长安大学数电课设简易交通灯课设报告.docx
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长安大学数电课设简易交通灯课设报告
电子技术根底课程设计
课题名称：
简易交通信号灯控制器
学院：
电子与控制工程学院
专业名称：
电气工程及其自动化
班级：
2013320402
学号：
040523
姓名：
徐通
指导教师：
林涛
时间：
15年6月29日至7月12日共2周
前言
在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的平安问题也日益重要，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。
交通信号灯常用于穿插路口，用来控制车的流量，提高穿插路口车辆的通行能力，减少交通事故。
有了交通信号灯，人们的出现有了很大的保障。
本课程设计利用数字电子技术的根本知识，旨在设计一个简单的交通信号灯控制系统。
为保证交通秩序和行人平安，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路制止通行；黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆停顿通行已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。
交通信号灯控制器自动控制十字路口两组红、黄、绿交通信号灯的状态转换，指挥主、从干道上各种车辆和行人的平安通行，实现十字路口交通管理的自动化。
自从交通信号灯产生后其部控制电路几经完善使其更加合理与人性化，科技含量不断提高，计方法也开场多种多样，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开展，电子电路分析和设计方法有了很大的改良，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根底。
我们设计的这个控制系统可以通过交通信号灯控制主干道方向和支干道方向两条穿插路上的车辆交替运行，还有控制主干道的行人行走每次通行时间都可以通过实际情况预设，用以减少交通事故的发生概率，本设计先对交通等控制系统做了简要概述，再从理论上对每一单元路设计进展详细分析，最后得出了系统的总体电路图。
并利用Multisim12.0软件对电路进展仿真，使设计方案得以真正实现。
根本功能模块及根本的分析方法是本次设计的根本容。
这将有利于学生更好的掌握数字电路的设计方法，将数字电路与模拟电路融会贯穿，提高解决实际问题的能力，同时也为更好的熟悉计算机和各种程序打下良好的根底。
参加本次课程设计的是长安大学电子与控制工程学院电气工程及其自动化二班的徐通同学、仇佳赟同学和郭延涛同学。
徐通负责小组整体的进程和车行道红绿灯的设计，仇佳赟负责人行道红绿灯的设计，郭延涛负责整体的连接。
由于水平和经历有限，缺点和错误在所难免，望教师提出意见以便改良。
2015年6月
简易交通信号灯控制器
绪论
摘要：
随着社会经济的开展，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。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测，交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的局部，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、绿灯以及人行道两组红、绿灯的状态转换的方法，指挥各种车辆和行人平安通行，实现十字路口交通管理的自动化。
本次课程设计中，将以传统的设计方法，利用数字电路的根本知识，来实现一个简单的交通信号灯控制系统。
关键字：
交通灯控制器秒脉冲发生器移位存放器单时钟十进制可逆计数器数码显示管信号灯
主要技术指标与要求:
设计一个十字路口的红、绿、黄三色信号交通灯控制电路，具体要求如下：
1.定周期控制：
主干道绿灯60秒，支干道绿灯25秒；
2.每次由绿灯变为红灯时，应有3秒黄灯亮作为过渡；
3.分别用红、黄、绿发光二极管表示信号灯；
4.设计计时显示电路；
5.考虑增加人行道信号灯显示。
方案论证与选择
提出方案
方案一：
采用555构成的多谐振荡器来产生T=1s的CP脉冲，用移位存放器构成系统的主控模块，驱动信号灯的显示与计数器的预置数，用单时钟十进制可逆计数器74LS190同步级联构成倒计时计数器，并产生主控模块的移位脉冲和控制计数器的预置数。
方案二：
采用32768Hz的晶振经过15级分频产生秒脉冲，分频电路由四位二进制加法数器74LS161构成，设计一个91进制的加法计数器和移位存放器作中控模块，控制整个电路的工作时间，产生预置数脉冲、信号灯的显示和倒计时计数器的预置功能，用74LS190异步级联构成倒计时计数器，用数码管显示倒计时。
方案三：
用触发器和各种门电路完成此设计。
方案选择
本次设计我们采用方案一。
方案三显然会使电路负责很多，总电路图会很庞大，比拟繁琐。
方案一与方案二比拟显然方案一比方案二简单，除了少了分频电路外还舍去了一个主控模块中的91进制计数器，而在产生进位脉冲的时候也简便很多，因此我们选择方案一来完成此设计。
第一章系统概述
1.1原理框图
1.2设计思路
本设计要求设计一个车行主干道绿灯60秒，支干道绿灯25秒，每次绿灯变红灯中间有3秒黄灯和附加一个人行道交通指挥系统的交通灯控制系统，这里我们根据实际经历，考虑到行人的速度会比车慢很多，所以我们根据这一情况，设定主干道绿灯55秒，支干道绿灯20秒，每次转换中间有8秒的等待车行道红绿灯转换的时间。
分别用红黄绿三色发光二极管表示信号灯，并用数码管显示倒计时。
我们的思路是把车行道和人行道分别用两个主控模块各自控制。
因此本设计需要一个脉冲产生模块、两个信号灯模块、两个倒计时模块、两个数码管显示模块和主控模块。
脉冲产生电路用以驱动倒计时电路，置数电路将交通灯亮时间预置到计数电路和存放器中，信号灯模块对信号灯的各种状态进展循环控制，倒计时模块以基准时间秒为单位做倒计时，数码管显示模块显示倒计时的时间，主控模块对电路中的各个模块进展级联控制。
第二章单元电路设计及功能说明
2.1秒脉冲发生器
常见的能产生秒脉冲的晶体振荡器、单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器等。
晶体振荡器产生的秒脉冲稳定、准确，但可获得的最低脉冲值为32768Hz，本课设需要用到的是秒脉冲〔1Hz〕，需将晶振产生的脉冲经过15级分频才能得到。
单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器都可以直接产生1Hz的脉冲，但单稳态触发器和施密特触发器产生的脉冲式经过对波形的整形得到的，需要输入波形，这增加了电路的复杂性。
而多谐振荡器却不需要输入波形，直接选取适宜的电阻和电容，接上5V电源，就可以直接得到1Hz的脉冲。
因此本实验选取多谐振荡器来产生秒脉冲。
取R1=44.2kΩ，R2=50kΩ，C=10uF，那么T=〔R1+2*R2〕*C*ln2=0.9995s≈1.000s，其误差为0.5%，对于交通灯的控制，这个精度已完全符合要求。
用多谐振荡器产生秒脉冲的电路图及工作波形如图2-1-1所示。
图2-1-1用多谐振荡器产生秒脉冲
2.2主控制器模块和信号灯模块
2.2.1车行道主控制器
主控制器由移位存放器74LS194构成，主要控制信号灯显示和提供计数器的置数。
要实现“主干道60秒，支干道25秒〞和“每次由绿灯变为红灯时，应有3秒黄灯亮作为过渡〞，那么主、支干道两组信号灯总共有四种状态：
状态1：
主干道绿灯亮，车道通行；支干道红灯亮，车道制止通行；
状态2：
主干道黄灯亮，车道缓行；支干道红灯亮，车道制止通行；
状态3：
主干道红灯亮，车道制止通行；支干道绿灯亮，车道通行；
状态4：
主干道红灯亮，车道制止通行；支干道黄灯亮，车道缓行。
交通灯按这四种状态依次循环工作，要实现这一功能可以用触发器构成时序电路、译码器和移位存放器。
本设计只需进展四个状态的转换，用触发器构成的时序电路太复杂，而且不好实现。
四个状态用二线—四线译码器也可实现。
但是如果用移位存放器74LS194，那么只需要在一个CP脉冲就可以实现四个状态之间的顺利，而且在后面的倒计时预置数模块中，也能巧妙地运用用存放器的移位功能，可以说存放器的灵活运用是本设计的最大亮点之一。
2.2.2人行道主控制器
人行道主控制器其实与车行道一样，只是人行道的红绿灯的四个状态与车行道不同。
要实现“主干道绿灯55秒，支干道绿灯20秒，每次转换中间有8秒的等待时间〞，那么主、支干道两组信号灯总共有四种状态：
状态1：
主干道绿灯亮，行人通行；支干道红灯亮，行人制止通行；
状态2：
主干道红灯亮，行人制止通行；支干道红灯亮，行人制止通行；
状态3：
主干道红灯亮，行人制止通行；支干道绿灯亮，行人通行；
状态4：
主干道红灯亮，行人制止通行；支干道红灯亮，行人制止通行。
其余原理与车行道完全一样。
74LS194的功能表如下表所示。
如下表可知，74LS194主要逻辑功能有：
①同步置数功能：
当RD、S1、S0都接高电平时，来一个CP上升沿，就将DCBA四个数分别置入QDQCQBQA中。
②移位功能：
当RD=1，S1+S0=1，且S1S0=0，来一个CP上升沿就移一位。
图2-2-174LS194功能表：
用移位存放器74LS194构成的信号灯模块电路如下图。
图2-2-2车行道信号灯模块
图2-2-3人行道信号灯模块
图中cp为555多谐振荡器产生的秒脉冲，cp1为倒计时计数器归零时产生的脉冲。
QD与SR相连，翻开电源前，先将S1、S6置于cp档，S2、S7置于VCC档，移位存放器准备置数。
当来一个cp上升沿时，就能够将预先设置好的数DCBA置入QDQCQBQA中.由于A接了高电平，那么QA也为高电平，此时主干道绿灯和支干道红灯亮。
然后将开关S1、S6和S2、S7都置于各自的另一档即S1接cp1,S2接地，构成右移移位存放器，当cp1来一个上升沿时存放器右移一次。
存放器的四个状态如下图。
每个状态中只有为高电平的那一组信号灯亮。
车行道：
即第一个状态时主干道绿灯和支干道红灯亮；第二个状态时主干道黄灯和支干道红灯亮；第三个状态时主干道红灯和支干道绿灯亮；第四个状态时主干道红灯和支干道黄灯亮。
在cp1的作用下依次循环进展上面的状态转换，实现信号灯的功能。
人行道：
即第一个状态时主干道绿灯和支干道红灯亮；第二个状态时主干道红灯和支干道红灯亮；第三个状态时主干道红灯和支干道绿灯亮；第四个状态时主干道红灯和支干道红灯亮。
在cp1的作用下依次循环进展上面的状态转换，实现信号灯的功能。
2.3倒计时计数器模块
构成倒计时计数器的芯片有74LS190、74LS191、74LS193等。
74LS190为单时钟十进制可逆计数器，74LS191为单时钟四位二进制可逆计数器，74LS193为双时钟四位二进制可逆计数器。
由于本设计需要的是十进制倒计时计数器，故74LS190成为我们的首选。
由设计要求可知，需要构成一个60s、25s、3s的车行道倒计时计数器和一个55s、20s、8s的人行道倒计时计数器，而本设计的三个倒计时是一次显示的，每个倒计时模块时间没有冲突，那么只需要两个个两位数的倒计时计数器就可以分别实现，因此可以用四片74LS190两两级联。
本设计只需要在每个倒计时完毕的时候〔即倒计时为0〕产生一个脉冲来控制计数器的置数。
由于本设计分别需要的是60s、25s、两个3s和55s、20s、两个8s，总共8个倒计时，对于这一点，本设计是通过移位存放器来实现的，所以说移位存放器的运用是本设计的一大亮点。
74LS190芯片如下图。
LD为异步置数端，CT为控制端，ABCD为并行置数输入端，QAQBQCQD为输出端，U/D为加/减计数方式控制端，RCO为进位/借位端，CLK为时钟输入端。
74LS190的功能表如表所示。
由表我们可以看出，74LS190的主要逻辑功能有：
①异步置数功能：
当LD=0时，与cp无关，直接并行输入数据DCBA，QDQCQBQA=DCBA。
②技术功能：
取CT=0，LD=1。
当U/D=0时，对应CP脉冲的上升沿，进展十进制加数计数功能。
当U/D=1时，对应CP脉冲的上升沿，进展十进制减数计数功能。
③保持功能：
当CT=LD=1时，计数器保持原来的状态不变。
74LS190为十进制计数器，所以8个需要置的数分别为：
车行道：
高位：
QDQCQBQA低位：
QDQCQBQA
6001100000
300000011
2500100101
300000011
人行道：
高位：
QDQCQBQA低位：
QDQCQBQA
5501010101
800001000
2000100000
800001000
我们先来分析车行道。
由上面可见高位的QDQA和低位的QD为固定的低电平，只要预先接地置零就好了。
而高位的QC和低位的QC分别需要在四个时刻置入0001和0100仔细观擦这两组数可以发现，它们分别是移位存放器的两个状态，因此只需要将移位存放器的QD与计数器高位的C相连，存放器的QB与计数器低位的C相连就可以实现这两组数的循环置入。
然后就是低位的QA发现正好是高位QC的非，低位QB可以通过移位存放器的QA+QC得到。
很明显，高位的QB是其的非。
倒计时计数器模块的电路如下图。
人行道同理。
高位的QD和低位的QB为固定的低电平，只要预先接地置零就好了。
同理，高位的QC，高位的QA和低位的QC以及低位的QA分别需要在四个时刻置入0001，高位的QB需要在四个时刻置入0100，最后，低位的QD可以通过移位存放器的QA+QC得到。
倒计时计数器模块的电路如下图。
对于车行道。
首先需要将两片74LS190级联成100进制的计数器，即将低位的进位端输入到高位的控制端CTEN，为了提高速度，两片采用同步级联的方式。
加减控制端接高电平，可构成减计数器。
由于需要在每个倒计时完毕时对计数器重新置数，倒计时完毕时计数器的八个输出端为00000000，将这八个输出端全“或〞起来，即Q=Q0+Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7,那么只有八个输出端全为0的时候输出Q为0，其余情况输出Q均为1。
74LS190的置数端LOAD为低电平有效，又因为其置数端由移位存放器所控制，移位存放器的脉冲是由Q所产生，设计中需要移位和置数同时进展，因此需将计数器的归零脉冲接到计数器的置数控制端LOAD和移位存放器的秒脉冲上。
计数器刚开场工作时需要预先置入第一个数60，即高位的QC为高电平，而QC所接的移位存放器的QD此时为低电平，因此在车行道设计中加了一个开关S4、S5，来为计数器提供正确的置数条件。
而S3是用来控制计数器的倒计数的，防止交通灯未进入初始状态就开场计数。
翻开电源前，使计数器为置数功能。
在计数器将初始状态60置入输出端之后，一次将S3、S4开关置入到各自的另一端，计数器开场正常工作。
计数器归零时会产生一个归零脉冲，控制计数器重新置数，置数后再倒计时计数，实现循环置数并倒计时的功能。
对于人行道。
除了置数不一样，其它完全一样。
计数器刚开场工作时需要预先置入第一个数50，即高位的QC，高位的QA和低位的QC以及低位的QA为高电平，而它们所接的移位存放器的QD此时为低电平，因此需要加一个开关S9来为计数器提供正确的置数条件。
；低位的QD需要置入低电平，而它所接的QA+QC此时为高电平因此需要加一个开关S10来为计数器提供正确的置数条件。
其余开关功能同车行道。
S1同S6，S2同S7、S3同S8。
2.4显示模块
我们观察到，目前交通信号系统大多数具有倒计时显示模块，将目前灯种剩余时间直接显示出来，以作到人性化，智能化，方便车辆和行人对目前的速度，起步等状态进展调整和准备，更有利于道路交通平安，本次设计也参加了数字显示电路模块。
数字显示模块通常由译码器，驱动器和显示器等局部组成，如下列图:
2.4.1计数器
倒计时需要显示0~9十个数字，本次方案采用单时钟十进制计数器74LS190作为计数器，其具体功能和引脚图上文已经表达过。
2.4.2译码器
译码器是对特定含义的代码进展区分，并转换成相应的输出信号的组合逻辑电路。
常用的有3线-8线译码器74LS138连成4线-16线译码器或一片4线-10线译码器74LS42。
下列图分别是138引脚图和42的引脚图，真值表：
2.4.3译码驱动器
译码驱动器不同于上述译码器，它集成译码器和驱动器的功能来译码驱动数字显示器件。
常用的有共阴极译码驱动器74LS48和共阳极译码驱动器74LS47，它们的引脚排列一模一样，如下列图，两者的功能也差不多。
使用时要注意：
74LS47是用来驱动共阳极显示器的，74LS48是用来驱动共阴极的；74LS48部有升压电阻，使用时可以直接与显示器相连，而74LS47为集电极开路输出，使用时要外接电阻。
常用的还有七段显示译码器7447，它输出低电平有效，用以驱动共阳极数码管。
其引脚图，连接电路和真值表如下列图。
2.4.4显示器
本次设计的显示器采用数码管，数码管是一种半导体发光器件，是由多个发光二极管封装在一起组成“8〞字型的器件，引线已在部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
LED数码管常用的段数一般为7段，有的另加一个小数点。
按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管，如下图。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（）的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（）的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
普通数码管需要7447等驱动模块进展驱动，有分别对应的7个输入端，而集成数码管将7447集成到数码管部，输入端只有4个，可以直接输入BCD码进展驱动。
方案一：
采用计数器+译码驱动器7447+7段数码显示管组成数码显示电路。
方案二：
也是本设计所要采用的方案。
采用计数器+集成7段显示数码管组成数码显示电路。
数码管的左端为高位输入端，右端为低位输入端，所以电路连接采用上面的方法。
对于这两种方案，我们选择采用方案二，显然，第二种设计方案所选用的倒计时数码管采用的是四端输入，无需驱动电路，节省了设计材料，简化了电路，便于连接和实现，也省去了判断数码管的极性。
而第一种方案相对于第二种方案来说较复杂，因此我们选择第二种方案。
到此，控制系统的所有单元电路模块已经介绍完了。
第三章系统综述
3.1总体电路图
综上分析，我们得出交通信号灯控制系统的总体电路，如下图。
图中红绿的已经标注。
要全部用二极管表示红绿灯，但为了美观以及简化电路，我们车行道直接用了高级外设红绿灯。
首先是用555构成单稳态多谐振荡器产生一个频率为1HZ的方波信号，其周期为1s，也就是秒脉冲，用以驱动74LS190构成的计数器进展倒计时计数功能。
用74LS194构成右移位存放器，构成交通灯的主控电路，驱动信号灯的显示和提供计数器的预置数。
用74LS190同步级联构成100进制的倒计时计数器，并在其输出端参加逻辑或门，使其输出全为0的时候产生一个脉冲信号，驱动移位存放器进展移位和计数器的重新置数。
将集成7段数码管与计数器的输出端直接对应相连，显示倒计时时间。
开场运行系统前，先将十个开关分别置入上边的档位，S1和S6为移位存放器的初始置数提供脉冲；S2和S7为移位存放器的置数提供条件，即使S1S6为高电平，S3和S8为计数器的预置数提供条件，即使LOAD为低电平；S4S5和S9S10为计数器的初始状态提供置数输入。
当车行主干道和人行主干道绿灯以及车行支干道和人行支干道红灯发光，数码管显示的是时间是60秒和55秒时，一次合上所有的开关。
系统便开场工作了。
这里看似用了10个开关会很麻烦，但是所有的开关可以用空格键同步控制，不过所有开关在运行前的状态必须一致，所以只需要在运行后按下空格键，便置数完成，再按空格键就开场工作了。
中间过程如果需要从新运行系统，只需按下空格键。
这也是本设计的一个亮点之一。
3.2仿真结果
车行道和人行道的各种状态如下图：
状态1：
车行主干道绿灯支干道红灯状态2:
车行主干道绿灯支干道红灯
人行主干道绿灯支干道红灯人行主干道红灯支干道红灯
状态3：
车行主干道黄灯支干道红灯状态4:
车行主干道红灯支干道绿灯
人行主干道红灯支干道红灯人行主干道红灯支干道绿灯
状态5：
车行主干道红灯支干道绿灯状态6:
车行主干道红灯支干道黄灯
人行主干道红灯支干道红灯人行主干道红灯支干道红灯
3.3问题与解决
1.在秒脉冲发生器的设计中，按照设计需要产生1HZ的脉冲，应该用R1=44.2kΩ,R2=50kΩ的两个电阻，但是仿真的时候发现由此产生的脉冲信号周期特别大，远远大于1S，后来查资料发现是因为用Multisim12.0软件仿真时软件运行的时间间隔和实际的时间是不同的，实际中的1s在软件里需要运行几分钟。
由于这个问题对设计的影响不大，而且在理论和实际做实验时候都对，只是一个软件的问题，只要在仿真时换阻值小一点的电阻，就可以解决问题。
2.刚完成电路设计的时候遇到一个很棘手的问题，在每次倒计时计数到“0〞后重新置数时刚开场采用在归零脉冲产生后先让移位存放器产生移位再让计数器置数，这样才能将下一个需要的时间成功置入，开场采用一个或门进展延迟太短，置数器置入的是上一个时间的数值。
后来采用两个非门对对输入到计数器置数端进展延时，发现延迟太多，每次重新置数时，都会闪一下才能置入需要的数。
很长时间都没有解决这个问题。
但是在采用一个或门观察的时候发现，虽然开场工作后，第一次重新对计数器置数会置入60，后面再置数的时候会依次置入3，25，3。
这一点让我意识到，如果把计数器和移位存放器相连的两个输出端分别向下移动一条线的话，就可以置入正确的数值，而且转换的时候没有数值的跳变，也不需要任何延迟。
结果发现只需要在计数器的初始置数的时候，让其置入第一次需要的数字，系统开场工作后接到移位存放器相对应的端口上，就可以实现了。
这样，就用一个开关解决了这个问题，舍去了两个非门的延迟。
3.4缺乏与改良
1.本设计还存在一个缺乏之处，由于电路的初始置数，造成电路初始需要的状态与电路刚开场工作的状态不一样，所以用了10个单刀双掷开关来实现，比拟麻烦，不过可通过空格键一键控制。
鉴于时间有限，没有更好的解决这个问题，敬请谅解。
2.该设计根本实现了要求中的全部功能，但本人觉得，该系统的置数交于麻烦，如果需要根据实际情况来合理的控制各方向车道和行人的通行时间，需要计算和重新置数。
为了弥补缺乏，可做如下改良，新增两个开关，用来表示主干道和支干道的路况，1表示拥挤，0表示顺畅。
再设计一个反应电路，当某方向的控制开关为1时，说明该方向拥挤，适当延长该方向的车道绿灯亮的时长功能〔例如增加20秒，倒计时从80开场计时〕，可以通过预先置好的数和控制开关来实现。
第四章完毕语
4.1收获与体会
徐通：
通过这次对交通信号灯的设计，我对十字路口的交通灯系统的工作原理有了比拟深的理解，学到了很多书本上学不到的东西，尤其是掌握了对Multisim熟练地运用。
要真正意义上设计一个东西出来，与我们课堂上学到的理论知识是有千差万别的，这次设计让我彻底的体会到理论上看似一个简单的问题，但是当我们要把它设计出来用以实践的时候，仍有很多问题需要我们去解决。
这次课程知识得到应用与稳固，真正的做到把知识用于实践生产，让我们的动手能力得到了很大的锻炼。
遗憾的是由于时间问题和
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