交通灯控制电路设计.docx
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交通灯控制电路设计
摘要：
自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化、科学化、简便化。
尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。
当今社会，随着人口和汽车的日益增长，城市交通日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。
因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。
交通信号灯常用于十字路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。
有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。
本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制，电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。
因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。
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。
关键词：
计数器，控制器，74LS192，74LS73
一、目录：
1设计任务和要求………………………………………………………………….…4
1.1设计任务…………………………………………………………………….….…4
1.2设计要求…………………………………………………………………………..4
2系统设计…………………………………………………………………………….…5
2.1系统要求……………………………………………………………………….….5
2.2方案设计……………………………………………………………….……….…5
2.3系统工作原理…………………………………………………….………….….6
3单元电路设计……………………………………………………………….…….…8
3.1脉冲信号发生器…………………………..……………………………………8
3.1.1电路结构及工作原理……………………………………………….……8
3.1.2电路仿真………………………………………………………………………9
3.2定时器的设计………………………………………………….…………….…9
3.2.1电路结构及工作原理………………………………………….….……10
3.2.2电路仿真………………………………………………………………..……12
3.3控制器………………………………………………………………………….......12
3.3.1电路结构及工作原理………………………………………….……..…13
3.4数码显示电路……………………………………………………………….….14
3.4.1电路结构及工作原理…………………………………………….…..…14
3.5直流稳压电源…………………………………………………………….….…14
3.5.1电路结构及工作原理………………………………………………..…14
3.5.1电路仿真.…………………………………………….…………………….…15
4电路安装、调试与测试…………………………………………………..….……16
4.1电路安装……………………………………………………………………….……16
4.2电路调试…………………………………………………………………………….17
5结论…………………………………………………………………………………..……18
6参考文献…………………………………………………………………………………19
7总结、体会和建议……………………………………………………………...……20
8附录…………………………………………………………...………………..………….21
8.1电路原理图………………………………………………………………......……21
8.2元器件清单…………………………………………………………..……....……22
8.3部分芯片引脚图……………………………………………………..…….....…23
一、设计任务及要求：
设计并制作一个十字路口的交通信号灯控制器，控制A、B两条交叉道路上的车辆通行，
基本要求：
1、每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿三个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆停止通行；
2、每条道路上每次通行的时间为25S；
3、每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道；
4、黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次。
5、电源：
220V/50HZ的工频交流电供电；
（注：
直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）
6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。
发挥部分：
1、按照交通规则设计人行道指示灯
2、其它恰当的功能
二、系统设计：
2.1系统概述：
交通灯控制系统由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器、信号灯显示器五大部分组成。
其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号，通过定时器向控制器发出三种定时信号，使相应的发光二极管发光。
译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，产生倒计时时间显示，控制器根据定时器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。
2.2交通灯逻辑分析：
通过对十字路口交通灯的分析，甲车道和乙车道的十字路口交通灯系统，每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3个灯组成，绿灯表示允许车辆通行，红灯表示禁止通行，黄灯为过渡灯，表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。
这样在一定得周期内按照一定的次序循环。
2.3总体设计方案：
图1交通灯控制系统原理框图
图1为交通灯的一个整体设计框图。
系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器、信号灯显示器组成。
其中控制器是核心部分，由它控制定时器的工作，秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号，控制器输出两路信号灯的控制信号。
交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用S0、S1、S2、S3表示。
S0状态：
甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮，此时甲车道允许车辆通行，乙车道禁止车辆通行。
当甲车道绿灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。
S1状态：
甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮，此时甲车道允许超过停车线的车辆继续通行，而未超过停车线的车辆禁止通行，乙车道禁止车辆通行。
当甲车道黄灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。
S3状态：
甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。
此时甲车道禁止车辆通行，乙车道允许车辆通行，当乙车道绿灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。
S2状态：
甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
此时甲车道禁止车辆通行，乙车道允许超过停车线的车辆通行，而未超过停车线的车辆禁止通行。
当乙车道红灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态------S0状态。
S0、S1、S2、S3状态分别分配状态编码为00、01、10、11，由此得到控制器的状态，如图1所示。
0/
0/0/
0/
表1状态转换图
控制器状态
信号灯状态
车道运行状态
S0
甲绿，乙红
甲车道通行，乙车道禁止通行
S1
甲黄，乙红
甲车道缓行，乙车道禁止通行
S3
甲红，乙绿
甲车道禁止通行，乙车道通行
S2
甲红，乙黄
甲车道禁止通行，乙车道缓行
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；
AY=1：
甲车道黄灯闪烁；
AR=1：
甲车道红灯亮；
BG=1：
乙车道绿灯亮；
BY=1：
乙车道黄灯闪烁；
BR=1：
乙车道红灯亮。
三、单元电路设计
3.1秒脉冲信号发生器的设计：
本实验采用晶振振荡电路组成秒脉冲信号发生器。
因为该电路的输出脉冲的周期T=1s，所以在电路中采用了1Hz的晶振，由4060BD，D触发器共同构成秒脉冲发生器，具体电路如图3所示
双D触发器
（1）、74LS74引脚图
（2）、74LS74功能
（3）、D触发器的状态方程
Q*=D
图3秒脉冲信号发生器
仿真图
3.2定时器的设计：
本设计用74LS192芯片计数，它是同步十进制可逆计数器，直接构成减法计数器，时钟脉冲下降沿到来时，实现30进制的倒计时，与数字显示倒计时相符合。
74LS192可以级联，需要2片即可实现三十进制的倒计时，用74LS192节省材料，节约成本，而且由于经常应用，因而使用起来较方便，具有其独特的优良性。
十进制可逆计数器74LS192引脚图管脚及功能表
74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：
图5-4 74LS192的引脚排列及逻辑符号
（a）引脚排列 （b）逻辑符号
图中：
为置数端，
为加计数端，
为减计数端，
为非同步进位输出端，
为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，
为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
其功能表如下：
输入
输出
MR
P3
P2
P1
P0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
×
×
×
×
减计数
如图4所示。
图4，计数电路
图中U2为个位计数器，U1为十位计数器。
U2由晶振震荡电路供给其脉冲。
设计中采用了置数法，U1和U2输入分别为0011（3）和0000（0），U1计数从三倒计时，U2计数从9计数到0倒计时，在U2计数为0时，BO端口产生一个低电平，供给U2做时钟脉冲，此时U2计数减一，实现两片芯片的级联。
由于整个电路是从30计数，减一到01，再恢复至30，重新开始计数。
此电路实现了交通灯三十进制的计数模块。
经过门电路的简单译码把三十进制的数字译码成一个控制信号，最后提供给控制电路，实现了计数显示部分与控制部分的连接。
译码出信号仿真如下图5，在计数为0110（6）和0000（0）的时候为低电平。
看图5，
图5.仿真图
3.3控制器的设计：
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，如图5所示。
根据表2，写出状态方程和状态转换信号方程为：
4.3.1、JK触发器74LS73的引脚图和功能如下：
（1）、引脚图
（2）、功能图
（3）、状态方程
Q*=JQ'+K'Q
3.3.2控制电路如下图6：
图6，控制电路
甲车道：
AY=Q1’Q0’AG=Q1Q0’AR=Q0
乙车道：
BY=Q1Q0BY=Q1’Q0BR=Q0’
Q1Q0
AG
AY
AR
BG
BY
BR
00
0
1
0
0
0
1
01
0
0
1
1
0
0
10
1
0
0
0
0
1
11
0
0
1
0
1
0
表3信号灯与控制器状态编码表
3.4显示电路的设计：
采用74LS192进行减计数，输出四位BCD码，不能直接显示在七段显示数码管上面，所以，我们要通过CD4511进行译码然后接到七段显示译码器上才能正确的显示；为了保证数码管不被烧坏，在CD4511与数码管之间串500Ώ到1kΏ的电阻。
如图7所示。
图7，数码显示电路
3.5直流稳压电源
直流稳压电源的设计采用了桥式整流电路，再经过LM7805直接输出5v直流电压。
图8，直流稳压电源
电压仿真
波形仿真
四、电路安装、调试与测试
在整体电路进行和单元电路仿真充分验证后，列出元件清单，购买元器件开始安装。
该设计是在万能试验板上进行安装的，根据元器件的布局，首先摆放集成电路块座，待位置合理后，焊接集成块座，然后焊接相邻的分立元件，再依照各集成电路以及分立元件引脚之间的关系，用导线焊接起来，最后再焊接电源线和接地线。
1．布线方向：
从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：
指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。
2．各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。
3．电阻的放置方式分为平放与竖放两种：
（1）平放：
当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好；
（2）竖放：
当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放。
4．进出接线端布置
（1）相关联的两引线端不要距离太大。
（2）进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。
5．设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。
6．在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装，高度和检修。
7．设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。
8．布线条宽窄和线条间距要适中。
9．设计应按一定顺序方向进行，例如可以由左往右和由上而下的顺序进行。
电子电路调试、电子电路调试、测试
调试与测试：
在众多电子产品中，由于其包含的各元器件性能参数具有很大的离散性，电路设计中的近似性，再加上生产过程中的不确定性，使得装配完成的产品在性能方面有较大的差异，通常达不到设计规定的功能和性能指标，这就是整机装配完毕后必须进行调试的原因。
电子电路调试技术包括调整和测试两部分。
调整主要是对电路参数的调整，如对电阻、电容和电感等，以及机械部分进行调整，使电路达到预定的功能和性能要求；测试主要是对电路的各项技术指标和功能进行测量与试验，并与设计的性能指标进行比较，以确定电路是否合格。
电路测试是电路调整的依据，又是检验结论的判断依据。
实际上，电子产品的调整和测试是同时进行的，要经过反复的调整和测试，产品的性能才能达到预期的目标。
五、结论
本设计完成了交通灯控制电路的设计，达到了预期的目标，各个部分均正常运行，计数部分实现30s的倒计时循环；控制部分、灯显示部分实现红灯亮30s，黄灯闪烁5s，绿灯亮25s；秒脉冲发生部分也实现频率为21Hz的方波脉冲，为电路的整体运行奠定了基础。
上面是交通灯控制电路实现的实物图。
六、参考文献
（1）电子线路设计·实验·测试（第4版），谢自美，高等教育出版社，
2009，3
（2）电子设计指南，孙肖子，高等教育出版社，2006，10
（3）电子技术基础实验——电子电路实验·设计·仿真（第四版），陈大钦，
高等教育出版社，2006，5
（4）模拟电子技术基础（第四版，）华成英童诗白，高等教育出版社，
2006，5
（5）阎石数字电子技术基础（第五版），高等教育出版社，2006，5
（6）电子技术基础---模拟部分（第五版），康华光，高等教育出版社，
2006，1
（7）电子技术基础---数字部分（第五版），康华光，高等教育出版社，
2006，1
七、总结及体会
开始拿到题目的时候，不知道怎么去做,因为只是了解课本上的理论知识，实际运用很少，对很多的芯片的功能都不是很清楚，所以刚开始的设计很困难。
从收集资料到仿真在到做实物一共用了一周的时间。
在焊接时由于芯片太多，线布的很乱，一共用了一周的时间才做好
通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力.现在设计已经做好了,但是控制器控制信号灯不是很好。
虽然花了很多的时间，但学到了很多东西。
做课程设计的时候,自己把整个书本都看了几遍，增强了自己对知识的理解，很多以前不是很懂的问题现在都已经一一解决了。
在课程设计的过程中，我想了很多种方案，对同一个问题（像计数器的接法）都想了很多种不同的接法，运用不同这次实践是对自己大学两年半来所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很不全面。
大二马上就要过去了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作实践中不断学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。
本设计是在老师的精心指导和鼓励下完成的。
吴老师深厚扎实的学识，严谨的学风和真诚谦逊的品质，使我在这次设计过程中收益匪浅。
吴老师在设计方面对我的指导和帮助令我终身难忘。
通过这两个星期的电子课程设计，在理论研究与实际的实践中，我们看到了理论与实际中的差距，以及对待出现在理论与实际中出现问题的不同方法，教训中我们汲取了非常宝贵的经验，给我们以后的电子研究和制作有很大的启发，在电路的设计中发现了自己的很多缺点与不足，自己知识的漏洞，电路焊接时又看到了自己的实践经验非常缺乏，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。
首先，我们要做好课前的仿真练习，只有仿真通过了，才能做接下来的硬件焊接部分。
其次，在焊接电路之前，我们必须查阅好各个芯片的引脚图，知道一个芯片共有几个引脚，哪个引脚该接什么。
最后，在焊接的时候，一定要细心，不能够三心二意，因为线比较多，所以一定要全神贯注。
结果出不来，不要急躁；看到其他同学提前完成设计了，不要急躁；当找不到问题所在处时，也不要急躁。
总而言之，就是得静下心来，不急不躁，慢慢检查，慢慢体会。
本次课程设计也让我加深了对电子线路基本知识的理解，提高了我的综合运用所学知识的能力，增强了我的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。
同时我也初步学习到了关于课程设计的基本方法、步骤和撰写设计论文的格式。
八、附录一：
电路原理图
附录二：
原件清单
序号
名称
型号参数
数量
备注
1
电阻
1kΩ
20
2
电阻
10KΩ
1
3
电阻
470kΩ
1
4
电容
15pF
2
5
电容
47uF
1
6
电容
4700uF
1
7
电容
0.33uF
1
8
计数器
74LS192
2
9
4060BD
1
10
D触发器
74LS74
1
双D触发器
11
JK触发器
74LS73
2
12
2输入或门
74LS04
4
13
2输入与门
74LS08
3
14
3输入与门
74LS11
3
15
非门
74LS04
5
16
发光二极管
常用
2
绿色
17
发光二极管
常用
2
红色
18
发光二极管
常用
2
黄色
19
数码管
常用
2
共阴极
附录3：
部分芯片引脚图
（1）、非门74ls04
（2）、二输入与门74ls08
（3）、三输入与门74ls11
（4）、二输入或门74ls32
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