交通灯自动手动控制电路设计.docx
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交通灯自动手动控制电路设计
目录
1引言1
1.1设计目的1
1.2设计背景1
2软件简介3
3总体设计思路5
4单元设计电路6
4.1脉冲产生电路6
4.1.1自动控制脉冲产生电路6
4.1.2手动控制脉冲产生电路6
4.2倒计时计数器7
4.3倒计时计数器与信号灯转换器的连接8
4.4信号灯的转换方法9
4.5白天夜间模式切换的设计11
5总结13
参考文献14
附录15
附录1器件明细表15
附录2仿真电路图16
1引言
1.1设计目的
学习了一个学期的《数字电子技术》课程，这次的课程设计主要综合了解与运用所学的知识，通过这次课程设计来检查这一学期的学习状况。
通过制作来了解交通灯控制系统，了解译码器、计数器、寄存器芯片的作用。
交通灯控制系统主要是实现城市交叉路口红绿灯的控制。
在现代化的大城市中，十字交叉路口越来越多，在每一个交叉路口都需要有一个准确的时间间隔和转换顺序，这就需要一个安全、自动的系统对红、黄、绿的转化进行管理。
本次的设计就是基于此目的进行的。
设计交通信号控制灯要求某方向绿灯点亮24秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。
在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。
如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为6：
1：
7。
从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：
如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。
信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。
夜间工作方式
南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。
其它灯不亮。
要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。
1.2设计背景
随着世界范围内城市化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全球化的问题。
城市交通基础设施供给滞后于高速机动化增长需求，道路堵塞日趋加重，交通事故频繁，环境污染加剧等问题普遍存在。
目前，全国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象，交通事故频发，这给人民的生命财产安全带来了极大的损失。
如何解决城市交通问题已成为全社会关注的焦点和大众的迫切呼声。
探究城市交通发展中存在问题的原因，无论是从宏观上还是从微观上分析，其根本原因在于城市交通系统的管理机制不适应。
城市交通控制系统（UTC，UrbanTrafficControlSystem）是现代城市智能交通系统（IDJ，Intelligenttransportsystem）的组成之一，主要用于城市道路交通的控制与管理。
城市平交路口实现交通信号控制是城市交通管理现代化的基本标志之一，是提高交通管理效能的重要技术手段。
路口信号控制器是控制交叉路口交通信号的设备，它是交通信号控制的重要组成部分。
各种交通控制方案，最终都要由路口信号控制器来实现。
为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。
伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高,汽车的数量在不断增加。
2软件简介
Multisim本是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，被美国NI公司收购后，更名为NIMultisim，而V10.0是其（即NI，NationalInstruments）最新推出的Multisim最新版本。
目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。
Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim4个部分相互独立，可以分别使用。
Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim4个部分有增强专业版（PowerProfessional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。
NIMultisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。
NIMultisim10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。
其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。
而且，它的的虚拟测试仪器仪表种类非常齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。
NIMultisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。
NIMultisim10主要功能是可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。
可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。
在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。
而且NIMultisim10具有有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。
另外，NIMultisim10还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。
支持VHDL和VerilogHDL语言的电路仿真与设计。
利用NIMultisim10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：
设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。
NIMultisim10软件进行设计仿真分析的基本步骤为：
设计创建仿真电路原理图→电路图选项的设置→使用仿真仪器→设定仿真分析方法→启动Multisim10仿真。
NIMultisim10易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。
3总体设计思路
设计交通信号控制灯要求白天的工作方式如图2-1：
夜晚的工作方式是：
南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮，因此总的设计框图如图2-2：
南北显示灯
东西显示灯
东西记时显示
南北记时显示
手动单步脉冲控制
白天控制
控制电路
自动1HZ脉冲控制
夜间控制
图2-2整体电路设计框图
根据交通灯的性能要求以及整体电路图，设计本次课程设计的交通灯电路。
4单元设计电路
4.1脉冲产生电路
脉冲产生电路分为自动控制电路和手动控制电路。
4.1.1自动控制脉冲产生电路
由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。
秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡器。
为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用555定时器组成多谐振荡器。
振荡周期与频率的计算公式为：
电源电压为Vcc=12V，其中电路图中C1的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，课程设计中要求输出T=1S，选取电容为C=10nF，R1=28.86MΩ，根据振荡周期计算，选择电阻R2=57.72MΩ。
在Multisim中进行仿真如图3-1：
图3-1555定时器组成的多谐振荡器
由此电路就可以产生脉冲频率为1赫兹的脉冲。
4.1.2手动控制脉冲产生电路
如果要求电路能够实现手动控制时，则电路需要手动控制来产生脉冲。
手动控制的核心是通过手动开关来产生单步脉冲，手动控制的电路图如图3-2所示：
图3-2手动控制单步脉冲电路
通过开关的开合来产生单步脉冲，开关开合一次则产生一个脉冲。
4.2倒计时计数器
十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们直观的把握时间。
具体的工作方式为：
当某方向绿灯亮时，只显示器为某值，然后每秒减1，计数方式工作，直至减到4或0时，十字路口的红绿灯变换，一次工作结束后进入下一步某方向的工作循环。
在倒计时的过程中计数器还向信号灯提供模为4的定时信号T1和模为0的定时信号T2，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红灯变换。
计数器采用74ls190进行设计比较简便。
它是十进制同步可逆计时器，具有异步并行置数的功能。
功能表如表3-1所示：
表3-174LS190功能表
CETN'
D|U’
CLK
LOAD'
ABCD
Q1Q2Q3Q4
*
*
*
0
****
ABCD
0
1
↑
1
****
减法计数
0
0
↑
1
****
加法计数
1
*
*
1
****
0000
因为要计数的数字从24开始，所以要用两片74LS190级联得到。
因为此次倒计时电路是从24开始倒计时计数，所以，首先将两片74LS190工作在减法计数状态，即D/U’端接高电平，从而使得计数器工作在减法计数状态。
然后将两片74LS190通过级联接成100进制的计数器，并且通过置数端的控制对两个芯片进行置数，高位置成0010，低位置成0100，即在显示屏上会显示24。
当低位芯片显示9数字时，高位芯片的到一个脉冲，从而减数计数。
具体电路如图3-3所示：
图3-3倒计时器连接电路
4.3倒计时计数器与信号灯转换器的连接
倒计时计数器向信号灯转换提供的定时信号T1和T2来实现信号灯的转换。
T1表示倒计时减到00的时候，此时给信号灯转换器一个脉冲，是信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。
T2表示倒计时到4秒的时候给信号灯一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯变为黄灯的时候，红灯不变。
T1信号则是当倒计时显示屏显示00状态时，则通过逻辑电路连接将信号输出；T2信号即是当高位显示0，低位显示4,时，通过与门和或非门将信号输出。
最后T1与T2信号通过或门输出来控制灯泡控制电路中JK触发器的脉冲输入。
具体连接电路图如图3-4所示：
图3-4倒计时器与信号灯控制电路的连接
4.4信号灯的转换方法
信号灯的转换方式由JK触发器得到。
设置编码S1=00,S2=01,S3=11，S4=10，其输出为Q1，Q2，它的状态转换表如表3-2所示：
表3-2信号灯状态转换表
现态
次态
东西
南北
Q1n
Q2n
Q1n+1
Q2n+1
G1
Y1
R1
G2
Y2
R2
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
驱动方程为：
由表可知信号灯的逻辑表达式为：
由表达式可得所连电路。
所连电路如图3-5所示：
图3-5信号灯控制电路
4.5白天夜间模式切换的设计
为了使实验在一次课时间内完成，本设计中白天与夜间的转换开关为手动开关。
在实际应用中可以设计自动转换开关。
用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现），作为白天与夜间的自动转换开关。
这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。
第二天天量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。
在本次课程设计中选择使用手动切换白天与夜晚模式的选择。
具体电路如下图3-6所示
图3-6白天夜晚切换工作电路
5总结
通过此次课程设计，加强了我们动手，思考和解决问题的能力。
在这次课程设计中遇到了各种各样的问题，经常遇到这样那样的情况，也在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，因此在这上面耗费了很多时间。
对于以后的学习我一定要认真对待，不能再像这次一样了。
我体会到了学习和实践的不同，学习只需要理解，而实践则需要将理解升华，将知识系统的应用。
此次课程设计主是运用本学期所学到的模拟电子技术知识来设计一个符合要求的交通信号控制系统。
要求我们运用所学知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有动手能力，绘制出仿真电路并调试。
开始时对交通信号控制系统的各个组成部分的原理（振荡器的原理、计数器的原理）掌握的不是很好，后来通过复习课本和查阅资料我设计出了电路图。
经过这一周的努力，在老师和同学的帮助下，我完成了设计任务。
在设计过程中，我学到了很多新东西。
我一直坚信，只要我努力去做，就能一定能做好。
这次课设最终顺利完成了，在此次课设中遇到了很多专业的知识问题，最后在老师的指导和同学的合作下，终于迎刃而解。
同时，我们也学到了老师身上的很多实用的知识，在此我表示衷心的感谢！
同时，对给过我帮助的同学和各位指导老师再次表示感谢！
参考文献
[1]付家才.电子工程实践技术.北京:
北京工业出版社,2003
[2]毕满清.电子技术实验与课程设计.北京:
机械工业出版社,2001
[3]阎石.数字电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2009
[4]丁润涛.电子工程手册.北京:
机械工业出版社,1995
[5]郭锁利.基于Multisim10的电子系统设计仿真与综合应用.北京:
人民邮电出版社,2008
[6]《PROTEL99SE原理图与PCB及仿真》清源计算机工作室编；机械工业出版社
[7]《电子线路设计、实验、测试》谢自美主编；第三版，华中科技大学出版社
附录
附录1器件明细表
器件名称
器件型号
器件数目
非门
74LS05
2个
或门
74LS32
4个
与门
74LS21
1个
74LS11
1个
与非门
74LS00
3个
或非门
4002BD
2个
十进制加减法计数器
74LS190
2个
数字显示屏
BCD-HEX-YELLOW
2个
BCD-HEX-RED
2个
多谐振荡器
555构成
2个
单置开关
9个
双置开关
2个
电阻
5K
1个
10K
2个
灯泡
红色
2个
绿色
2个
黄色
2个
JK触发器
7473
2个
直流电源
VCC
2个
直流电源
VCC
2个
附录2仿真电路图
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