交通灯控制器.docx

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交通灯控制器

课程设计说明书

课程设计名称：

数字逻辑

课程设计题目：

交通灯控制器

学院名称：

信息工程学院

专业：

计算机科学应用于技术班级：

xxx

学号：

xxx姓名：

xxx

评分：

教师：

张华南

2012年6月22日

数字逻辑课程设计任务书

2011－2012学年第二学期　第18周－19周

题目

交通灯控制器

内容及要求

十字路口的两个方向上各设一组黄红绿灯，显示顺序为南北向绿灯亮，东西向红灯亮20秒，接着南北向黄灯亮，东西向红灯亮4秒，接着南北向红灯亮，东西向绿灯亮20秒，接着南北向红灯亮，东西向绿灯亮4秒，依次循环，并有倒计时功能。

进度安排：

1、根据任务要求，查阅相关资料，完成设计的前期工作；（二天）

2、根据资料，进行方案设计并对比论证，完成参数计算；（三天）

3、库房领取元器件，联接电路，完成电路调试；（五天）

4、检查完毕后，撰写实验报告。

学生姓名：

xxxxxx

指导时间：

2012年6月11日至2012年6月22日

指导地点：

E楼504室

任务下达

2012年6月11日

任务完成

2012年6月22日

考核方式

1.评阅□　2.答辩□3.实际操作■　4.其它□

指导教师

xxx

系（部）主任

注：

1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要

在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也越加拥挤，人们的安全也变得更重要。

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。

交通信号灯常用于交叉路口，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。

本次课题设计的目的是：

设计交通灯控制器数字电路，在十字路口的两个方向上各设一组黄红绿灯，显示顺序为南北向绿灯亮，东西向红灯亮20秒，接着南北向黄灯亮，东西向红灯亮4秒，接着南北向红灯亮，东西向绿灯亮20秒，接着南北向红灯亮，东西向绿灯亮4秒，依次循环；并增加倒计时功能。

倒计时功能通过2片74LS192级联控制数码管进行倒计时，路灯循环部分由一片74LS161和2片74LS138组合而成，使得红绿黄灯亮灯时间比为6:

5:

1，再由JK触发器将秒脉冲脉宽增大，构成触发脉冲信号。

经一系列分析、准备。

本次课题设计除在定时部分设计的不够完美之外，本次电路设计完成全部的设计要求。

关键字：

交通灯、控制器、倒计时、芯片、脉冲信号、循环

目录

前言………………………………………………………3

第一章设计内容及要求……………………………….4

第二章系统设计方案选择…………………………….6

第三章系统的组成及工作原理………………………..7

3.1系统的组成……………………………………………7

3.1.1显示技术电路………………………………7

3.1.2触发脉冲电路……………………………………7

3.1.3彩灯显示控制电路………………………………7

3.2工作原理…………………………………………….....8

第四章单元电路设计、参数计算、器件选择……………12

4.1显示技术电路…………………………………………12

4.2触发脉冲电路…………………………………………14

4.彩灯显示控制电路………………………………………15

第五章实验调试与排故……………………………….18

第六章总结…………………………………………….20

参考文献………………………………………………….21

附录……………………………………………………….22

前言

科学技术是第一生产力。

以前的三次工业革命就使我们的社会发生了翻天覆地的变化，使我们由手工时代进入了现代的电器时代。

同时科技在国家的国防事业中发挥了重要的作用，只有科技发展了才能使一个国家变得强大。

而作为二十一世纪的主义，作为一名大学生，不仅仅要将理论知识学会，更为重要的是要将所学的知识用于实际生活之中，使理论与实践能够联系起来。

数字逻辑课设是电子技术学习中非常重要要的一个环节，是将理论与实践相结合的环节，是真正锻炼学生实践能力的环节。

伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高，汽车数量不断增加，交通灯技术的发展和应用等领域也不断的扩大深入，红绿灯技术扩展到电子信息，通信，自动，控制及计算机应用等领域。

随着交通问题的日益突出，单单靠人力来指挥交通已经不可行了，所以，设计交通灯来完成这个需求就显得越加迫切了，为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地通过，往往采用电子控制的交通信号灯来进行指挥。

在国内外，交通灯的逻辑控制技术已经相当成熟。

但是这一点并不能否认我们对其进行数字逻辑课设设计。

因为其中对逻辑电路进行设计分析的思路仍然值得我们去学习和研究。

又因为其对设计材料无特别要求的特点。

使得交通灯控制逻辑电路设计这一课题广泛运用于数字逻辑课设中。

第一章设计内容及要求

〖基本要求〗

交通灯信号系统外观示意图如图1.1所示。

图1.1交通灯外观图

用数字电路实现图1.2的功能

图1.2交通灯功能图

〖提高要求〗

1）要求显示剩余时间

2）增加拐弯时序

3）增加自动夜间开关功能，黄灯亮（使用光敏三极管）

4）增加手动功能，方便盲人通过

第二章系统设计方案选择

方案一：

本方案包括三部分:

1）显示计数电路，2）组合逻辑控制电路，3）彩灯显示控制电路。

本方案基本实现设计要求，但还是存在一些问题。

显示计数电路过于繁杂，而且计数电路所输出的脉冲信号与彩灯显示控制电路所需信号有点误差，致使彩灯不能有规律的进行变化。

同时电路之中缺乏定时部分电路，使得本次设计存在许多不足。

这些电路都必须进行改进。

方案2：

本方案是对第一方案进行改进。

本方案仍然包括三部分：

1）显示计数电路，2）触发脉冲电路，3）彩灯显示控制电路。

本方案对每个电路都有改进，显示计数电路进行了简化，并与其它电路分开，但不影响设计要求。

去掉了组合逻辑的繁杂电路，在彩灯显示控制电路实现红绿黄彩灯有序变换。

附加了触发脉冲电路来控制亮灯时间。

使得设计更加人性化。

将两个方案进行比较，选择了方案二来实现设计要求，方案二是方案一的改进，在完成基本要求的同时，增加了附加电路。

第三章系统的组成及工作原理

3.1系统的组成

本系统主要由显示计数电路、触发脉冲电路、彩灯显示控制电路组成。

通过脉冲来控制亮灯状态，并通过发光二极管来显示亮灯状态。

1、显示计数电路

由于需要进行减计数，选用74LS192作为减计数芯片，192芯片是十进制加减计数器，具有同步置数（低有效）和异步清零（高有效）的功能。

首先要将192芯片置数为24，又有两位数的，要用两片192级联才能实现一条干道上的倒计时。

2、触发脉冲电路

红绿黄灯亮的时间比为6：

5：

1，所以由JK触发器组成的触发电路，通过3个JK触发器实现将秒脉冲变为4秒脉冲，使得亮的时间为24：

20：

4。

3、彩灯显示控制电路

由于要计数6+5+1=12个状态，应选十六进制计数器，这里选用74LS161十六进制增计数器，具有同步置数（低有效）和异步清零（低有效）的功能，再用2个74LS138译码器级联控制12个输出端。

3.2工作原理

电路由秒脉冲给计数电路，计数电路通过74LS192进行减法计数，并通过数码管显示出来。

再由触发脉冲电路产生4秒脉冲传给彩灯控制电路，即传给74LS161芯片进行加法计数，再通过74LS138译码器控制12个状态输出来控制灯亮。

整个电路达到时间上的一致性，即灯亮就开始计数。

至此整个电路的设计思路和基本原理就出来了。

原理图如3.1所示。

图3.1设计原理图

总电路图如图3.2（分成4部分）

200200200200200200

绿黄红红绿黄

11

1213

368

910

124536

11

1245

312138

68811

74ls08

12459109101213

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

74LS138

ABCE1E2E3

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

74LS138

ABCE1E2E3

151413121197151413121110987

123645123645

+5v

Q0Q2Q3Q4

74LS161

D0D1D2D3EPETCLKLDMR

12

3456710291

74ls01

3彩灯控制电路

J0

C

K0

J1

C

K1

J2

C

K2

Q0CLK

Q1Q2

CLK

触发脉冲电路

（东西）

3267121332671213

Q1Q2Q3Q4TUTD

74LS192

D1D2D3D4UDPLMR

Q1Q2Q3Q4TUTD

74LS192

D1D2D3D4UDPLMR

151109541114151109541114

显示计数电路

CLK

（南北）

3267121332671213

Q1Q2Q3Q4TUTD

74LS192

D1D2D3D4UDPLMR

Q1Q2Q3Q4TUTD

74LS192

D1D2D3D4UDPLMR

151109541114151109541114

显示计数电路

CLK

图3.2电路总图

注：

CLK为脉冲，三角形为接高电平。

第四章单元电路设计、参数计算、器件选择

4.1显示计数电路

要求当东西方向红灯亮24秒时，南北方向绿灯开始亮20秒，之后黄灯亮4秒；当南北方向红灯亮24秒时，东西方向绿灯开始亮20秒，之后黄灯亮4秒，这样两者循环点亮各种不同的灯，因此都以24秒为开始倒计时时间，所以选用74LS192作为减计数芯片，192芯片是十进制加减计数器，具有同步置数（低有效）和异步清零（高有效）的功能。

由于计数开始值是从24开始的，因此首先要将192芯片置数为24，又有两位数的，要用两片192级联才能实现，级联的方式为低位的借位端接高位的减计数脉冲输入端，实现周期性减计数。

置开始状态数完成后进行减计数，当减为零时又要对计数器进行置数，因为置数值没有发生变化，因此不需要改变计数器置数端的值以满足各种置数时候的值，应该使置数端一直保持不变。

电路图如4.1所示。

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图4.2所示：

3267121332671213

Q1Q2Q3Q4TUTD

74LS192

D1D2D3D4UDPLMR

Q1Q2Q3Q4TUTD

74LS192

D1D2D3D4UDPLMR

151109541114151109541114

CLK

图4.1显示计数电路

图4.274LS192管脚图

◆CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。

◆PL为预置输入控制端，同步预置，低电平有效。

◆MR为清零输入端，高电平有效，异步清除。

◆TCU为进位输出：

1001状态后负脉冲输出。

◆TCD为借位输出：

0000状态后负脉冲输出。

◆P0、P1、P2、P3为计数器置数端。

◆Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

其功能表如图4-3：

             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

表4-374LS192功能表

4.2触发脉冲电路

观察每次所置的数发现24、20、4均为4的倍数，而计数周期为48，因此可以考虑用四分频器将周期48分成12份，分频器输出接计数器的脉冲输入端，实现每四个脉冲计数器就计一次数，计数器输出端再接译码器，这样译码器输出端状态就每四个脉冲变化一次，电路图如4.4所示。

J0

C

K0

J1

C

K1

J2

C

K2

Q0CLK

Q2

Q1

CLK

图4.4触发脉冲电路

4.3彩灯显示控制电路

74LS161为计数器，译码器选用两片74LS138扩展成四线十六线译码器，根据时间比6：

5：

1将各输出端用与门连接起来，再与彩灯相连，如图4.6所示。

当译码器的输出端为低时，彩灯则亮。

因为只需要12个输出，所以当161输出1100时因置零，所以用与非门实现161清0功能。

译码器74LS138真值表及引脚图4.5：

图4.574LS138管脚图和真值表

200200200200200200

绿黄红红绿黄

11

1213

368

910

124536

11

1245

312138

68811

74ls08

12459109101213

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

74LS138

ABCE1E2E3

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

74LS138

ABCE1E2E3

151413121197151413121110987

123645123645

+5v

Q0Q2Q3Q4

74LS161

D0D1D2D3EPETCLKLDMR

3456710291

图4.6彩灯显示控制电路

74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能。

图4.774LS161管脚图

管脚图介绍：

时钟CP和四个数据输入端P0~P3

异步清零/MR

使能CEP，CET

同步置数/PE

数据输出端Q0~Q3

进位输出TC：

1001状态后负脉冲输出

输入

输出

CR

CP

LD

EP

ET

D3

D2

D1

D0

Q3

Q2

Q1

Q0

0

Ф

Ф

Ф

Ф

Ф

Ф

Ф

Ф

0

0

0

0

1

↑

0

Ф

Ф

d

c

b

a

d

c

b

a

1

↑

1

0

Ф

Ф

Ф

Ф

Ф

Q3

Q2

Q1

Q0

1

↑

1

Ф

0

Ф

Ф

Ф

Ф

Q3

Q2

Q1

Q0

1

↑

表4-874LS161功能表

1

1

1

Ф

Ф

Ф

Ф

状态码加1

第五章实验调试与排故

在确定了电路、领好元器件之后，首先对电路进行了布局。

采取的方法是分块连接电路。

然后对元器件的好坏进行检测，元器件的好坏直接关系到调试是否成功。

检测完元器件后开始安装芯片及连线，要按照先小模块、后大模块再整体的原则进行安装调试。

首先安装调试显示计数电路模块，用两块74LS192芯片级联的方式组成24进制，高位芯片置数端D1直接接高电平，低位芯片置数端D2直接接高电平，其他置数端接低电平，不用的输入端接高电平，Q0、Q1、Q2、Q3接静态LED显示，接上1Hz的方波，观察LED的变化情况。

可观察到计数器从24开始倒计时，并且周期进行，说明连接是正确的；然后调试彩灯显示控制电路，在连彩灯之前将138芯片输出的12个端口接到试验箱上的LED灯，看是否顺序亮灯，如果循环亮灯，则无误。

后来显示出现问题才知道，遇到这种情况需要一步一步进行排查，先要看LED显示的是什么异常现象，分析错误大概出现在哪个地方，然后顺藤摸瓜，从计数器开始捉个进行检查，主要检查的是各个芯片的输出逻辑电平状态与自己分析的相同与否，这个用二极管检查比较方便，将输出接二极管就能一目了然，而且很快就能找出断线；由于插孔比较多且很小，眼睛特别容易看花，接线时容易错位，因而在接线时必须特别仔细，每接完一个芯片就要检查一下。

有时也会碰到一些其他问题，比如静态LED正常显示几次后出现不正常的现象，检查也没有掉线的情况，这种情况可能是芯片逻辑发生混乱，可将电源打开、关闭几次，待芯片逻辑稳定后便可以了。

有规律的插线会给后面的排查故障会带来很大的方便。

第六章总结

这是一次比较系统的电路设计，是一次将理论与实践相结合的实践。

其中包括了电路的设计，资料的查找，分析问题解决问题的能力，甚至还是对连接电路和简化电路的一个考验。

如果不能以一种认真的态度去面对这次实践，而只是简简单单的在书本之中寻找到一个电路图，并将其简单的连接起来。

那就失去了本次数字逻辑课设的意义了。

在交通灯控制系统的设计中，充分体现了动手能力和对课本知识的掌握程度。

比如设计显示计数电路，触发脉冲电路，彩灯信号控制电路都需要对芯片功能的掌握。

在电路设计中必须有替代的思想。

例如通过显示计数电路和脉冲电路可以改变交通灯的亮灯时间，彩灯信号控制电路也可稍作改变用于流水灯的课设中。

此次课程设计不仅锻炼了思维能力，还锻炼了分析问题和解决问题的能力。

在今后的学习中必须注意将理论与实践相结合，再好的理论，都必须由实践去证明。

参考文献

1．彭介华.电子技术课程设计指导.高等教育教出版社1997

2．梁宗善.新型集成电路的应用.华中理工大学出版社.1999

3．谢自美.电子线路设计、实验、测试（第二版）.华中理工大学出版社.2000

4．陈大钦.电子技术基础实验.高等教育出版社.2000

5．彭军.数字电路设计与制作.科学出版社.2005

6.阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社.2008

附录

元器件清单：

发光二极管6个（红绿黄各2个）

200欧电阻6个

74LS011片

74LS084片

74LS1122片

74LS1382片

74LS1611片

74LS1924片

数码管4个