数电交通灯控制器设计.docx

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数电交通灯控制器设计

大连交通大学

电气信息学院

综合设计报告

设计名称：

数字逻辑综合设计

设计题目：

交通灯控制器

学生学号：

专业班级：

学生姓名：

第一章课题背景

1.1背景

如今随着人们生活水平的提高，车辆越来越多，交通事故频繁发生。

交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏通交通流量，提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。

交通灯在城市交通中起着重要的作用，它与人们日常生活密切相关，是人们出行的安全保障。

因此提供一个问题、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有着现实的必要性。

为了解决这些问题，我们更应该提高交通控制和管理水平，合理使用现有交通设施，充分发挥其能力，提高交通效率，促进和谐交通的建立。

目前交通灯控制系统的设计软件也种类繁多，有基于EDA设计的，基于单片机设计的，基于DSP设计的，基于ARM嵌入式的等。

还有用标准逻辑器件、可编程控制器PLC等方案来实现。

但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了功能修改及调试的困难。

所以现在国内外广泛采用EDA技术设计交通灯控制系统。

在国外，英国，澳大利亚，日本和美国等国家均在交通控制系统上日益完善。

如以澳大利亚悉尼为背景开发的交通自适应协调系统SCATS（SydneyCoordinatedAdaptiveTrafficSystem），英国的运输和道路研究所（TRRL）研制的SCOOT（SplitCycleOffsetOptimizationTechnique）系统，日本的京三（Kyosan）系统等。

这些系统，大都是在各路口附近安装磁性环路监控器，由各路口的控制设备、人员将交通控制参数通过通讯网络输入微处理器，用小型计算机进行集中处理。

目前国内已有一些自主开发的城市交通控制系统，如公安部交通科学研究所开发的HT-UTCS系统，但它在整体性能上比国外同类系统仍有较大差距，只在一些中小城市得到一些应用。

国内城市尤其是大城市引进的交通控制系统大部分为进口的SCOOT和SCATS以及京三系统等，这些系统均是建立在机动车为主的道路交通条件基础之上的被动控制系统之上的。

由于我国交通是混合交通流，和国外交通流不大相同，因此，国外的这些交通控制系统在国内的使用效果不尽人意。

所以，国内科技人员也在孜孜不倦的研究着更好的交通灯控制系统。

这次，由于知识水平有限，只用简单的电路来介绍交通灯的工作原理。

介绍了数字电子技术中非常重要的几个芯片：

定时器555、二-五-十进制异步计数器74LS90、七段显示译码器45LS11、七段数码管触发、D触发器。

1.2目的和意义

1.2.1目的

（1）掌握计数器74LS90和74LS74、555定时器的功能及应用

（2）进一步了解实际应用中时序逻辑电路的设计和调试方法

（3）学会常用数字电路的设计

1.2.2意义

利用所学的数字电路的知识，将理论与实际结合起来，解决实际问题，通过综合设计提高对所学理论知识的理解，更深入地了解常见的几种元器件的功能，同时，提高动手能力和独立思考的能力，以及解决问题的能力，进一步激发对数字逻辑这门课的兴趣。

1.3基本理论依据

交通灯控制系统的设计主要利用了74LS90和74LS74构成30进制计数器，用做时间显示电路，555定时器构成多谐振荡器为控制系统提供时钟，D触发器在输入高电平时具有翻转特性来控制黄灯闪烁，十字路口东西与南北方向的交通灯相互交替亮，黄灯在红绿灯都不亮时闪烁的特点来设计信号灯控制电路。

1.4主要内容

（1）交通灯控制电路主要由多谐振荡电路、时间显示电路和信号灯控制电路组成。

（2）设计简介和设计方案论述。

（3）详细分析多谐振荡电路、时间显示电路和信号灯控制电路的原理和功能。

（4）实验结果分析和实验总结。

第二章设计简介及设计方案论述

2.1设计简介

图2.1交通控制灯电路设计

2.2设计方案论述

2.2.1信号灯转换电路

信号灯有三种状态：

状态一：

东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮；

状态二：

东西、南北方向黄灯同时闪烁；

状态三：

东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮；

状态四：

东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮；

2.2.2多谐振荡电路

用555定时器构成多谐振荡器，作为电路的计时脉冲，周期为1秒

2.2.3时间显示电路

由两个七段数码管组成两位的显示器，用来显示计时电路的时间。

第三章详细设计

3.1多谐振荡电路

3.1.1555定时器功能介绍

如下图3.1.1所示，555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

是复位端，当其为0时，555输出低电平，平时该端开路或接VCC。

Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3VCC作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

图3.1.1555定时器芯片

3.1.2多谐振荡器电路

如下图3.1.2所示为555定时器构成的多谐振荡电路，C2为0.01uF，若C1取10uF，依据公式周期T=（R1+2R2）Cln2可计算出R1+2R2=144k欧姆时可得到周期为1s,频率为1Hz的振荡信号。

图3.1.2多谐振荡电路

3.2计数电路

3.2.1用74LS90构成的10进制计数器

如下图3.3.1所示，74LS90是二-五-十进制异步计数器，R0和R9分别是置0端和置9端。

将时钟接CKA14接时钟端，CKB1接到Q0端，6和7接地，这样就构成了十进制计数器。

根据设计要求变成6进制的计数器，需要将0110端清零，即要将Q1和Q2接二与门后接到R0端。

图3.2.1用74LS90构成的10进制计数器

3.3信号灯控制电路

3.3.1信号灯控制的组成

东西南北四个方向，各有一组灯，用了2片D触发器，当南北方向的亮红灯时，东西方向必须是绿灯，设置红灯和绿灯各亮30秒，黄灯闪5秒。

与门U19和U20分别控制红灯和绿灯，异或门U21、非门U14、与门U17都是用来进行黄灯的控制。

3.3.2信号灯控制电路原理

信号灯控制电路如下图3.5.2所示，最初南北方向亮绿灯，东西方向亮红灯，2片的触发器，则Q是在有效时钟下状态进行翻转，2片JK触发器的Q端都是低电平。

在倒数第五秒时，U12A的Q进行翻转，则变成高电平，红绿灯都不亮，黄灯要亮，故接了个异或门后再接个非门来控制黄灯亮；在0秒时，U12A和U12B的Q都进行翻转，U12A的Q变成低电平，U12B的Ｑ变成高电平，U12B和U12A的

相与后得到低电平，故此时南北方向亮红灯，东西方向亮绿灯，黄灯就停止了闪烁。

通过以上过程就实现了对交通灯的控制。

图3.5.2信号灯控制电路

3.4总电路图及元器件清单

3.4.1总电路图

交通灯总电路如下图3.6.1所示，把上述详细设计的过程连接起来，时钟换成由555定时器产生的脉冲，即可以完成整个交通灯电路的设计。

图3.6.1交通灯电路

3.4.2元器件清单

表3.6.2元器件清单

型号

主要参数

数量

备注

7490

清0端、置9端

1个

同步计数器

7SEG-BCD-GRN

7段、绿色

2个

数码显示器

7432

2个输入端

2个

或门

7411

3个输入端

2个

与门

RES

2k、15k

1个

电阻

CAP

0.01uF、10uF

2个

电容

BUTTON

人工控制

1个

按键

7474

D输入

1个

D触发器

TRAFFICLIGHT

红绿黄灯

2个

交通灯

555

频率3Hz

1个

555定时器

第四章设计结果及分析

4.1设计结果

在未进行人工干预的情况下，当电路运行时，东西方向红灯亮，南北方向亮绿灯，经过30秒后，由于D触发器的翻转，绿灯熄灭，黄灯亮，当黄灯闪5秒后，东西方向亮绿灯，南北方向亮红灯，经过20秒后，绿灯熄灭，黄灯开始闪5秒，然后东西方向再次亮红灯，南北方向再次亮绿灯，以此周期为60秒的状态重复下去。

4.2结果分析

由555定时器构成的多谐振荡器产生的脉冲作为整个交通灯控制系统的最原始的时钟，2个74S90主要构成了30进制时间显示器，东西南北方向的红绿灯时相互交替亮55秒，黄灯在红绿灯都不亮的情况才闪5秒。

在60-55秒时2片D触发器的Q端都是低电平，U12A和U12B的

端相与后为高电平，东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯；在倒数第5秒时，U12A的Q的状态进行翻转，则变成高电平，红绿灯都不亮，黄灯要亮，黄灯闪5秒后，2个JK触发器都要进行翻转，U12A的Q变成低电平，U12B的Ｑ变成高电平，U12B和U12A的

相与后得到低电平，故此时南北方向亮红灯，东西方向亮绿灯，黄灯就停止了闪烁。

重复上述周期为60秒的状态，就完成了交通灯的基本控制。

总结

通过为期一周的课程设计，我应用所学数字逻辑的知识顺利得完成了交通灯控制器的设计。

在此期间，我查阅里很多相关书籍，在网上查了一些相关芯片的资料，学到了很多知识，并利用它们设计了符合设计要求计数器、控制电路等电路的仿真。

不仅巩固了课堂知识，而且有效的和实际结合在了一起，加强了我们动手、思考、解决问题的能力，并扩展了所学知识和见识。

在电路设计过程中，遇到了如下问题：

（1）以前我们做过数字逻辑的基本实验，对各种计数器芯片都有了，较深入的了解，但是当要自己选择几种芯片并进行综合设计时，还是有点问题，因此我又花了一节课的时间，进行芯片功能的测试。

（2）设计黄灯亮的时候有问题，最初想设置黄灯在倒数第5秒的时候闪一下，那时候用的芯片是7490，没有达到预期的效果，仔细看电路，是芯片的脉冲有问题，芯片的脉冲应该接原始脉冲。

（3）用7490芯片控制黄灯时，黄灯闪时总伴随着红灯或者绿灯亮，在实际生活中这种情况是不能存在的，因此利用D触发器D都是高电平时翻转的特性和借助一些门电路，换掉了7490芯片。

（4）黄灯需要闪5秒钟，我已经设置了倒数5秒和0秒时的信号传出，可是，黄灯的总是只闪了一下，加了一个与门，达到了黄灯闪5秒的目的。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实践相结合的重要性，只有理论知识仅仅是不够的，只有把自己所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，在实践中运用结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动能和独立思考能力，同时在设计过程中发现了自己的许多不足之处，对以前所学的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固。

此外，设计电路需要心静下来慢慢思考，克服了我最近比较浮躁的心态，同时也让自己充实了很多。

同时，在设计过程中遇到了许多大大小小的问题，在解决过程中，同学给了我很多帮助，我不懂的地方，同学给我详细地讲解，正是由于他们们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至整个设计过程的顺利完成。