简易交通灯控制设计.docx
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简易交通灯控制设计
课程设计任务书
课程名称电子线路课程设计
课程设计题目简易交通灯控制的设计
课程设计的内容及要求：
一、设计说明与技术指标
设计一个简易交通灯控制逻辑电路，要求：
1、东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间25s。
2、东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s。
3、南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间15s。
4、如果发生紧急事件，可以动手控制四个方向红灯全亮。
二、设计要求
1.在选择器件时，应考虑成本。
2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。
3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。
三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。
2．进行实验数据处理和分析。
四、推荐参考资料
1.童诗白，华成英主编，模拟电子技术基础，高等教育出版社2006
2.闫石，数字电子技术基础（第五版）出版社，高等教育出版社2005
3.陈孝彬，555集成电路实用电路集，高等教育出版社2002-8
4.王刚，TTL集成电路应用，机械工业出版社，2000-10
五、按照要求撰写课程设计报告
成绩评定表：
序号
评定项目
评分成绩
1
设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）
2
设计结果可信（例如：
系统分析、仿真结果）（15分）
3
态度认真，遵守纪律（15分）
4
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（25分）
5
答辩（30分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
一、概述
简易逻辑交通灯控制电路，是现实中比较常用的，在道路交通中我们常常能够看到交通灯红灯，黄灯，绿灯，这些交通灯根据不同的控制方式，车流量的不同，开放车辆和行人时间在不同场景均不相同，交通灯无非两种方式实现交通灯的功能，使用逻辑电路控制或是使用接口技术。
在这次设计中，我采用逻辑电路设计方式，在设计过程中采用三大步走的方式，第一大步设计总体方案，第二大步电源电路的设计，第三大步就是调试和运行。
在第一大步中主要对采用的不同方案进行论证，采用一种最佳的方式进行从而达到最佳效果；在第二大步的单元电路设计中，使用到74192加减计数器，555定时器，T触发器，JK触发器等，采用合适器件搭配实现电路要求能使电路工作时达到最佳效果。
二、方案设计
根据设计任务与要求，我们可以知道这个交通灯的设计是分主次干道的，两个方面的时间是不同的，东西方向通行25s，南北方向15s，这就要求我们要有两个计数器，根据我自己的经验，东西方向通行25s完，倒计时数字显示器会显示到0，然后切换到南北方向通行15s完之后，倒计时数字显示器也会显示到0之后然后切换到东西方向，这样如此循环，这样的话我们就要设计一个16进制和一个11进制的计数器，根据我们所学和知识，可以用两片74192芯片来构成对应进制的计数器，由于是15和10之间循环切换，我们可以用利用JK触发器的翻转功能来实现两种进制计数器之间的切换；当然还有每个方向倒计时只有5s时，黄灯闪，一直到0为止，由于黄灯是当两个计数器倒计时到5时开始闪，我们就可以在这时发出一个脉冲然后一直保持到0，或者是接收0~5这段时间的脉冲都可以控黄灯只在到了这段时间才亮；还有就是一个紧急开关，我们可以控制在出现紧急情况时使用清零端使之清零，并且红灯直接接到电源，使之一直处于亮的状态。
由555定时器计时，驱动交通灯选择器控制交通灯的显示，当一个方向的计数完成之后会产生一个脉冲，给通道选择器，然后通道选择器驱动计数进制转换器转换到另一个进制，由计数进制转换器预置555定时器的定时时间，然后再驱动交通灯选择器控制交通灯的显示，如此往复，其中555定时器是由电阻和电容来控制定时时间，其中的计数进制转换器就可用一个数据分配器74138来选择所需电阻的大小来控制，通道择器就可用两个JK触发器构成一个四进制的计数器，其中两个输出端就可以来作为计数进制转换器74138的输入，并且这两个输出端还可作为交通灯选择器74138的输入。
图1.主电路状态转换图
三、电路设计
1、主电路设计
任务要求实际上就是4个状态，不妨设：
S1：
东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间25s；
S2：
东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s；
S3：
南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l5s；
S4：
如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。
S1-S3使用2个7473替代的T触发器。
JK触发器包含SR触发器和T触发器的功能，J=K=T，则得到T触发器。
主电路要实现S1→S2→S3状态的循环转换，而且可以在任何一个状态进入S4，并能恢复正常工作状态。
S1=25s；S2=5s；S3=15s。
S4使用或门、非门实现，从表1可知：
表1.指示灯状态转换
主电路
状态
东西方向绿灯G1
南北方向红灯R2
黄灯
Y
东西方向红灯R1
南北方向绿灯G2
S1
1
1
0
0
0
S2
0
0
1
0
0
S3
0
0
0
1
1
S4
1
0
0
1
0
1）计时器：
使用上升时序，个位、十位两片74192。
进位关联使用个位TCU＝十位UP实现（TerminalCountUp（Carry）Line）。
数据状态通过判断条件进入选择器74S153。
判断条件成立后执行清零。
2）时序Sx控制：
使用74LS73改装的T触发器2个，实现S1→S2→S3状态的循环转换。
3）判断时钟、Sx：
判断74192和74LS73的状态，满足条件输出74192的清零使能和74LS73的CLK信号。
4）翻译Sx－LED，翻译S1、S2、S3对应LED的5个状态：
5）输出调整电路，令紧急电平开关控制LED的状态。
2、单元电路设计
1、秒脉冲电路的选择设计
本实验采用555定时器组成的多谐振荡器，如图1所示，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放电电流只流经R2，因此电容的充电时间变为T1=（R1+R2）C1ln2，放电时间变为T2=R2Cln2,故电路的振荡周期为T=（R1+2R2）Cln2。
通过改变R1，R2，C1的值，可改变振荡周期的大小。
555电路原理图：
图2.555电路原理图
2、计时系统电路的选择设计
计时系统主要由两片异步置数的74192计数器和四输入的数码管构成，计数器由两片74192十进制计数器组成两位十进制加法计数器，控制个位数的74192接入脉冲输入，进位输出端接十位数的加计数输入端。
两个芯片上的计数器输入端都接地，清零端接紧急开关，当紧急开关接地时，清零端输入低电平，计数器正常工作，当紧急开关接高电平时，计数器清零停止工作。
74S153的1Y、2Y通过一个或门后接两个74192的预置数端，数据状态通过判断条件进入选择器74S153。
判断条件成立后执行清零。
控制个位数的74192的QB、QC经与门接入74S153的B输入端，当个位到达6时，输出为“1”；控制十位数的74192的QA接74S153的1C2、2C1、2C3，当十位到达1时，输出为“1”。
计数器的输出端分别连接对应数字译码显示器的输入端。
电路如图3所示
图3.计时系统电路图
3、状态转换电路的选择设计
状态控制器是交通灯控制电路的核心，能够控制交通灯工作状态的转换。
本设计需要循环的状态一共是三个，分别是S1、S2、S3，采用74LS73，JK触发器，当J和K都接高电平时，相当于T触发器，当时钟信号为高电平时实现状态翻转低电平保持不变。
T触发器,什么是T触发器在数字电路中，凡在CP时钟脉冲控制下，根据输入信号T取值的不同，具有保持和翻转功能的电路，即当T＝0时能保持状态不变，T＝1时一定翻转的电路，都称为T触发器。
T触发器的特性表逻辑符号T触发器电路特点①主从JK触发器采用主从控制结构，从根本上解决了输入信号直接控制的问题，具有CP＝1期间接收输入信号，CP下降沿到来时触发翻转的特点。
②输入信号J、K之间没有约束。
③存在空翻现象。
用JK触发器构成T触发器：
则有：
使2个T触发器的4状态循环变为3状态循环，使用
作系统状态。
由选择器74153判断。
如图所示：
图4.状态转换电路图
信号灯转换器其实就是由计数进制转换器来实现，即一个JK触发器，其中J、K端都同时接高电平，即构成了一个T触发器，目的就是实现翻转功能，其时钟输入端是由倒计时计数器中的两片74192的八个输出端经过一个或门然后经过一个非门接入。
表2.状态转换表
74LS73
74LS73
状态
持续时间
S1
00
11
25S
S2
01
10
5S
S3
11
00
15S
4、时钟、状态控制判断系统电路的选择设计
判断系统由双四选一的74S153数据选择器构成，电路图5所示：
图5.时钟、状态控制判断系统电路
数据选择器输出的逻辑表达式为：
1Y=[1C0（~A~B）+1C1（~AB）+1C2（A~B）+1C3（AB）]·1G;
2Y=[2C0（~A~B）+2C1（~AB）+2C2（A~B）+2C3（AB）]·2G;
由图可知：
1C0=1C1=2C0=2C2=0;
1C2=2C1=2C3=QA（十位74192）；
1C3=1;
B=QA·QB（74S153）;
A=Q0（JK074LS73）;
~1G、~2G分别接Q1（JK174LS73）和~Q1（JK174LS73）状态转换表如下：
表3.Q1（JK174LS73）和~Q1（JK174LS73）状态转换表
状态
Q1
74LS73
Q0
74LS73
S1
1
0
0
1
1
S2
1
0
1
1
X
S3
1
1
1
X
1
5、状态翻译电路的选择设计
状态翻译电路由74LS138（3-8线译码器）电路如图6所示：
图6.状态翻译电路
A=Q0（74LS73）
B=Q1（74LS73）
C接紧急开关
6、输出调整电路的选择设计
由于74LS138输出的是
而不是
，另外需要实现正的逻辑，所以增加G6～G1来调整线路。
这里是采用数据译码器74138，该芯片的输入端A、B、C分别接倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QA、QB、QC，为了保证是在显示器只是在显示0~5s时黄灯亮，应把此74138的使能端G1由倒计时计数器中的控制十位数字的74192的输出端QA与由倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QD通过一个或门再经过一个非门接过去。
然后6输出端Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5都分别经过一个非门然后都接入一个或门，那么或门的输出端就是接黄灯的，也即黄灯控制器的输出端。
电路如图7所示：
图7.输出调整电路
7、紧急开关设计
当紧急开关接地电平时，74192计数器正常工作，74LS138译码器工作输出为Y0、Y1、Y3，LED灯正常工作；当紧急开关接高电平时，74192计数器停止工作，74LS138输出不为Y0、Y1、Y3中的任意一个，所以黄、绿LED灯均不能工作，而红LED灯直接接了紧急开关，所以红LED灯全部亮起。
紧急开关电路如图8所示：
图8.紧急开关电路图
8、信号灯系统电路设计
信号灯系统由12个不同颜色的LED灯构成的，电路如图9所示：
图9.信号灯系统电路
四、Multisim仿真测试
1、调试软件：
采用Multisim12软件进行仿真
2、电路的调试
①调试秒脉冲，将秒脉冲输出接示波器，观察输出波形，当两个电阻阻值为5.6K时，波形最稳定。
②调试运行时，仿真软件时间太长，难以看出结果，可以点击菜单栏中Simulate/Interractivetransientanalysis，在弹出对话框中的InstrumentAnalysis区进行更改，将Maximumtimestep（TMAX）中的时间调整到0.001~0.005之间比较合适。
③计数器测试时，首先是将个位数的QA、QC引出到74S153中，但运行时在个为显示器到刚到达4计数器便立即清零只能显示13,猜想原因可能是由于元件的延时造成的，所以改为将个位数的QB、QC引出到74S153，再运行结果稍稍有所改善可以短暂显示4。
④紧急开关最初的设计没有连接计数器的清零端，计数器的清零端是接地的，但在紧急开关开启时，计数器仍然在计数所以改为将紧急开关连接计数器的清零端，正常工作时，清零端输入低电平，当紧急开关开启时，清零端输入高电平，计数器工作在清零状态。
⑤元件调整：
双击原件即可调整原件参数。
如果在运行状态，这个操作会导致总电源的关闭。
⑥接线问题：
当且仅当元件、结点不移动的情况下，连线不移动，新接连线会自动调整，可用鼠标移动到线上拖动，若线上出现小方框，说明线太密，不能移动。
连线不能倾斜，全部横向或竖向。
当第三点需要连接在线上是，可以从端点拖动到线上。
EWB不允许出现悬空线，也不允许从导线开始延伸到端点。
⑦器件、结点圈选以后可以整体移动。
圈内的器件、结点相对位置不会移动，导线两端均在圈内则不移动，导线两端在圈外亦不移动。
导线一端在圈内，一端在圈外则会自动调整。
3、仿真截图
1.东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间25s。
图9.东西方向交通灯示意图
2.东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s。
图10.东西方向交通灯示意图
3.南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间15s。
图11.南北方向交通灯示意图
4.如果发生紧急事件，可以动手控制四个方向红灯全亮。
图12.紧急事件交通灯示意图
六、实验体会
经过十几天的课设，我终于完成了关于交通灯控制电路的电子课程设计，让我对模电和数电有了新的认识，尤其是对实验过程中用的仿真软件mulitisim有了更进一步的掌握，虽然过程中出现了好多问题，但慢慢研究之后，请教同学之后，运用自己所学的理论知识做出一件件实物，确实是一件令人愉快的事情，而且在搭硬件时，对各类器件的功能也有了深刻学习，希望在以后能有更多的动手操作机会.通过不断的查资料让我积累了许多实际操作经验，已初步掌握了数电的应用技术。
我深刻体会到数字电子技术对当今现代社会的重要作用。
经过这次设计，我学会了严密的思考，构想及怎样把计划付诸于实际行动中。
同时与社会的不断高速发展的步伐相比，我认识到自己所学的知识和技能还远远不足，有些实际问题还不能解决，很多更好的设想也无法实现，缺少很多有实际运用价值的知识储备，缺乏应有的动手解决实际问题的能力，缺乏高效利用及筛选大量资料的能力，有待在今后的学习实践中进一步提高，希望在以后能有更多的动手操作机会.，我更加认识到要学好自己的专业知识以适应不断发展的社会。
参考文献
1.闫石，数字电子技术基础（第五版）出版社，高等教育出版社2005
2.童诗白，华成英主编，模拟电子技术基础，高等教育出版社2006
3.陈孝彬，555集成电路实用电路集，高等教育出版社2002-8
4.王刚，TTL集成电路应用，机械工业出版社，2000-10
5.郭海文，电气实验技术，中国矿业大学出版社2001-7
6.Analysisanddesignofanalogintegratedcircuits》,P.R.Gray,P.J.Hurst,LewisandR.G.Meyer.4TH.，高等教育出版社2002-5
附录:
附录I元器件清单
元件序号
元件编号
型号
主要参数
数量
1
74192
74LS192
十进制、LOAD低电平有效
2
2
74S153
74LS153
2组数据4选1选择器
使能端Ea、Eb低电平有效
1
3
74LS73
74LS73
J＝K＝T，2个T触发器
2
4
R1，R2
0.05K
2
5
C1
100u
1
6
C2
0.01u
1
7
74LS138
74LS138
3-8线译码器
1
8
G0
74LS00+74LS04
2输入与门
1
9
G1、G2
74LS00
2输入与非门
1
10
G3、G6、G7、G8
74LS04
2输入非门
1
11
G4、G9、G10
74LS02+74LS04
2输入或门
1
12
G5
74LS86
2输入异或门
1
13
红LED灯
2.5V
4
14
绿LED灯
2.5V
4
15
黄LED灯
2.5V
4
16
个（十）位显示器（数码管）
DCD_HEX
2
附录II总电路图
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