数电交通灯课程设计 交通信 灯控制器设计.docx
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数电交通灯课程设计交通信灯控制器设计
课程设计
课程名称数字电子技术
课题名称交通信号灯控制器设计
专业自动化
班级0904
学号34
姓名管琴华
指导教师陈意军
2011年12月7日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称：
数字电子技术
题目：
交通灯信号控制器设计
专业班级：
自动化0904学号：
34
学生姓名：
管琴华
指导老师：
陈意军
审批：
任务书下达日期2011年11月28日
设计完成日期2011年12月9日
设计内容与设计要求
一、设计内容
1.设计交通灯控制电路：
以数字形式显示南北、东西两向通车时间、停车时间；
2.交通十字路口南北和东西方向两道上车辆交替运行，南北方向每次通行时间90秒（绿灯亮），要求黄灯亮5秒后，才能交换车道；东西方向每次通行时间50秒（绿灯亮），要求黄灯亮5秒后，才能交换车；道工作流程如下：
南北向绿灯亮，东西方向红灯亮90秒
南北向黄灯亮，东西方向红灯亮5秒
南北向红灯亮，东西方向绿灯亮50秒
南北向红灯亮，东西方向黄灯亮5秒
3.利用软件对电路进行仿真；
4.分别采用两位数码管显示南北和东西方向时间
5.可以手动外置控制开关，清零和置数、启动；
6.功能扩展：
1）夜间黄灯闪耀；
2）自选。
2、设计要求:
1.给出整体设计框图，提供总电路图；
2.单元模块设计，给出具体设计思路和电路；
3.给出各单元模块电路、总电路图的仿真结果；
4.电路硬件实现和功能调试；
5.写出设计报告。
主要设计条件
1.提供所需元件及芯片；
2.提供电源和调试设备；
3.提供设计软件；
说明书格式
1.课程设计封面；
2.任务书；
3.说明书目录；
4.设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；
5.单元电路的设计（各单元电路图）；
6.安装、调试步骤；
7.故障分析与电路改进；
8.总结与体会；
9.附录（元器件清单）；
10.参考文献；
11.课程设计成绩评分表。
进度安排
第一周
星期一：
课程内容介绍和查找资料；
星期二：
总体电路设计和分电路的设计；
星期三：
分电路设计与仿真；
星期四：
总体电路电路仿真，修改方案，电路调试；
星期五：
确定设计方案，安装电路；
第二周
星期一~二：
安装、调试电路或验收电路；
星期三：
安装、调试电路或验收电路；
星期四~五：
写设计报告；
星期五下午：
答辩，整理实验室；
参考文献
第一章绪论1
1.1.总方案概述1
1.2.设计思路1
1.3.实现目标2
第二章模块电路的设计2
2.1.秒脉冲信号发生模块的设计2
2.2.倒计时计数模块的设计3
2.3.置数信号发生模块的设计4
2.4.交通灯状态显示模块的设计7
2.5.译码显示模块的设计9
第三章电路的调试与安装10
3.1.总设计电路图10
3.2.电路的软件设计与调试过程10
3.3.电路的硬件调试与安装过程14
第四章体会与心得18
第五章附录18
5.1.芯片清单18
5.2.芯片引脚排列逻辑符号以及功能表19
5.3.参考文献24
第一章绪论
1.1.总方案概述
交通灯控制系统由秒脉冲信号发生模块、置数信号发生模块（包括东西方向和南北方向）、倒计时计数模块（包括东西方向和南北方向）、译码显示模块（包括东西方向和东西方向）和控制红绿黄显示模块（包括东西方向和南北方向）五大模块组成。
它们之间的联系是：
①秒脉冲信号发生模块为倒计时计数模块提供脉冲信号，②置数信号发生器提供状态信号给倒计时计数模块，③置数信号发生器提供状态信号给控制红绿灯显示模块，④倒计时计数模块输出信号给译码显示模块。
总体框图如下：
秒脉冲信号发生模块
南北方向
译码显示模块
东西方向
倒计时计数模块
东西方向
译码显示模块
东西方向
置数信号发生模块
南北方向
交通灯显示模块
南北方向
倒计时计数模块
南北方向
置数信号发生模块
东西方向
交通灯显示模块
图1-1交通灯控制器系统框图
①
②
①
②
③
④
③
④
1.2.设计思路
根据设计要求：
交通十字路口南北和东西两道上车辆交替运行，南北方向每次通行时间90秒（绿灯亮），黄灯亮5秒后才能交换车道；东西方向每次通行时间50秒（绿灯亮），黄灯亮5秒后才能交换车道。
要实现南北方向依次90秒、5秒、55秒的倒计时和东西方向依次95秒、50秒、5秒的两组倒计时，根据实验室的设备现有器件，选用两片74LS192十进制同步加/减计数器来实现南北方向的倒计时功能，那倒计时怎样才能实现90秒、5秒、55秒的倒计时呢？
联想到N进制计数器的方法，这里就需要置位信号，由此需要置数信号发生器，既然是同步的，这里需要一个秒脉冲信号，就涉及到CB555定时器的相关知识设计振荡周期为1秒的多谐振荡器。
要把倒计时的功能显示出来，这里采用7段共阴显示管，由于计数器的输出信号不能直接给7段共阴显示管，需要驱动信号，就组成了译码显示模块。
除了要能数码显示还有交通灯最关键的：
灯状态信号输出，通过置数信号联系组合逻辑门电路的三种状态灯的显示，这里构成了交通灯显示模块。
以上便是我的整体思路。
1.3.实现目标
整个电路实现的功能如表1-1所示：
南北方向
东西方向
数码显示状态
交通灯显示状态
注释
数码显示状态
交通灯显示状态
注释
90S~~00S
绿灯亮
车行驶90秒
95S~~00S
红灯亮
禁止通行
05S~~00S
黄灯亮
正在过路口的车行驶
55S~~00S
红灯亮
禁止通行
50S~~00S
绿灯亮
通行50秒
5S~~00S
黄灯亮
正在过路口的车可以行驶
表1-1
第二章模块电路的设计
2.1.秒脉冲信号发生模块的设计
此模块采用555定时器以多谐振荡器为主体思路设计的秒脉冲信号发生器。
实际中我们所采用的时间都是标准的1秒，脉冲的周期为T=CLn2*（R1+2R2）=1，R1=R2，C=10μf，则有R1=1/3*C*Ln2=48K?
，取两个固定电阻47K与两个固定电阻1K的串联即可。
如图2-1所示。
图2-1
2.2.倒计时计数模块的设计
此模块由两小模块够成，即：
南北方向倒计时计数和东西方向倒计时计数。
首先把两片十进制同步加减计数器74LS192构成两位十进制倒计时计数器。
低位的减脉冲信号来自秒脉冲信号发生模块，它的借位信号送给高位的减计数脉冲信号端，清零端用开关接低电平，倒计时状态中开关是闭合的，断开可实现高低位的清零。
然后根据功能，南北方向要依次实现90秒、05秒、55秒的倒计时，运用到置数端的置数功能，因为是低电平置数，只需把高位产生的借位信号（低电平有效）送给置数端即可。
高位的借位端会依次产生3次借位有效信号，在这三次信号到来的同时还要给输出端置不同的信号，但是在置数55秒时，要其置数65秒才能实现，具体在下一模块体现。
其计数输出端接译码器输入模块。
东西方向要依次实现95秒、50秒、05秒的倒计时，如果和南北方向一样把高位的借位信号送给高位和低位的置数端，初始会出现85秒而不是95秒，需要根据逻辑功能对置数信号进行设计，在下一模块设计中会提到解决方法。
其计数器输出端接译码器的输入端。
南北和东西方向置数信号如表2-1所示
状态
南北方向置数
输出
东西方向置数
输出
十位（D3D2D1D0）
个位（D3D2D1D0）
时间
十位（D3D2D1D0）
个位（D3D2D1D0）
时间
①
1001
0000
90
1001
0101
95
②
0000
0101
05
0101
0000
50
③
0110
0101
55
0000
0101
05
表2-1
南北方向倒计时计数电路如图2-2所示。
图2-2
东西方向倒计时计数电路如图2-3所示。
图2-3
2.3.置数信号发生模块的设计
此模块分南北方向和东西方向。
即：
南北方向和东西方向置数模块。
首先，根据南北方向和东西方向倒计时计数电路的个位借位端会出现16次的借位信号，运用N进制构成的方法，把两片同步十进制计数器74160构成16进制计数器，采用的是整体置数法。
把两块芯片接成百进制计数器，然后将电路的15状态译码（高位0001，低位0101，门电路获进位信号）产生
=0的信号同时加到两片74160上，在第16个输入脉冲到达时，将0000同时置数给两片74160中，从而得到16进制计数器。
然后根据输出16种状态，取倒计时计数电路所需的状态信号。
南北方向其状态信息如表2-2所示。
置数器计数状态
置数器计数显示
倒计时计数所需状态
倒计时计数显示
高位Q4
低位（Q3Q2Q1Q0）
高位（D3D2D1D0）
低位（D3D2D1D0）
0
0000
00
1001
0000
90
0
1001
09
0000
0101
05
1
0000
10
0110
0101
55
表2-2
置数器计数显示00、09、10分别记为A、B、C三种状态：
A=
，B=
，C=
。
（用四输入与门和非门组成）
根据高位低位的状态，可设置：
低位的D3D1连在一起接地；
低位的D2D0连接在一起，由B或C状态给信号（用或门控制输出）；
高位的D2D1连接在一起，由C给出有效信号；
高位的D3D0连接在一起，由A给出信号。
注释：
在置数55的信号时，高位置6（0110）的信号，倒计时计数和置数计数相差了5秒，倒计时计数缩短了5秒信号，当来一次置数脉冲信号时，错过了置5的信号，所以给往后推迟5秒。
如果高位置5（0101）的信号，倒计时会收到4的信号。
南北方向置数模块电路如图2-4所示。
图2-4
东西方向其状态信息如表2-3所示。
置数器计数状态
置数器计数显示
倒计时计数所需状态
倒计时计数显示
高位Q4
低位（Q3Q2Q1Q0）
高位（D3D2D1D0）
低位（D3D2D1D0）
0
0000
00
1001
0101
95
1
0000
10
0000
0101
50
1
0101
15
0101
0000
05
表2-3
置数器计数显示00、10、15分别记为D、E、F三种状态：
D=
，E=
，F=
。
（用四输入与门和非门组成）
根据高位低位的状态，可设置：
低位的D3D1连在一起给0信号；
低位的D2D0连接在一起，由D和E状态给信号（用2输入或门控制输出）；
高位的D1给0信号；
高位的D3由D状态信号给出；
高位的D2由F状态信号给出；
高位的D0由D和F状态信号给出（用2输入或门控制输出）
东西方向置数发生模块如图2-4所示。
图2-4
2.4.交通灯状态显示模块的设计
此模块分南北向和东西方向。
即：
南北方向交通灯显示模块和东西交通灯显示模块。
南北方向状态分析表2-4。
置数器十位显示（S）
倒计时计数显示
A状态
B状态
C状态
灯状态
0
90
1
0
0
绿灯亮
0
89~10
0
0
0
0
09~00
0
1
0
1
05~00
0
0
1
黄灯亮
1
55~10
0
0
0
红灯亮
0
09~00
1
0
0
表2-4
由上状态信息表得出：
在ABC为100时，红色和绿色会出现重叠1秒时间的信号，此时找出能控制这两个状态信号的控制信号，很明显，在低位产生借位信号（T低电平有效）的瞬间90的信号得以置数成功。
在09到00倒计时时低位的借位信号时高电平。
所以绿灯的状态信号等于
；红灯的状态信号等于
；黄灯的状态信号等于
。
南北方向交通灯显示模块如图2-5所示。
图2-5
南北方向状态分析表2-5。
置数器十位显示（P）
倒计时计数显示
D状态
E状态
F状态
灯状态
0
95~10
0
0
0
红灯亮
1
09~00
0
0
1
1
50
0
0
1
绿灯亮
1
49~10
0
0
0
1
09~00
0
1
0
0
05~00
1
0
0
黄灯亮
表2-5
由表2-5状态信息表得出：
在DEF为001时，红色和绿色会出现重叠1秒时间的信号，低位借位信号用U表示，同理得到绿灯的状态信号等于
；红灯的状态信号等于
；黄灯的状态信号等于
；
南北方向交通灯显示模块如图2-5所示。
图2-5
2.5.译码显示模块的设计
半导体数码管和液晶显示器都可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动。
为此，需要使用显示译码器将BCD代码译成数码管所需要的驱动信号，以便使得数码管用十进制数字显示出BCD代码所表示的数值。
由于在PROTUES软件中使用的电压是5V的，译码输出给数码管内部的发光二极管的电流由5V经上拉电阻提供。
译码驱动采用的是74LS48，数码管选择的是7段共阴数码管，外加上拉电阻。
南北方向译码显示模块电路如图2-6所示。
图2-6
东西方向方向译码显示模块电路如图2-7所示。
图2-7
第三章电路的调试与安装
3.1.总设计电路图
设计电路如图3-1所示
图3-1
3.2.电路的软件设计与调试过程
进程大体分步：
第一阶段：
11月28日，因初次接触有点复杂的题型，思路并不是很清晰，按照任务书上的要求，结合题型的目的，画一个总体的框图。
第二阶段：
11月29日，用两片74ls192的芯片设计按照90秒~05秒~50秒~05秒顺序显示的倒计时，并译码显示输出，用两片74160做16进制计数器取状态给倒计时计数提供置数信号，再由置数器的信号用逻辑组合电路来实现交通路灯的控制。
完成了一个方向的设计，那另一个方向的也就出来了，复制一遍就可以了。
第三阶段：
11月30日，下午老师检查设计思路以及电路，在这里，老师重要的一点提示对我设计的电路产生了重要的影响，一直都以为南北方向和东西方向倒计时显示是90秒~05秒~50秒~05秒。
后来经过老师分析得出，南北显示90秒~05秒~55秒，东西方向显示95秒~50秒~05秒，也就是南北方向绿灯和黄灯方向显示的时间（共95秒）等于东西方向红灯显示，南北方向红灯显示的时间（55秒）等于东西方向绿灯显示和黄灯显示的时间，南北方向和东西方向的时间并不是完全一样的。
第四阶段：
12月6日，对设计的电路进行整体调整以及模块细分。
在设计的过程中遇到了绕了我很久的问题：
问题1：
在设计倒计时，不清楚如何把置数信号送进74ls192中。
解决：
重新回到74ls192的芯片中，查看置数有效信号如何产生，这里是低电平有效，在芯片倒计时的时候，借位信号时高电平，当产生借位信号的一刹那，会产生低电平，在这个时候就是我所需要的低电平置位信号，即把高位的借位信号接入高位的置位端和低位的置位端，在置位信号来的同时把高位D3D2D1D0和地位D3D2D1D0的信号同时给予即可。
问题2：
在南北方向置数的时候，置数为55秒，即高位D3D2D1D0和地位D3D2D1D0端置0101和0101，但是在显示的过程中总会从45秒开始倒计时。
解决：
其实自己也不清楚为什么是45秒，按逻辑退下去，那我置数65就会出现55秒？
调试了之后，结果真对了，这里就这样稀里糊涂的弄好了。
问题3：
在设置东西方向的倒计时，能实现95秒到50秒的倒计时，但是50秒时候就是95秒而不是05，而95秒里的5秒倒计时之后便是85秒，后面便乱套了。
解决：
一直想用一个置数器模块来给予南北方向和东西方向倒计时的置数信号，根据电路的实际信号状态分析，状态变化如表3-1所示。
①置数器计数显示
南北方向倒计时显示
东西方向倒计时显示
01
89秒~80秒
94秒~85秒
02~08
79秒~10秒…
84秒~15秒
09
09秒~00秒
14秒~05秒
09的最后瞬间
置05秒
/
10
04秒~00秒
04秒~00秒
10的最后瞬间
置数65秒
置数50秒
11
54秒~50秒
49秒~45
12
49秒~40秒
44秒~35秒
13~15
39秒~10秒
34秒~05秒
00
09秒~00秒
05秒~00秒
置数05秒
04秒~00秒
00的最后瞬间
置数90秒
置数95秒
表3-1
由表分析，东西方向和南北方向在置数器处于同一计数状态时候，相差5秒的时间，因为在置数器的处于00这一状态要给东西方向的的05秒和95秒同时置数这是不可能的。
问题最根本的根源来自置数器的脉冲信号来自南北方向的低位借位端，终于发现了这一点，弄明白了绕了我很久的问题。
将东西方向设置一组同样地置数计数模块，这时候置数器的脉冲信号来源于东西方向的低位借位端。
设计之后，状态表如表3-2所示。
②置数器计数显示
东西方向倒计时显示
01
94秒~85秒
02~09
84秒~05秒
10
04秒~00秒
10的最后瞬间
置数50秒
11
49秒~40秒
12~15
39秒~00秒
15的最后瞬间
置数05秒
00
05秒~00秒
00的最后瞬间
置数95秒
表3-2
问题4：
在东西方向倒计时上，开始总是从85秒开始。
解决：
这和开始南北方向的55秒出现了同样的问题，但是这是十进制计数，不可能置10（1010）的信号给高位。
换位思考，从另一个方向开始着手，即：
高位和低位的PL`端。
既然9的信号进不来，让高位的D3端和高位的借位信号相与再和高位的借位信号相或在输出给PL`端，这样就能保证把高位的9信号置进去。
问题5：
设置交通灯的时候会出现初始的南北方向90秒的那一个状态应该绿灯亮但是出现南北方向红灯亮。
东西方向50秒的那一个状态应该绿灯亮，但是出现东西方向红灯亮。
解决：
在第二章交通灯显示模块电路的设计中提到解决方法。
软件调试状态显示如下：
状态1：
南北绿灯亮90秒。
东西红灯亮95秒。
图3-2和图3-3所示。
图3-2图3-3
状态2：
南北黄灯亮，东西红灯接上继续亮。
图3-4和图3-5所示。
图3-4图3-5
状态3：
南北红灯亮55秒，东西绿灯亮50秒。
图3-6和图3-7所示。
图3-6图3-7
状态4：
南北红灯继续亮剩下的5秒，东西黄灯亮05秒。
图3-8和图3-9所示。
图3-8图3-9
3.3.电路的硬件调试与安装过程
大体分五阶段：
第一阶段：
在进行试验之前，我们做了如下准备工作，芯片分类，导线测试。
起初在宿舍里用电路箱进行安装，连好电路之后，显示总是不稳定，很多芯片的逻辑功能很难判断好坏。
鉴于这个结果，我们三人一致同意在试验台上进行，试验台上提供了秒脉冲信号以及数共阴码管和相连接的译码器。
第二阶段：
11月5日上午，我们按照电路图进行安装接线，一个人负责检查导线的好坏，用一个完好的灯显示和一个开关来测试导线的好坏。
完成了导线的测试，按照线路接了三四遍之后，结果仍然未正确。
第三阶段：
中午回宿舍后，讨论并分析电路，用试验箱简单的测试，结果发现芯片74ls08的芯片存在问题（由高位信号置数端而来），很多的问题出现的原因很简单：
准备工作做得不够充实。
第四阶段：
得益于上午的调试和中午在宿舍里和同伴的分析，下午我们各司其职，把该有的准备工作做好，首先检查试验台的好坏，确保数码管的显示、红黄绿灯的显示、插孔的输出、芯片的引脚的完好。
第五阶段：
准备工作做完之后，按照设计图进行连线。
我和同伴一起连接南北方向的交通灯控制系统。
结果相比上午比较满意。
在硬件的调试安装过程中遇到的问题点：
问题1：
按照图纸接完电路，对于出现的问题，毫无头绪，不知如何检查电路。
解决：
线路接好之后，看着那凌乱的线路，确实令人头痛，不知道线路的开始和结尾，有一种害怕的心理，首先得战胜恐惧的心里，静下心好好地思考问题所在，上午我们三个人，每个人平均接了两遍，都感觉要崩溃了，每次接完线路，看到的转台乱七八糟，很不理想。
不过在多次的失败之后，我们都有同样的猜想：
或者芯片是坏的，或者试验台插孔不灵敏。
大家开始分工测试芯片和试验台，试验台的测试：
好的芯片插上去能够正确显示其逻辑功能，我的方法是：
用一块好的74ls10（随选）的芯片，根据其逻辑功能，如果能正确输入输出，表示试验台上插芯片的周围各个孔是好的。
然后在好实验台上测试所需要的芯片的好坏，根据其逻辑功能来判断，逻辑功能第五章附件所见。
问题2：
接好线路，只有个位显示倒计时，十位显示9~0然后就不动了。
解决：
置数信号没有置进去，查看线路，发现掉了一个线，高位的借位信号没有输出给置位端PL。
在硬件调试中注意的是：
要防止错线，掉线，多线。
根据问题分析电路，在查线，这样会比盲目的查线要少更多的工作量。
硬件显示状态过程如下：
图3-11
整体效果如图3-11所示。
南北通行90秒时，绿灯亮，如图3-12所示。
东西方向禁止通行95秒，红灯亮，如图3-13所示。
图3-13
图3-12
南北通行90秒过程中，绿灯亮，如图3-14所示。
东西方向禁止通行95秒过程中，红灯亮，如图3-15所示。
图3-14
图3-15
南北继续可以通行05秒，黄灯亮。
如图3-16所示。
东西仍然禁止通行，红灯亮。
如图3-17所示。
图3-17
图3-16
南北禁止通行55秒时，红灯亮。
如图3-18所示。
东西通行50秒时，绿灯亮。
如图3-19所示。
图3-18图3-19
南北禁止通行，红灯继续亮。
如图3-20所示。
东西通行50秒之后，通行05秒，黄灯亮。
如图3-21所示
图3-20
图3-21
第四章体会与心得
本次的课程设计共两周的时间，和以前做一件事情相比，时间上挺久的。
但是从接到这个课题开始（11月28日），从设计思路到设计电路，从来没有像这样去想一个设计，分析了一遍又一遍，其里面的逻辑功能都快把我整晕了，面临周六的微机考试，更是感觉脑袋快要崩溃了，考试完之后，又是一整天的分析电路，问题没有解决，饭也吃不下。
不过效果一旦达到之后，心里的喜悦又是多么的深沉。
总之，拿出自己不放弃和不退缩的精神，努力思考问题的所在，一定会得到解决的。
在本次设计中，把自己学过的N进制计数的两种方法、译码显示输出、各种组合逻辑电路以及芯片的使用方法重新温习了一遍，使得理论知识得到了进一步的体会和理解。
同时也提高了就问题分析问题的方法（分析逻辑功能，列真表表，，设计电路），而不是盲目的干着急，不仅要学习设计的方法及思路，也要在不断遇到问题，分析系统电路和实际问题，通过查资料，请教老师和同学讨论等途径解决实际问题。
在Protues软件中仿真电路，熟悉了对它的应用。
加在一起是：
数电这本书，它简直就是一个宝，包含的知识是无穷尽的。
学习知识就是要学以致用，这是我最深的感触。
在安装与调试中，培养了我严谨细心的态度，因为一不留心接线就会出错，要学会克服线路太多而产生的恐惧心理，保持清晰地思路，细心地做好每一过程，同时让我更加的重视团结
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