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交通信号灯控制电路
第1章绪论
近年来随着科技的飞速发展，集成芯片的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。
集成芯片往往作为一个核心部件来使用，仅集成芯片方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。
十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。
那么靠什么来实现这井然秩序呢？
靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。
交通信号灯控制方式很多。
本系统采用双D触发器CD4013、十进制计数器/脉冲分配器CD4017、六反相器CD4069以及电阻、电容、普通二极管、发光二极管、电位器等元器件组成。
由于这些芯片具有功能强，体积小，功耗低，经济节约，工作可靠，易于扩展，使用方便灵活等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用使用于日常生活。
本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。
并且有利于学习和理解芯片CD4013、CD4017、CD4069的各引脚功能和加强电路设计和焊接技巧的能力。
1.1设计要求
1.1.1设计题目和设计指标
1.设计题目：
交通信号灯控制电路
2.设计指标：
1.TG1+TY1=TR0
2.TG0+TY0=TR1
式中：
TR0,TG0,TY0为主干道红、绿、黄灯亮的时间
TR1,TG1,TY1为支干道红、绿、黄灯亮的时间
3.灯亮时间可控
1.1.2设计功能
实现主干道、支干道红、绿、黄灯的显示控制。
第二章整机电路的构成
2.1整机电路方案比较
方案一：
采用单片机ATSC51和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通信号灯控制电路。
本方案实用性强、操作简单、扩展功能强。
图2-1方案一方框图
方案二：
采用数字电路和模拟电路实现交通信号灯控制电路。
信号灯驱动
电路
电源
信号灯功能
切换
定时分配器
显示电路
脉冲发生器
图2-2方案二方框图
本方案的脉冲发生器是由六反相器CD4069组成，为交通信号灯控制电路提供脉冲信号。
定时分配器是由双D触发器CD4013组成，作用是为交通信号灯提供定时分配时间。
信号灯驱动电路是由2片十进制计数器/脉冲分配器CD4017组成，目的是控制交通信号灯亮灭转换的状态。
信号灯功能切换电路由CD4017和与它相连接的二极管所组成，作用是为了实现东西南北红、绿、黄灯的亮灭切换。
显示电路是由红、绿、黄12只发光二极管组成，实现显示东西南北红、绿、黄灯转换的亮灭状态。
两种方案都能够很好的实现交通信号灯控制电路，但是，为了实现课程设计的目的：
能够熟练的掌握与应用数字电路系统和模拟电路系统，因此本系统采用方案二来完成交通信号灯控制电路的制作。
第三章单元电路设计、参数计算和器件的选择
3.1电源电路的设计
电源部分的作用是用于对整机电路供电，电源电路是由二极管、电容和三端稳压电源L7809组成的直流稳压电源（见图3-1）。
图3-1电源电路原理图
二极管具有单向导电性，因此利用二极管的这一特性和三端稳压电源L7809组成整流电路。
整流电路是将输入的不稳定的12V电压通过三端稳压电源L7809-U1稳定在+9V直流电压后输出。
因为电路只在电压的半个周期内才有电流流过负载，所以称为单相半波整流单路。
半波整流电路的优点时结构简单，使用元件少，但是也有明显的缺点：
利用率低直流成分较低。
所以只能用在输出电流较小的电路。
3.2脉冲发生电路的设计
脉冲发生电路是由六反相器CD4069组成。
CD4069内部是由六个独立通道输入﹑输出反相器单元电路构成的。
CD4069主要用作通用反相器，即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。
其逻辑关系的特点是：
当输入端为低电平时，输出端为高电平；当输出端为高电平时，输出端为低电平。
引出端符号：
1A～6A数据输入端、VCC正电源、Vss地、1Y～6Y数据输入端。
1.逻辑符号（见图3-2）
图3-2CD4069的逻辑符号
2.逻辑图（见图3-3）
图3-3CD4069的逻辑图
3.逻辑表达式：
Y＝
4.CD4069的外部引脚排列（见图3-4）
图3-4CD4069的外部引脚排列
5.六触发器CD4069的原理及参数计算
CD4017的14脚CLK
图3-5六触发器CD4069的原理图
六触发器CD4069的定时时间：
T=R2C2
3.3定时分配电路的设计
定时分配电路是由双D触发器CD4013所提供。
CD4013是由2个具有置位和复位功能的触发器组成的，都是CP上升沿触发的边沿D触发器，它以时钟低电平读入，以高电平输出，即RD、SD均为高电平有效，RD=1时触发器复位到0，SD=1时触发器置位1。
D触发器输出状态的改变依赖于时钟脉冲的触发作用，即在时钟脉冲触发时，输入数据。
D触发器由时钟脉冲上升沿触发，置位和复位有效电平为高电平“1”。
D触发器通常用于数据锁存或控制电路中，也是组成移位，计数和分频电路的基本逻辑单元。
电路工作原理是：
在第n个周期，末级两分频器的输出为高电平时，输入时钟脉冲的上升沿使分频电路工作；在第n＋1个周期，末级两分频器的输出为低电平时，输入时钟脉冲的下降沿使分频电路工作。
电路采用的是异步触发形式，各触发器的初始状态不会影响到分频的功能。
如果要求初始状态为“0”状态，可以将D触发器的复位端R引出，接至复位控制电路。
1.CD4013的特征表（见表3-1）
表3-1CD4013的特征表
CP
D
Qn+1
↑*
0
0
↑
1
1
*↑表示上升沿有效
2.CD4013的功能表（见表3-2）
表3-2CD4013的功能
输入
输出
CP
D
RD
SD
Q
↑
L
L
L
L
H
↑
H
L
L
H
L
↓
x
L
L
保持
x
x
H
L
L
H
x
x
L
H
H
L
x
x
H
H
H
H
表2所示特性全面地描述了CMOS集成边沿D触发器CD4013的逻辑功能。
当RD=SD=0时，电路按照方程Qn+1=D转换状态，CP上升沿有效；当异步输入端工作时，CP、D均无效，若RDSD=01则置1，若RDSD=10则置0，RD、SD的取值应遵守约束条件若RDSD=0。
3.脉冲触发电路原理（见图3-6）
CD4017-U2的11脚
CD4017-U2的RESET
图3-6脉冲触发电路原理图
3.4信号灯功能切换电路的设计
信号灯功能切换电路是2片十进制计数器/脉冲分配器CD4017所组成。
CD4017由5位Johnson计数器和译码器两部分电路组成。
它有3个输入端，即复位端CR﹑时钟端CP和禁止端INH。
有10个译码输出端，即Y0~Y9。
在复位状态时，只有Y0为高电平时，其他输出端均为低电平。
当有脉冲输出时，输出端依次变为高电平，Y0端变为低电平，另外，还设有进位输出端CO,可作为级联时使用。
时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制，INH为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之计数功能无效。
复位端CR为高电平时，计数器清零。
Johnson计数器提供了快速操作，输入译码选通和无毛刺译码输出，防锁选通，保证了正确的计数顺序。
译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。
引出端符号：
CO进位脉冲输出端、CP时钟输入端、CR清除端、INH禁止端、Q0－Q9计数脉冲输出端、VDD正电源、Vss地。
1.逻辑符号（见图3-7）
图3-7CD4017的逻辑符号
2.CD4017的功能表（见表3-3）
表3-3CD4017的功能
输入
输出
备注
CP
INH
CR
Y0～Y9
m＜5时,CO=H
m≥5时,CO=L
x
x
H
Y0
↑
L
L
Ym+1
H
↓
L
Ym+1
L
x
L
Ym
x
x
L
Ym
↓
x
L
Ym
x
↑
L
Ym
3.CD4017的外部引脚排列（见图3-8）
图3-8CD4017的外部引脚排列
4.逻辑图（见图3-9）
图3-9逻辑图
5.波形图（见图3-10）
图3-10波形图
3.5信号灯驱动电路的设计
信号灯驱动电路是由十进制计数器/脉冲分配器CD4017及与他相连的二极管组成。
十进制计数器/脉冲分配器CD4017见3.4中的介绍。
二极管（见图3-11）内部的PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；PN结反相偏置时，回路中的反相电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。
可见二极管具有单向导通电性。
正极负极
图3-11二极管符号
3.6显示电路的设计
显示电路是由红、绿、黄12只发光二极管组成及限流电阻组成。
发光二极管（见图3-12）通常称为LED，它们虽然名不见经传，却用途广泛。
如果将它们集结在一起，可以用于点亮交通信号灯。
正极负极
图3-12发光二极管符号
本质上，LED只是一种易于装配到电子电路中的微型灯泡。
但它们并不像普通的白炽灯，它们并不含有可烧尽的灯丝，也不会变得特别烫。
它们能够发光，仅仅是半导体材料内的电子运动的结果，并且它们的寿命同普通的晶体管一样长。
3.7器件的选择
如图3-13、图3-14所示，两个D触发器可由一片双D触发器CD4013芯片实现，以及74LS04与非门和74LS00非门来实现此电路。
由于电路结构较双D触发器CD4013有点复杂，而且需要三个芯片（至少两个），成本较高，并且CMOS电路比TTL电路集成度高、抗干扰能力强、功耗小、成本低、连接方便等优点，因此不采用以下器件。
图3-1374LS04芯片的引脚图
图3-1474LS00芯片的引脚图
第4章整机电路的工作原理
六反相器CD4069功能是脉冲发生电路，其中U5E和U5F组成脉冲发生器1，U5C和U5D组成脉冲发生器2，并且1、2脚和3、4脚所构成与非门空着。
双D触发器CD4013功能是定时分配电路，2片十进制计数器/脉冲分配器CD4017-U2、CD4017-U3组成的是信号灯驱动电路，信号灯切换电路则是CD4069、CD4013、CD4017由这三个芯片相互配合实现的，红、绿、黄12只发光二极管组成了显示电路。
这些子系统组成了交通信号灯控制电路，能够实现主、支干道的红、绿、黄灯的显示控制，即南北方向红灯亮的时间等于东西方向绿灯与黄灯亮的时间的总和，东西方向红灯亮的时间等于南北方向道绿灯亮与黄灯亮的时间的总和。
由六反相器CD4069的U5E和U5F组成脉冲发生器1的12脚提供一个时钟脉冲，送入十进制计数器/脉冲分配器CD4017-U2的14脚后，CD4017-U2开始计数，每来一个时钟脉冲，与CD4017-U2的2、4、7、10、1、5、6、9脚对应相连的二极管就相继导通，这时支干道东西方向的绿灯和主干道南北方向的红灯对应的亮，7个脉冲过后与CD4017-U2的11脚、9脚对应相连的二极管就相继导通。
这时南北方向的红灯不变，东西方向的绿灯灭黄灯亮，持续时间为2个时钟脉冲。
当CD4069的12脚再将一个时钟脉冲送入CD4017-U2时，CD4017-U2从11脚送给双D触发器CD4013的6脚S端一个高电平，这时CD4013的S端置1、R端清零。
CD4017-U2的3脚Q0端为高电平，其它引脚为低电平，这时CD4013的1脚将CD4017-U2复位。
当CD4069的U5C和U5D组成脉冲发生器2的8脚提供的下一个时钟脉冲送入另一片CD4017-U3时，CD4017-U3开始计数，每来一个时钟脉冲，与CD4017-U3的2、4、7、10、1、5、6、9脚相连的二极管就相继的导通，这时主干道的绿灯和支干道的红灯亮，7个脉冲过后，与11、9脚相连的二极管导通这时东西方向的红灯不变，南北方向绿灯灭黄灯亮，持续时间为2个时钟脉冲。
当CD4069的12脚再将一个时钟脉冲送入CD4017-U3时，CD4017-U3从11脚送给双D触发器CD4013的4脚R端一个高电平，这时CD4013的S端置1、R端清零。
CD4017-U3的3脚Q0端为高电平，其它引脚为低电平，这时CD4013的2脚将CD4017-U复位。
当下一个时钟脉冲到来时，东西南北方向的12只灯将重复上述的亮灭状态。
原理图见附录1。
第5章电路的组装调试
5.1电阻器的表称值及精度色环标志法
1.三位有效数字的阻值色环标志法（见表5-1）
表5-1三位有效数字的阻值色环标志法
颜色
第一
有效数
第二
有效数
第三
有效数
倍率
允许误差
黑
0
0
0
100
棕
1
1
1
101
±1%
红
2
2
2
102
±2%
橙
3
3
3
103
黄
4
4
4
104
绿
5
5
5
105
±0.5%
蓝
6
6
6
106
±0.25%
紫
7
7
7
107
±0.1%
灰
8
8
8
108
白
9
9
9
109
金
10-1
银
10-2
5.2万用表对常用电子元件检测
1．晶体二极管管脚极性判别
晶体二极管由一个PN结组成，具有单向导电性，其正向电阻小（一般为几百欧）而反向电阻大（一般为几十千欧至几百千欧），利用此点可进行判断。
将万用表拨到R*1K的欧姆挡，把二极管的两只管脚分别接到万用表的两根测试笔上。
如果测出的电阻值比较小（约几百欧），则与万用表黑表笔相接的一端是正极，另一端就是负极。
相反，如果测出的电阻较大（约几百千欧），那么与万用表黑表笔相连接的一端是负极，另一端是正极。
2.判别二极管质量的好坏
一个二极管的正、反向电阻差别越大，其性能就越好。
如果双向电阻值都较小，说明二极管质量差，不能使用；如果双向阻值都为无穷大，则说明该二极管已经断路。
如双向阻值均为零，说明二极管已被击穿。
利用数字万用表的二极管档也可判别正、负极，此时红表笔（插在“V*Ω”插孔）带正电，黑表笔（插在“COM”插孔）带负电。
用两只表笔分别接触二极管两个电极，若显示值在1V以下，说明管子处于正向导通状态，红表笔接的是正极，黑表笔接的时负极。
若显示值溢出符号“1”，表明管子处于反向截止状态，黑表笔接的是正极，红表笔接的是负极。
测量前应先将电解电容的两个引出线短接一下，使其上所充的电荷释放。
然后将万用表置于1K挡，并将电解电容的正、负极分别与万用表的黑表笔、红表笔接触。
在正常情况下，可以看到表头指针先是产生较大偏转（向零欧姆处），以后逐渐向起始零位（高电阻处）返回。
这反映了电容器的充电过程，指针的偏转反映电容器充电电流的变化情况。
一般来说，表头指针偏转愈大，返回速度愈慢，则说明电容器的容量愈大，若指针返回到接近零位（高电阻），说明电容器漏电阻很大，指针所指示电阻值，即为该电容器的漏电阻。
对于合格的电解电容而言，该阻值通常在500KΩ以上。
电解电容在失效时（电解液干涸，容量大幅度下降），表头指针就偏转很小，甚至不偏转。
已被击穿的电容器，其阻值接近于零。
对于容量较小的电容器（云母、瓷质电容等），原则上也可用上述方法进行检查，但由于电容量较小，表头指针偏转也很小，返回速度又很快，实际上难以对它们的电容量和性能进行鉴别，仅能检查它们是否短路或断路。
这时应选用R*10K挡测量。
1．发光二极管管脚极性判别
将发光二极管放在一个光源下，观察两个金属片的大小，通常金属片大的一端为负极，金属片小的一端为正极。
2.判别发光二极管质量的好坏
用万用表R×10k档，测量发光二极管的正、反向电阻值。
正常时，正向电阻值（黑表笔接正极时）约为10～20kΩ，反向电阻值为250kΩ～∞。
较高灵敏度的发光二极管，在测量正向电阻值时，管内会发微光。
若用万用表R×1k档测量发光二极管的正、反向电阻值，则会发现其正、反向电阻值均接近∞，这是因为发光二极管的正向压降大于1.6V的缘故。
用万用表的R×10k档对一只220μF/25V电解电容器充电（黑表笔接电容器正极，红表笔接电容器负极），再将充电后的电容器正极接发光二极管正极、电容器负极接发光二极管负极，若发光二极管有很亮的闪光，则说明该发光二极管完好。
也可用3V直流电源，在电源的正极串接1只33Ω电阻后接发光二极管的正极，将电源的负极接发光二极管的负极，正常的发光二极管应发光。
5.3电路的调试
电路组装完成电路后，电路通电后应该南、北主干道的红灯亮，东、西支干道的绿灯亮，大约7个脉冲过后支干道的绿灯灭黄灯亮，黄灯亮约2个脉冲后，瞬间灯全灭，随后南、北主干道的绿灯亮，东、西支干道的红灯亮，大约7个脉冲过后主干道的绿灯灭黄灯亮，黄灯亮约2个脉冲后，瞬间灯全灭，重复上述亮灭状态。
但是，电路通电后东面的红灯不亮，南面的红灯不亮，西面的黄灯不亮。
用万用表反复检查电路后，发现东面的红色发光二极管正、负极接反，导致东面的红灯不亮。
与南面的红色发光二极管正极和东面的绿色发光二极管负极相连的一根导线断路，导致南面的红灯不亮。
南面的红色发光二极管负极与西面的黄色发光二极管正极相连导致西面的黄色发光二极管两个管退间无电压致使西面的黄灯不亮。
排除上述问题后，电路正常工作。
通过电路调试的这个繁琐过程，让我们了解到电路调试这一环节的重要性，也告诉我们做事情一定要有耐心还要细心，一切不应急于求成，要按照每一个步骤来完成，否则只会事倍功半。
参考文献
1.《新编CMOS4000系列集成电路实用手册》杨帮文主编机械工业出版社2007年1月第1版
2.《模拟电子技术基础简明教程》（第二版）杨素行主编高等教育出版社1998年10月第2版
3.《数字电子技术基础简明教程》（第二版）余孟尝主编高等教育出版社1999年10月第2版
4.《电子技术应用实践指导》郭宏主编哈尔滨工程大学出版社2008年3月第1版
5.《电子线路设计•实验•测试》（第二版）谢自美主编
华中科技大学出版社2000年7月第2版
6.《电子线路CAD实用教程》（第三版）潘永雄沙河主编
西安电子科技大学出版社2007年7月第三版
附录1电路原理图
附录2元件清单
序号
名称
型号
参数
1
三端稳压电源
L7809
+9V
2
二极管
IN4148
3
六反相器
CD4069
4
双D触发器
CD4013
5
十进制计数器
CD4017
6
二极管
7
电位器
W104
100KΩ
8
电阻
7.5KΩ
9
负载电阻
470Ω
10
发光二极管
LED
11
电解电容1
2200μF/25V
12
电解电容2
100μF/25V
13
电解电容3
47μF/50V
14
万能板
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