功能。a) 异步清零当 R0(1)、R0(2)均为“1”； S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA0000。b) 置 9 功能当 S9(1)、S9(2)均为“1” ；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置 9 功能，即QDQCQBQA1001。3.2、计数器3.2.1 计数器的作用计数器的作用有二：一是根据南北干道和东西干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行 30s、20s、5s 3 种方式的计
11、数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。63.2.2 计数器的工作情况计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的工作情况为：计数器在主控制器进入状态 S0 时开始 60s 计数；30s 后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态 S1，计数器开始 5s 计数；5s 后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态 S2，计数器开始 20s 计数；20s 后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态 S3，计数器又开始 5s 计数；5s 后同
12、样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态 S0，开始新一轮循环。根据以上分析，设 30s、20s、5s 计数的归零信号分别为 A、B、C，则计数器的归零信号 L 为：L=A+B+C其中：A=S0 QC2= QC2 B=S2 QB2 QA2= QB2 QA2C=S1 QB1 QA1+S3 QB1QA1= X0 QB1 QA1考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将 L 取反后送到主控制器的 CP 端作为主控制器的状态转换信号。可选用集成异步十进制加法记数器(74LS90)。图 5-1 计数器。U274LS90NQA12QB9 QD1QC8INB1 R916R9
13、27R012INA14 R023U374LS90NQA12QB9 QD1QC8INB1 R916R927R012INA14 R023U5A74LS04N U6A74LS04N0U14A74LS12NU24A74LS12NU25A74LS12N123U12A74LS20D23592567 2629129215图计数器(利用 74LS90 正计数功能)3.2.3 控制信号灯的译码电路的真值表主控制器的 4 种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为 1，灯灭为 0，则控制信号灯的译码电路的真值表。7表控制信号灯的译码电路的真值表主控制器状态 主干道 支干道X1 X0红灯 R 黄灯 Y
14、 绿灯 G 红灯 r 黄灯 y 绿灯 gS0 0 0 S1 0 1S2 1 0S3 1 1 0 0 10 1 01 0 01 0 01 0 01 0 00 0 10 1 0由灯控真值表可写出六盏等的逻辑式,经化简获的六盏灯逻辑式为：由真值表得灯控函数逻辑表达式R=QB r =Q BY=QB QA y =QBQA _G=QBQA g =QBQA3.2.4 置数电路由真值表可分别写出各灯的逻辑表达式：R=S2+S3=X1X0+X1X0=X1Y=S1=X1X0G=S0=X1X0 r=S0+S1=X1X0+X1X0=X1y=S3=X1X0g=S2=X1X0根据功能要求采用以下逻辑门电路构成：门电路是数
15、字逻辑电路的基本组成单元，门电路按逻辑功能可分为：与门、或门、非门以及与非门、或非门、异或门、同或门、与或非门。若按电路结构组成的不同，可分为立元件门电路、CMOS 集成门电路、TTL 集成门电路等。各种集成门电路通常都封装在集成芯片内。8此次设计采用的集成电路有 74LS04、74LS00、74LS20、74LS12、74LS08 引脚排列图如下图所示 这些集成电路的封装形式均为双列直插式。为双列直插式集成电路的右下方通常是地线 GND，左上方引脚一般是电源线 VCC，其它引脚的用途如图中符号所示，每个集成电路都有自己的代号，与代号对应的名称形象地说明了集成电路的用途。如 74LS00 是二
16、输入端四与非门，它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与非门。74LS04、74LS00、74LS20 引脚图如下图所示：1 2 3 4 5 6 789101112131474ls04vccGND图 74LS04 六非门内部结构引脚图1 2 3 4 5 6 789101112131474ls00vccGND图 74LS00 四入与非门内部结构引脚图91 2 3 4 5 6 789101112131474ls20vccGND2D 2C NC 2B 2A 2Y1A 1B NC 1C 1D 1Y图 7420 四输出与非门内部结构引脚图图 74LS10 三输出与非门内部结构引脚图3.2.5 状态译码电
17、路根据灯控函数逻辑表达式,可画出由与门和非门组成的状态译码器电路,如图所示。将状态控制器，状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路，如图所示。10U474LS90NQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023U5A74LS04N U6A74LS04NU7A74LS04NU8A74LS04N U9A74LS04NU10A74LS04N U11A74LS04NU16A74LS00N U17A74LS00NU18A74LS00NU19A74LS00NLED1LED4 LED6 LED7 LED5LED80U14A74LS12NU24A74LS1
18、2NU25A74LS12N12395U13A7408N U15A7408NU26A74LS04N U27A74LS04N U28A74LS04N U29A74LS04N4 8 10111516222461626364656201766U12A74LS20D7 1958680图 态译码电路113.3 译码显示电路译码显示电路主要是由 共阴极共阴极 LED 七段数码管，CD4511 译码器组成。3.3.1 共阴极共阴极 LED 七段数码管数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。此次设计采用的是共阴极连接如图图 共
19、阴极数码管引脚图3.3.2 CD4511 译码器图 CD4511 管脚功能排列图1.以下介绍各引脚的功能：12其功能介绍如下： BI：4 脚是消隐输入控制端，当 BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3 脚是测试输入端，当 BI=1，LT=0 时，译码输出全为 1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当 LE=0 时，允许译码输出。 LE=1 时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在 LE=0 时的数值。A1、A2、A3、A4 、为 8421BCD 码输入端。 a、b 、c
20、、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平 1 有效。2.数码连接译码电路。CD4511 是一种 BCD 码输入端,其中 D 是高电位;a、b、c、d、e、f、g 是输出端,输出高电平有效,和共阴极半导体发光数码管各发光段的阳极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，CD4511 和数码管的管脚排列图:图 段数码显示器管脚接法图 数码管连接电路图133. 真值表共阳极数码管 的数字显示真值表如下表所示表 七段显示译码电路真值表143.4555 振荡器构成的秒脉冲电路555 定时器是种中规模集成电路，只要外部配上适当阻容元件，就构成脉冲产生和整形电路。3.4.1 555 定时器的引脚时器
21、 555 定时器内部结构和引脚排列图，如内部电路图，引脚排列图。555 定时器内部含有一个基本 RS 触发器，配个电压比较器 C1,C2,一个放电三极管 T 由三个 5K 的电阻的分配器，555 定时器因此而得名一个输出缓冲器 G3。比较器 C1 的参考电压为 2VCC/3 加在同相输入端 C2 的参考电压为 VCC/3 加在反相输入端，两者均由分在器上取得。图 555 的内部电路图555 定时器引脚排列图555 定时器个引线端的用途如下：1511 端为接地线；22 端为低电平触发端，也称为触发输入端。当 2 端的输入高电压高 于 VCC/3 时，C2输出为 1；当输入电压低于 VCC/3 时
22、，C2 的输出为 0，使基本触发器置 1；33 端 U0为输出端；44 端是复位端，当 =0 时，基本触发器直接置 0，使 Q=0， =1；53 端 UDD 为电压控制端，如果 CO 端另加控制电压，则可以改变 C1，C2 的参考电压。工作中不使用 CO 端时，一般都通过一个 0.01uF 的电容接地，以防旁路干扰；66 端 TH 为高电平触发端，当输入电压低于 2VCC/3 时，C1 的输出为 1；当输入电压高于 2VCC/3 时，C1 的输出为 0，使基本触发器置 0，即 Q0=0， =1，这时定时器输出U0=0；77 端 D 为放电端。当基本触发器的 =1 时，放电晶体管 T 导通，外接
23、电容元件通过 T 放电；88 端 VCC为电源端，可在 4.3-1.6V 范围内使用，若为 CMOS 电路，则 VCC=3-18V。表 7-1 555 定时器功能表，它全面表示了 555 的基本功能。55 定时器功能表3.4.2 555 定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器产生矩形波的自激振荡电路，由于矩形波包含和高次谐波成分，因此称为多谐振荡器。如图 7-3 555 定时器图 7-4 波形图采用 555 设计的多谐振荡器及其工作波形，其振荡频率与实际的数字钟频率略有出入，但可以通过校时装置校时。多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）
24、 。用 555 实现多谐振需要外接电阻 R1，R2 和电容 C，并外接+3V 的直流电源。只需在+VCC端接上+3V 的电源，就能在 3 脚产生周期性的方波。16图 本次设计的秒脉冲电路图3.4.3 555 定时器工作原理接通电后，它经过电阻 和 对电容 C 充电，当 上升略高于 时，比较器 C1 的输出为“0” ，将触发器置“0” ， 为“0” 。这时， 1，放电管 T 导通，电容 C 通过和 T 放电， 下降。当 下降略低于 时，比较器 C2 的输出为“0” ，将触发器置“1”， 又由“0”变为“1” 。由于 0，放电管 T 截止， 又经过 和 对电容 C 充电。如此重复上述过程， 为连续
25、的矩形波。第一个暂稳状态的脉冲宽度 ，即 从 充电上升到 所需的（ ）Cln20.7（ ）C第二个暂稳状态的脉冲宽度 ，即 从 放电下降到 所需的时间：Cln20.7 C17振荡周期 T= + 0.7( 2 )C振荡频率占空比 q=tp1T由式可得,占空比大于总是%50。若设占空比=%50，又知交通信号灯的振荡周期是1S，可得到本次所需要的元器件阻值：.R14.7KR24.7KC1100nFC210nF183.5 交通灯信号灯控制总体框图根据设计各部分功能可画出交通信号灯控制系统总体框图：VCOUTU155_TIMER_RATEDGNDDISRSTTHRCONTRIU274LS90NQA12Q
26、B9QD1QC8INB1 R916R927R012INA14 R023U374LS90NQA12QB9QD1QC8INB1 R916R927R012INA14 R023U474LS90NQA12QB9QD1QC8INB1 R916R927R012INA14 R023U5A74LS04N U6A74LS04NU7A74LS04NU8A74LS04N U9A74LS04NU10A74LS04N U1A74LS04NU16A74LS0N U17A74LS0NU18A74LS0NU19A74LS0NR147R247VC5VVC5VVC5VC110uF C210uFU2451BD_5VDA7DB1DC2
27、D6OA13 OD10OE9OF15OC1OB12 OG14EL5BI4LT3U23451BD_5VDA7DB1DC2D6OA13 OD10OE9OF15OC1OB12 OG14EL5BI4LT3R939010390R139012390R13390R14390 R1539016390R1739018390 19390R2039021390R2390U20ABCDEFGCKU21ABCDEFGCKLED1LED4 LED6 LED7 LED5LED8交交交交交交交交交交交交交交交交交0820305交交交交交交交交交交交交交交交交交 交交 A2交交 交 交 60575655453525150494
28、84746454434241403938373635343323130000 VCVC270 VC14131218059U14A74LS12NU24A74LS12NU25A74LS12N12395U13A7408N U15A7408NU26A74LS04N U27A74LS04N U28A74LS04N U29A74LS04N4 8 101151622461626364652162567202628291760U12A74LS20D7 190图 交通信号灯控制系统总体框图19四、电路安装、调试与测试在电路板上按整机框图把主控制器、计数器、信号灯译码器、数子显示译码器和秒脉冲信号发生器焊接好然后
29、按以下步骤进行调试：1秒脉冲信号发生器的调试，按照数字电子钟的方法逐级调试振荡电路和分频电路，使输出设计符合设计要求。2将秒脉冲信号送入主控制器的 CP 端，观察主控制器的状态是否是按00、01、10、11、00的规律变化。3将秒脉冲信号送入计数器的 CP 端，接入主控制器的状态信号 X0、X1，并把主控制器的状态信号送入主控制器的 CP 端，观察计说器是否按 30 秒、5 秒、30 秒、5 秒、30 秒循环计数。4把主控制器的状态转换信号 X1、X0 接至信号灯的译码电路，观察 6 个发光二极管是否按设计要求发光。5整机联调，使交通信号灯控制电路正常工作。 以上是本次设计的全过程，由以上分析
30、知此设计所需材料有：3 片 74LS90、2 片 CD4511和 2 个共阴数码管、1 个 555 定时器、2 片 74LS04、1 片 74LS20、1 片 74LS00、1 片74LS10、1 片 74LS08、14 个 220 ohm 电阻、2 个 4.7k 电阻、1 个 100nF 电容、1 个 10nF 电容和导线若干。20五、参 考 文 献1康华光 电子技术基础- 模拟部分M 北京：高等教育出版社，2000，72童诗白 模拟电子技术基础M 北京：高等教育出版社， 2000，103成 立 数字电子技术M北京：机械工业出版社， 2004，14阎 石 数字电子技术M 北京：高等教育出版社
31、， 2000，55毕满清 电子技术实验与课程设计（第三版） M北京：机械工业出版社，2005，76谢自美 电子线路设计实验测试（第 4 版） M北京：高等教育出版社， 2000，37孙肖子 邓建国 陈 男 电子设计指南 M 北京：高等教育出版社， 2006，108赵曙光 可编程器件原理、开发及应用M 西安：西安电子科技大学出版社， 2002,29潘 松 黄继业 EDA 技术实用教程（第二版） M 北京：科学出版社， 2006，621六、总结、体会和建议经过这个课程设计，我真正体会到了学有所用，同时也让我更加深刻的了解数字逻辑电路的重要性，真正体会到一种共同学习、共同进步的学习气氛，一种大讨论的学习氛围。这次设计对我来说感触最深的是，要做好一个设计，首先要了解每一个部分所涉及的知识点，掌握它的原理；同时要跟同伴们紧密联系、加强合作，体会到一种合作意识。整个设计我都参与其中，这令我的分析设计以及动手能力有了很大的提高，培养了我思考问题的全面性；让我明白，做学问要有一丝不苟的态度，遇到困难要有勇往直前的精神，做事情要有耐心和毅力，工作中要学会与人合作，认真听取他人意见，这样做事情才会顺手、顺心，举得事倍功半的效果。
