1、自动化课程设计 交通灯一、设计任务及要求：设计任务：设计一个十字路口的交通灯控制电路要 求： 1、要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为 25 秒；2、要求黄灯先亮 5 秒，才能变换运行车道； 指导教师签名： 20 年 月 日 二、指导教师评语：指导教师签名： 20 年 月 日 三、成绩20 年 月 日 2目录1 设计目的42 设计思路43 设计过程4 3.1方案论证43.2电路设计63.2.1 秒脉冲发生器63.2.2 定时器73.2.3 控制器93.2.4 译码电路103.2.5 显示部分113.2.6 总原理图124系统调试与结果125主要元件126 结论13
2、7设计心得体会138 附录138.1总原理图138.2 PCB图149参考文献143交通灯控制电路摘要：交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车辆的流量，提高交叉路口车辆的通行能力，减少交通事故。本交通灯设计主要由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路组成。秒脉冲发生器由 NE555 产生脉冲，定时器由 74LS160 实现，控制器由 74LS153 和74LS74 组成，译码电路采用 74LS48 和七段数码管来显示。控制器通过 ST 信号对定时器进行控制，从而显示红黄绿灯的转换。关键字：交通灯 控制器 秒脉冲发生器 定时器 译码器1 、设计目的（1）熟悉集成电路的引脚安排。（2）掌握各芯片
3、的逻辑功能及使用方法。（3）了解面包板结构及其接线方法。（4）了解数字交通灯控制电路的组成及工作原理。（5）学会用仿真软件对设计的原理图进行仿真。（6）熟悉数字交通灯控制电路的设计与制作。2、设计思路（1）设计秒脉冲发生器（2）设计交通灯定时电路（3）设计交通灯控制电路（4）设计交通灯译码电路（5）设计交通灯显示时间电路3 设计过程 3.1方案论证方案一 用数电电子技术来实现交通灯控制交通灯控制系统的原理框图如图 1-1 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
4、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: 表示甲车道或乙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。 4图 1-1 系统的原理框图交通灯控制器的 ASM 如图 1-3 所示（1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。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）
5、乙车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车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，乙车道禁止通行。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）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车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）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车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
6、 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1、2 所示，控制器应送出甲、乙车道红、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，并作如下表 1-2 规定：表 1-2控制状态 信号灯状态 车道运行状态S0（00） 甲绿、乙红 甲车道通行，乙车道禁止通行S1（01） 甲黄、乙红 甲车道缓行，乙车道禁止通行S3（11） 甲红、乙绿 甲车道禁止通行，乙车道通行S2（10） 甲红，乙黄 甲车道禁止通行，乙车道缓行AG=1 甲车道绿灯亮 甲车道通行BG=1 乙车道绿
7、灯亮 乙车道通行AY=1 甲车道黄灯亮 甲车道缓行BY=1 乙车道黄灯亮 乙车道缓行AR=1 甲车道红灯亮 甲车道禁止通行BY=1 乙车道红灯亮 乙车道禁止通行5由此得到交通灯的 ASM 图，如 图 1-3 所示。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。图 1-3 交通灯的 ASM 图方案二 用单片机技术来实现交通灯控制用单片机技术来来实现交通灯控制是最容
8、易实现的，而且该电路可靠性也很高，但是这是要求设计者要有单片机编程的基础上才能完成设计。由于本人单片机编程基础不是很好，所以选用了数字电子技术来实现交通灯控制。3.2单元电路的设计 3.2.1秒脉冲发生器 秒脉冲发生器由 NE555 电路及外围电路组成，其中 R8=15K、R9=68K,C3=10uF 的电阻电容值决定了脉冲宽度。既 T=(R8+2R9)C2ln2 当 T=1S，即可凑出 R8、R9 、C3 其中C3=0.01uF 是为了保持输出的波形的稳定。如图 1-4 所示， R9=68K、C3=10uF 组成一个串联 RC 充放电电路，在 NE555 的 7脚上输出一个方波信号，C3 上
9、得到一个三角波。此三角波送到 NE555 的 2 脚输入端。由6NE555 内部的比较器和门电路共同作用，维持 7 脚上的方波信号和 3 脚上的输出方波。图 1-4 秒脉冲发生器原理图秒脉冲还可以由芯片 CD4060 和 74LS74 及其外围电路构成如图 1-4-4，该电路选用石英晶体结构成振荡器，在经过分频电路得到秒脉冲。振荡器的频率越高，计时精度越高。如果精度要求不高也可以采用集成逻辑门与 RC 组成的时钟源振荡器以及由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器。因此，该设计选着由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器来产生秒脉冲。图 1-4-4 石英晶体和分频器构成
10、的秒脉冲发生器3.2.2 定时器 定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号 ST 作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1 计数，向控制器提供模 5 的定时信号 TY 和模 25 的定时信号 TL。7计数器选用集成电路 74LS160 进行设计较简便。74LS160 是 10 进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。74LS160 功能表如表 4-1 所示。表 4-1CLK RD LD EP ET 工作状态XXX01111X0111X XX X0 1X 01 1置零预置数保持保持（C=0）计数表中 RD是低电平有
11、效的同步清零输入端， LD是低电平有效才同步并行置数控制端，EP、ET 是计 图 1-3 交通灯的 ASM 图数控制端，CO 是进位输出端，D0D3 是并行数据输入端，Q0Q 3 是数据输出端。设计如图 1-5图 1-5 交通灯定时器其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲 CLK 分别送给两个 74LS160 的清零端9 处。如图所示：输入端 3.4.5.6 分别接地.。U1 的 7 和 10 由 U2 的 11、14 经过与门相与后相连。.即：只有当时 11、14 处产生一个高电平脉冲时才能触发 U1 中的 14 产生脉冲。当U13C74LS04 的 ST 信号分别送给 U1 和 U2 的
12、 LOAD。就可以得到 TY 和 TY 非是秒脉冲的 5 倍；TL 和 TL 非的结果是秒脉冲的 25 倍。8除此，还可以用 74LS163 来实现这个定时器。但是由于该芯片不是十进制的计数器，因此在进位时要加上一个与门，设计如下图 1-5-5。因为该电路与 1-5 的定时电路多用了一个与门，因此不选用。图 1-5-5 由 74LS193 构成的定时电路3.2.3控制器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。列出控制器的状态转换表，如表 1-6 所示。选用两个 D 触发器 74LS74 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，
13、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，就可以列出了状态转换信号 ST。表 1-6 控制器状态转换表根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将 Q1n+1、Q 0n+1 和 ST 为 1的项所对应的输人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：9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
14、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。控制器原理图如图 1-7 所示。图中 R、C 构成上电复位电路。由两个双多路转换器74LS153 和一个双 D 触发器 74LS74 组成控制器。触发器记录 4 种状态，多路转换器与触发器配合实现 4 种状态的相互交换。图 1-7 交通灯控制器其原理为： CLK 分别送给 U6A 和 U6B 的 3 和 11 的清零端。将 TY 接入 U4 的 5 和U5 的 4 和 5；TY 非接入 U4 的 4。如上图所示：74LS74 两个 D 触发器作为时序寄存器产生 4 种状态。选用数据选择器 74LS153 来实现每个 D
15、触发器的输入函数，将触发器的的现态值加到 74LS153 的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。3.2.4译码电路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。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表 1-8 所示。表中 A、B 代表甲、乙车道。10表 1-8 控制器状态编码与信号灯关系表Q1 Q0 AG 绿灯 AY 黄灯 AR 红灯 BG 绿灯 BY 黄灯 BR 红灯0 0 1 0 0 0 0 10 1 0 1 0 0 0 11 0 0 0 1 1 0 01 1 0 0 1 0 1 0由秒脉冲发生器产生了周期性
16、变化的 CLK 脉冲，一部分送给了定时器的 74LS160 芯片，另一部分送给了控制器的 74LS74 芯片。在脉冲 ST 同时加到定时器 74LS160 芯片的情况下，通过芯片 74LS10 将会输出 TY、TY 非；TL、TL 非。即 TY 和 TY 非放大的结果是秒脉冲的 5 倍；TL 和 TL 非放大的结果是秒脉冲的 25 倍。前者输出的信号是后者的 1/5。将定时器输出的 TY。TY 非；TL。TL 非分别作用于控制器的芯片 74LS153 中，在 CLK 脉冲置于芯片 74LS74 中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片 74LS08 组成的译码器后再通过电路中的指示灯
17、和 200 欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。电路图设计如图 1-9图 1-9 译码器部分原理图113.2.5显示部分显示部分由 74LS48 和共阴极七段数码管组成， 74LS48 作为译码器，对 74LS160 的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出 74LS160 的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计如图 1-9图 1-9 由 74LS48 和数码管组成的电路4系统调试与结果（1）组装调试秒脉冲电路。（2）进行定时电路的组装和调试。当输人 1Hz 的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到 25 时，能输电有效的定时时间到信号。
18、（3）调试交通灯控制器以及显示部分。 （4）判断各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。最终调试如下：接上电源,便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为 25 秒，甲车道方向绿灯亮，行人车辆都可自由通行；乙车道方向车道的红灯亮，车辆禁止通行。时间显示器从预置的 0 秒，以每秒增 1，增到 25 到 0 时，甲道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。从增至 5 秒又到 0 后时甲车道的黄灯转换为红灯；乙车道的红灯转换为绿灯。如此循环下去。5主要元件集成电路：NE551 片 74LS1602 片 74LS082 片 74LS042 片 74LS1532 片
19、 74LS742 片 74LS482 片 5106AS2 片74LS201 片（74LS04 芯片含有 4 个非门，08、20 芯片同上）电阻： 200 欧姆9 个 15K 欧姆1 个 68K 欧姆1 个 电容： 0.01uF1 片 10uF2 片其他：发光二极管6 个126、结论1、能实现的功能交通灯的状态转换和计时时间的显示，基本能实现甲、乙道路直行和转弯灯的显示功能。2、不足之处交通灯中没有右转灯，用的芯片太多。7、设计心得体会开始拿到题目的时候，不知道怎么去做,因为已经有半年没看数电了，自己对这门课的设计都不是很会，对很多的芯片的功能都不是很清楚，而且还要带一个专升本的同学去做这个设计
20、，所以做得特别认真。从收集资料到仿真在到做实物一共用了半个月的时间。在做 PCB 板的时候，花了很长的时间去布线，由于芯片太多，线很乱不得不手动布线，一共用了一天的时间才做好。通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力.现在设计已经做好了, 但是控制器控制信号灯不是很好。虽然花了很多的时间，但学到了很多东西。做课程设计的时候,自己把整个书本都看了几遍，增强了自己对知识的理解，很多以前不是很懂的问题现在都已经一一解决了。在课程设计的过程中，我想了很多种方案，对同一个问题(像计数器的接法)都想了很多种不同的接法，运用不同的芯片进行了比较，最后还是采取了上面的方法进行连接。8 、附录8.1
21、总原理图 1-10和 1-11（如下）109 8U3:C74LS0 1X06 1Y751X24332X010 2Y912X1233A14B21E125U474LS1531X06 1Y751X24332X010 2Y912X1233A14B21E125U574LS153D2 Q5CLK3 Q6S4R1U6:A74LS74D12 Q9CLK1 Q8S10R13U6:B74LS74R120C10uF12 3U7:A74LS0845 6U7:B74LS08910 8U7:C74LS081213 1U7:D74LS08 R220R320R420R520D1LED-GREND2LED-YELOWD3LED
22、-REDD4LED-GREND5LED-YELOWD6LED-REDR720R4 DC7Q3GND1VC8TR2 TH6CV5U8NE5C20.1uF C310uF R86kR915kTyTy非 TLTL非TsA7QA13B1B2C2QC1D6D0BI/RO4QE9I5F15LT3QG4U974LS48A7QA13B1B2C2QC1D6D0BI/RO4QE9I5F15LT3QG4U1074LS4812U13:A74LS0434U13:B74LS0456U13:C74LS04D03Q0141413D25Q212363RCO15ENP7T10CLK2OAD9MR1U274LS160D03Q0141413D25Q212363RCO15ENP7T10CLK2OAD9MR1U174LS60R620121312U12:A74LS0甲 车 道乙 车 道图 1-10 仿真图一13图 1-11 仿真图二8.2 PCB图9、参考文献1 康华光. 电子技术基础. 北京：高等教育出版社，1999 年2罗杰等编. 电子技术基础试验. 北京：高等教育出版社，2008 年 3 金唯香等编. 电子测试技术. 长沙：湖南大学出版社，2004 年4 阎石. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2001 年14
