简易交通灯控制课程设计报告书.docx
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简易交通灯控制课程设计报告书
轻工业学院
电子技术课程设计
题目：
简易交通灯控制电路
学生：
马杰
专业班级：
电气工程14-02班
学号：
541401020228
院（系）：
电气信息工程学院
指导教师：
黄春
完成时间：
2016年12月4日
轻工业学院
课程设计（论文）任务书
题目简易交通灯控制电路
专业电气工程14-02学号541401020228马杰
主要容、基本要求、主要参考资料等：
主要容
1．阅读相关科技文献。
2．学习protel软件的使用。
3．学会整理和总结设计文档报告。
4．学习如何查找器件手册及相关参数。
技术要求
1.要求控制一个十字路口的交通灯。
2.设定南北，东西向交通灯显示时间一样。
3.设定红灯绿灯均显示30秒，红灯绿灯切换时黄灯显示2秒。
4.要求红黄绿灯用发光二极管表示，并且显示出时间。
主要参考资料
1．何小艇，电子系统设计，大学，2001年6月
2．福安，电子电路设计与实践，科学技术，2001年10月
3．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学，1999年10月
4．银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学，2005年6月
5．康华光，电子技术基础，高教，2003
完成期限：
2016年12月04日
指导教师签章：
专业负责人签章：
2016年11月28日轻工业学院
简易交通灯控制电路
摘要
本论文主要阐述了交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。
随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。
俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。
作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。
人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
以下就交通灯控制系统的电路原理、设计和实验调试等问题来进行具体分析讨论。
关键词交通灯计数器秒脉冲译码器自动控制
附录一16
附录二17
附录三18
一、对交通信号灯的控制
1．1题目要求
1.信号灯收一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。
当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
2.南北红灯亮维持30s，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮并维持30s。
在东西绿灯熄时，东西黄灯亮，并维持2s，到2s时，东西黄灯灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。
3.东西红灯亮维持30s，南北绿灯维持30s，然后南北黄灯亮，维持2s后熄灭。
这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
4.周而复始。
二、交通灯的组成
2．1交通灯控制系统的原理框图
如图2-1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:
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为30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2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2-1交通灯控制系统的原理框图
2．2交通灯运行状态
两方向车道的交通灯的运行状态共有4种（因人行道的交通灯和车道的交通灯是同步的,所以不考虑），如图2-2所示
图2-2两方向车道的交通灯的运行状态
一般十字路口交通灯的控制系统的工作过程；
（1）如图2-2状态0所示，甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。
表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。
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）如图2-2状态1所示，甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。
表示甲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，乙车道禁止通行。
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）如图2-2状态2所示，甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙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）如图2-2状态3所示，甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙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。
黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号TS，系统又转换到工作状态1。
交通灯以上4种工作状态的转换由控制器进行控制。
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下表2-3所示。
控制器状态
信号灯状态
车道运行状态
S0（00）
S1（01）
S2（11）
S3（10）
甲绿，乙红
甲黄，乙红
甲红，乙绿
甲红，乙黄
甲车道通行，乙车道禁止通行
甲车道缓行，乙车道禁止通行
甲车道禁止通行，乙车道通行
甲车禁止道通行，乙车道缓行
表2-3控制器工作状态及其功能
控制器应送出甲、乙车道红、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，并作如下规定：
AG=1：
甲车道绿灯亮；
BG=1：
乙车道绿灯亮；
AY=1：
甲车道黄灯亮；
BY=1：
乙车道黄灯亮；
AR=1：
甲车道红灯亮；
BR=1：
乙车道红灯亮；
由此得到交通灯的ASM图，如图2-4所示。
设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于30秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于30秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。
依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。
图2-4交通灯控制器的ASM
三、单元电路的设计
3．1秒脉冲发生器
脉冲信号发生器用的是555定时器构成多谐震荡器，震荡频率为：
f=1.43/（R1+2R2）C
电路图如图3-1所示：
图3-1秒脉冲产生器
3．2定时器
定时器由与系统秒脉冲（由上面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2的定时信号TY和模30的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。
74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。
74LS163的外引线排列图和时序波形图如图3-2和图3-3所示，其功能表如表3-1所示。
图中，是低电平有效的同步清零输入端，是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTt是计图2-4交通灯的ASM图数控制端，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。
由两片74LS163级联组成的定时器电路如图3-4所示。
图3-274LS163的外引线排列图
图3-374LS163时序波形图
表3-174LS163功能表
图3-4定时器电路图
定时器仿真电路如图3-5
图3-5定时器仿真电路
3．3控制器
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。
从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表3、2所示。
选用两个D触发器FF1、FFO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，同时表中还列出了状态转换信号ST。
表3-2控制器状态转换表
根据表3-2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（Q1n、Q0n）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。
控制器的逻辑图如图3-6所示。
图中R、C构成上电复位电路。
图3-5控制器逻辑图
图3-6控制器部分仿真电路
3．4译码器
译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上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3-3所示。
表3-3控制器状态编码与信号灯关系表
状态
AGAYAR
BGBYBR
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
由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CP脉冲，一部分送给了定时器的74LS163芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。
在脉冲ST同时加到定时器74LS163芯片的情况下，通过芯片74LS00将会输出TY、T/Y/；TL、T/L/、即TY和T/Y/放大的结果是秒脉冲的2倍；TL和T/L/放大的结果是秒脉冲的30倍。
前者输出的信号是后者的1/15。
将定时器输出的TY、T/Y/；TL、T/L/分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CP脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。
控制器中的信号在送给由芯片74LS00组成的译码器后再通过电路中的指示灯和100欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过LED小灯的正常闪烁来实现。
图3-7译码器部分逻辑图
3．5交通信号灯
十二个发光二极管（注意二极管的极性）
3．6整个交通灯控制系统的布局
见附录三
四、PCB的制作
4．1原理图的绘制
用AltiumDesigner完成原理图的绘制。
4．2PCB的布线
见附录一
五、仿真过程与效果分析
5．1电路试调
电路连接完后，要进行调试，以检测是否达到要求。
实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。
这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。
然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。
因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。
调试的常用仪器有：
万用表、示波器、信号发生器。
5．2调试中注意的事项
为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。
为此，需注意以下几点：
（1）正确使用测量仪器的接地端
（2）测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。
因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。
（3）仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。
要正确选择测量点。
（4）用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器阻引起的误差大小将不同。
（5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。
记录的容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。
只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。
（6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。
因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。
我们应该认真检查.调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。
对于本交通灯来说，只要不出现异常的现象，一般不需要调试，直接进行测量。
测试电路中线路是否接通同上用万用表的欧姆档，测试每一组的连通的线，将两表笔接到被测的一组线的起始线和末端线的两端，看电阻是否为零，如果是零，则证明是通的；如果是无穷大，则证明中间有线是短开的，则要一根一根的检查该组的没一根线，直到查出为止。
5．3通电后的测试
（1）测试电源
用万用表的直流电压档，测试输入电源的电压，看是否达到额定电压（本产品为+5V），如果不是，则换电源。
（2）测试芯片的电源输入端
同上用万用表的直流电压档，测试芯片的接地端与接电源端的点呀，看是否达到芯片的额定电压（本产品所用的芯片都是+5V），如果不是，则检查其线路是否接错。
5．4操作说明
打开总开关，便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为30秒，打开总开关，东西方向车道的绿灯亮；南北方向车道的红灯亮，示波器，显示时间为30秒，然后东西方向车道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。
再过2秒后，电路又转换成预置的30秒，东西方向车道的黄灯转换为红灯，南北方向车道的红灯。
南北
东西
时间
（S）
绿灯
黄灯
红灯
绿灯
黄灯
红灯
1
0
0
0
0
0
25
0
1
0
0
0
1
4
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0
图6-1交通灯校验时间图
元器件清单
元件名称
规格及作用
数量
NE555
产生脉冲
1
74LS163
四位二进制同步计数器
2
74LS00
二输入与非门
2
74LS10
三输入与非门
1
74LS08
二输入与门
1
74LS48
译码器
2
74LS153
数据选择器
2
74LS74
D触发器
1
七段数码显示器
共阴极
2
发光二极管
普通
12
电容
10nF
2
电容
1uF
1
电阻
56k
2
电阻
100欧
14
电阻
10k
1
总结
通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。
电路原理和连接，和芯片上的选择,也略懂。
巩固数字逻辑电路的理论知识，方案总共只用了十个芯片，对163计数器和153数据选择器更加了解，懂得它的功能与其它芯片替换等.使DJ触发器从书本上的理论知识联系到实际,让我更加了解它的功能.还有如何利用555芯片产生秒脉冲.计数器的工作原理。
更重要的是如何将逻辑电路灵活运用于实际生活。
同时也加强了PCB板的制作，使之更加很好的利用AltiumDesigner协作的重要性。
我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。
故一个小小的课程设计，对我们的作用是如此之大。
参考文献
[1]何小艇，电子系统设计，大学，2001年6月
[2]福安，电子电路设计与实践，科学技术，2001年10月
[3]王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学，1999年10月
[4]银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学，2005年6月
[5]康华光，电子技术基础，高教，2003
[6]郭继忠，黄继昌，控制专用集成电路机器应用，人民邮电，2006
[7]洪润，吕泉，电子线路及应用，清华大学，2005
[8]洪润主编，电子线路与电子技术，清华大学，2005
附录一：
PCB图
附录二：
实物图
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