1、基于数字电路的交通灯课程设计报告 2013 年 7 月 3 日系 别专 业班 级姓 名学 号指导教师摘 要交通灯控制器是可以自动控制交通灯，并以倒计时的方式显示出时间，方便行人和车辆在通行时有条不紊的通行，达到交通井然有序，出行人员安全快捷的到达目的地的效果。本次设计的就是想通过这样的一个实例，达到理论和实践相结合的目的。关键字:交通灯控制器；数字电路；Multisim；555 多谐振荡器目 录1 引言 .12 设计任务和要求 .23 系统模块功能关系设计 .34 电路设计计算与分析 .44.1 时钟脉冲信号 .44.2 主状态控制电路 .44.3 信号灯驱动电路 .54.4 计时器电路 .6
2、4.4.1 百进制计数器电路 .74.4.2 置数端开关信号与主控器脉冲信号输出电路 .74.4.3 由主控器状态控制的置数信号输入 .84.5 计时器显示电路 .104.6 总电路图仿真 .115 焊接与调试 .126 心得体会 .13参考文献 .14附录 .15附录 A 元件清单表 .15附录 B 芯片管脚图 .16附录 C 实物图 .1901 引 言随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、 上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自 80 年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路
3、的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。因此，本次通过对交通灯的设计，了解交通灯的工作原理。12 设计任务和要求利用所学数字电路知识，设计简单交通灯控制电路。在由一条主干道和一条支干道汇合形成的十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每一个入口处设置红、黄、绿三色信号灯。红灯亮禁止通行，绿灯
4、亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁止线外，以此实现红绿灯对城市交通的自动指挥。（1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。（2）当主道允许通行时绿灯亮，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。（3）主支干道交替允许通行，主干道每次允许放行 30S，支干道 20S。设计 30S 和20S 计时显示电路。（4）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮 5S 的黄灯作为过渡，设置5S 计时显示电路。23 系统模块功能关系设计本系统设计中，根据要求可以建立四个功能模块，分别是主控制器模块、时钟脉冲信号发生模块、计时器与时间显示模块、信号灯驱动模块。主控模块起到控制和联系其它各
5、模块的作用，其它模块反过来作用于主控模块，实现整个系统的正常运行。经过最终设计与论证，得到个模块的关系如图 1 所示：图 1 各个模块关系图信号灯与时间显示时钟脉冲主控制电路计时器电路34 电路设计计算与分析4.1 时钟脉冲信号时钟脉冲信号由 555 定时器与相应大小的电阻和电容连接而成的多谐振荡器来产生。由于电路中需要的脉冲信号周期为 1s，如果选用的电容分别是 10uF 和 0.01uF，则根据周期计算公式 T=(R1+2R2)CLn2，可得到 R1+2R2 的阻值为 144K 欧，因此我们令 R1 等于 39K 欧，R2 等于 51K 欧，则连接而成的由 555 定时器构成的多谐振荡器如
6、图 2 所示。图 2 555 定时器构成的多谐振荡器4.2 主状态控制电路主控电路是本系统的核心，它的输入信号来自主干道和次干道计时系统有进位输出时产生的脉冲，它的输出一方面经显示驱动电路控制主干道和次干道信号灯的状态，另一方面控制计时系统的置数，根据信号灯的不同状态，给主干道和次干道计时器置入时间信号，让计时器按照预定的时间间隔工作。主控电路属于时序逻辑电路，由于主干道和次干道各自的三种灯正常工作时只有四种可能，即四种状态：主绿灯和支红灯亮，主道通行；主黄灯和支红灯亮，主干道准备停车；主红灯和支绿灯亮，支干道通行；主红灯和支黄灯亮，支干道停车。因此，我们可以用双 D 触发器构成二进制加法器，
7、实现四个状态的循环转换，关系图如图 3 所示。4图 3 主控器状态转换图双 D 触发器的连接如图 4 所示。图 4 双 D 触发器构成的二进制计数器令左边触发器两个输出端为 Q1 和 Q1,右边触发器的两个输出端分别为 QO 和Q0，则 Q1Q0 的状态变化依次是 00、01、10、11 。4.3 信号灯驱动电路主控制器的四种状态分别要控制主、支干道红黄绿灯的亮与灭。令灯亮为“1” ，灯灭为“0” ，主干道红黄绿灯分别为 R、Y、G，支干道红黄绿灯分别为 R、Y、G ，则信号灯驱动电路真值表如表 1 所示：5表 1 信号灯驱动电路真值表输 入 输 出Q1 Q0 R Y G r y g0 0 0
8、 0 1 1 0 00 1 0 1 0 1 0 01 0 1 0 0 0 0 11 1 1 0 0 0 1 0由以上真值表可得到各灯的逻辑表达式分别为：R=Q1Q0+Q1QO=Q1;Y=Q1Q0; G=Q1Q0R=Q1Q0+Q1Q0=Q1;y=Q1Q0; g=Q1Q0因此得到主支干道的信号灯驱动电路如图 5 所示。主干道 支干道图 5 信号灯驱动电路图64.4 计时器电路计时器电路是本次设计中做复杂也最为关键的一部分，这一部分又可以分为输出和输入两部分。输入的信号除了秒脉冲时钟信号以外，更重要的是主控电路对其输入的置数信号。输出信号为三部分，分别是主次干道的计时显示电路、置数端开关控制信号、主
9、控电路的脉冲控制信号。4.4.1 百进制计数器电路这一部分我们选用两片十进制计数器芯片 74LS190D 级联而成。74LS190D 可以实现加计数和减计数，由 U/D 控制，当输入为低电平时进行加计数，反之则为减计数，本次设计选用减计数，因此 U/D 端输入始终为高电平。 CTEN 端为扩展功能端，接入低电平时正常工作，级联接线如图 6 所示。图 6 计时器级联电路图4.4.2 置数端开关信号与主控器脉冲信号输出电路当计数器每完成一个状态的计数后，需要打开自己的置数端接受主控器下一个状态的置数，同时输出脉冲送往主控器使其产生新的状态。由于每完成一个计数状态，计时器都会有一个低电平进位输出，我们可以将这个低电平送往置数端开关端口打开置数端，同时反向后送往主控器切换状态。但由于进位输出信号过于短暂，可能使主控器电路来不及反应就消失，造成电路不稳定。为了解决这一个问题，使进位输出信号有足够的宽度，我们想到用基本 RS 触发器组成反馈置数电路，由于进位输出信号是低电平，所以反馈电路可设计如图 7 所示。
