交通红绿灯课程设计.docx
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交通红绿灯课程设计
南华大学电气工程学院
《电子技术课程设计》任务书
设计题目：
交通红绿灯
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名:
学号:
起迄日期:
2013年9月30日——2014年1月3日
指导教师:
《电子技术课程设计》任务书
1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：
一．题目：
交通红绿灯
二．目的：
本实验设计目的是培养数字电路的能力，掌握交通信号灯控制电路的设计方法。
三．设计任务与指标：
应用模拟数字电子技术，设计一个十字路口交通管理器，其技术指标与要求如下：
1）主干道方向通行，支干道方向禁止通行，历时1min。
2）主干道方向禁止通行，支干道方向仍然禁止通行，历时10s。
3）主干道方向禁止通行，支干道方向通行，历时1min。
4）主干道方向仍然禁止通行，支干道方向停车，历时10s。
5）之后又返回到第一步循环。
设计要求：
（1）针对题目的要求，查阅相关资料提出设计方案；
（2）画出系统能表示各单元功能的整机原理框图；
（3）设计相应的单元电路，说明电路的工作原理，并确定元器件的参数，要求有计算过程；
（4）组装、制作印刷板实物，调试或仿真电路，记录调试过程，实验数据，并分析仿真结果；
（5）写出设计说明书，内容包括方案选择、单元电路设计、元件选择、整体电路、电路工作原理，仿真结果分析等，并列出元器件清单；
（6）绘制总的系统电路图和PCB图。
2．对课程设计成果的要求〔包括图表（或实物）等硬件要求〕：
设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。
要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板（PCB）,器件的选择要有计算依据。
3．主要参考文献：
[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）第五版[M].北京：
高等教育出版社，2006
[2]康华光.电子技术基础（数字部分）第五版[M].北京：
高等教育出版社，2006
[3]中国集成电路大全编写委员会.中国集成电路大全集成运算放大器[M].北京：
国防工业出版社，1985
[4]孙梅生，李梅莺，徐搌英.电子技术基础课程设计[M].北京：
高等教育出版社，1989
[5]彭介华.电子技术基础课程设计[M].北京：
高等教育出版社，1997
4．课程设计工作进度计划：
序号
起迄日期
工作内容
1
明确设计任务，根据任务进行方案选择，画出系统框图。
2
对方案中的各部分进行单元电路的设计，参数计算和器件选择。
完成单元电路的仿真。
3
将各部分连接，画出完整的系统原理电路图。
完成仿真。
4
绘制电路原理图、PCB板、元器件装配图。
调试电路
5
撰写、修改设计说明书。
设计说明书定稿
主指导教师
日期：
2013年9月30日
1概述·····················································1
设计任务及指标········································1
总体设计··············································1
仿真··················································3
2电路设计
单元电路设计··········································3
秒脉冲电路设计·····································`3
定时器···············································3
控制电路············································5
译码及显示电路······································7
总电路图及实物图······································8
材料清单·············································8
3结论······················································10
4心得与体会···············································10
5参考文献··················································11
6附录······················································12
1概述
设计任务及指标：
设计十字路口的交通灯控制管理器
要求如下：
（1）主干道方向通行和支干道方向禁止通行，历时1min。
（2）主干道方向禁止通行和支干道方向仍然禁止通行，历时10s。
（3）主干道方向禁止通行和支干道方向通行，历时1min。
（4）主干道方向仍然禁止通行和支干道方向停车，历时10s之后又返回到第一步循环。
总体设计
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:
表示主道或支路车道绿灯亮的时间间隔为60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10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。
图1-1系统原理框图
（1）主车道绿灯亮，支路车道红灯亮。
表示主车道上的车辆允许通行，支路车道禁止通行。
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）支路车道黄灯亮，支路车道红灯亮。
表示主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，支路车道禁止通行。
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）主车道红灯亮，支路车道绿灯亮。
表示主车道禁止通行，支路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）主车道红灯亮，支路车道黄灯亮。
表示主车道禁止通行，支路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、支路车道红、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系统状态表
控制状态
信号灯状态
车道运行状态
时间
S0（00）
甲绿、乙红
主车道通行，支路车道禁止通行
60s
S1（01）
甲黄、乙红
主车道禁止通行，支路车道禁止通行
10s
S3（11）
甲红、乙绿
主车道禁止通行，支路车道通行
60s
S2（10）
甲红，乙黄
主车道禁止通行，支路车道禁止通行
10s
图1-2画出了控制器上述4种状态转换图：
图1-2交通灯状态转换图
仿真
采用的是Multisim10File软件进行电路仿真，仿真电路图见附录图3-1
电路设计
单元电路设计
秒脉冲电路设计
秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成，因为该电路的输出脉冲的周期T≈（R1+2R2）·C,若T=1s，令C=10μf，R1=39KΩ,那么R2≈51KΩ。
取一固定电阻47KΩ与一个5KΩ的电位器想串联代替电阻R2。
在调试电路时，调节电位器RP,使输出脉冲周期为1s。
图2-1秒脉冲信号发生器电路图
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。
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2-1所示。
表中RD’是低电平有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交通灯的控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。
设计如图2-2
表2-174ls160功能表
CLK
RD’
LD’
EPET
工作状态
X
↑
X
X
↑
0
1
1
1
1
X
0
1
1
1
XX
XX
01
X0
11
置零
预置数
保持
保持（C=0）
计数
CLK
图2-1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：
输入端分别接地.。
U01的11和14经过与非门后可得到10秒信号TY。
.即：
只有当时11、14处产生一个高电平脉冲时TY才得到一个低电平。
U02的12和14相与后再与U01的11和14相与非得到60秒信号TL。
由控制器发出的ST信号经非门控制两个74ls1060的置数，即相当于清零。
控制电路
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2-2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，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2-2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、Q0n+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：
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。
74ls153功能表如表2-3所示，74ls47功能表如表2-4所示。
表2-374ls153功能表
表2-474ls47功能表
控制器原理图如图2-3所示。
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00，01，10，11，4种状态的相互交换。
当状态为S1（00）时，即0秒时U10选择0和TY非输出即00，U11输出TY非，当60秒时TY变为1，此时U10输出01，U11输出ST=0，计数器重新计数。
74ls74触发器状态换为01，U10选择输出TL非和TL，即01状态变为S2（01）。
10秒后TL和TL非变为10，U10输出10，触发器输出10，状态变为S3（10），此时U10输出ST=0，计数器重新计数。
再过60秒TY非=1，U10输出11，触发器输出11，状态变为S4（11）,此时U11输出ST=0，计数器重新计数。
再过10秒TL=0，U10输出00，触发器输出00，状态变为S1，U11输出ST=0，计数器重新计数。
系统完成一个循环。
图2-3控制电路图
译码及显示灯电路
码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q2的4种工作状态，翻译成甲、支路车道上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2-7所示。
表中1表示灯亮，0表示灯不亮
表2-7红绿灯状态表
Q1Q2
1甲绿灯
2甲黄灯
3甲红灯
4乙绿灯
5乙黄灯
6乙红灯
00
1
0
0
0
0
1
01
0
1
0
0
0
1
10
0
0
1
1
0
0
11
0
0
1
0
1
0
上述功能可由74ls08来实现，通过Q1，Q2，Q1非，Q2经过不同的组合可得到高电平使灯发亮。
其电路图如图2-4。
图2-4译码器及显示灯电路图
总电路图及实物图
总电路图
见附录图3-1
PCB图
见附录图3-2
实物图
见附录
材料清单
序号
器件名称
数量
备注
1
74ls160
2
十进制计数器
2
74LS04
1
反向器
3
74LS08
2
二输入与门
4
74LS10
1
三输入与非门
5
74ls153
2
双数据选择器
6
74ls47
1
双D触发器
7
74ls00
1
二输入与非门
8
NE555
1
555芯片
9
LED灯
6
红绿黄各2个
10
5K欧电位器
1
11
47k欧电阻
1
12
39k欧电阻
1
13
电容
2
10uf，10nf各一个
3结论
能实现的功能
交通灯的状态转换，能实现基本功能。
不足之处
无数字显示，无转弯指示灯。
4心得与体会
通过这一个星期的课程设计，我发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。
在课程设计过程中，光有理论知识是不够的，还必须懂一些实践中的知识。
本次课程设计也巩固和加深了我对电子线路基本知识和理解，提高了综合运用所学知识的能力，增强了根据课程需要选学参考资料，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。
同时，我的动手能力得到了很大的提升。
通过这次课程设计，我想说：
为完成这次课程设计确实很辛苦，但苦中仍有乐。
虽然过程中经历了种种失败，但最后做出来时真的非常开心。
我相信这次的课程设计的经历是我宝贵的经验。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）第五版[M].北京：
高等教育出版社，2006
[2]康华光.电子技术基础（数字部分）第五版[M].北京：
高等教育出版社，2006
[3]中国集成电路大全编写委员会.中国集成电路大全集成运算放大器[M].北京：
国防工业出版社，1985
[4]孙梅生，李梅莺，徐搌英.电子技术基础课程设计[M].北京：
高等教育出版社，1989
附录
1系统仿真图
图3-1系统仿真图
2总电路图
图3-1交通灯电路图
3PCB图
图3-2总电路pcb图
4实物图
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