交通信号灯控制电路的设计 课程设计.docx
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交通信号灯控制电路的设计课程设计
重庆交通大学
《电子技术》课程设计
课题：
交通信号灯控制电路的设计
*****
学号：
********
专业：
10级电气工程及自动化
班级：
电气一班
*******
2012年6月
摘要
本文介绍了一款基于74系列芯片的交通灯控制电路的设计，根据指导老师要求的功能的设计思路，详细叙述了我从使用电脑EWB或Multisim仿真技术设计，到独立完整地设计电子电路的过程，并简单阐述了设计的基本原理和面对不同时间倒计时之间的转换、黄灯闪烁等问题的解决方案。
该交通灯具有红绿灯转换功能，黄灯闪烁等基本功能，并通过仿真设计了一定的扩展功能.
关键字：
74系列芯片EWB或Multisim仿真交通灯
3.主控制器的设计...................................6
4.计时器的设计...................................12
5.译码驱动电路的设计.............................14
6.仿真的器件.....................................15
7.课程设计的收获体会及建议..........................16
8.附录
1.设计任务
1.1课程性质
数字逻辑课程设计
1.2课程目的
训练学生综合地运用所学的《数字逻辑》的基本知识，包括熟悉集成电路的引脚安排、各芯片的逻辑功能及使用方法，了解面包板结构及其接线方法，通过使用EWB或Multisim仿真技术，独立完整地设计一定功能的电子电路，以及仿真和调试等的综合能力。
1.3设计要求
1.3.1设计指标
1.主干道经常通行；
2.支干道有车才通行；
3.主、支干道均有车时，两者交替通行，并要求主干道每次至少放行30秒，支至多放行20秒；
4.每次绿灯变红时，要求黄灯先亮5秒钟（此时原红灯不变）。
1.3.2设计相关提示
传感器信号可以用逻辑开关代替，信号灯可以用发光二级管代替，“秒”信号脉冲可以用1Hz脉冲信号代替。
1.4课程设计说明书的主要内容（字数；4000～5000字）：
1、设计任务及主要技术指标和要求；
2、个单元电路的详细设计计算，元器件选择，电路图等；
3、整体电路的工作原理说明；
4、用EWB或Multisim绘制原理图，仿真。
电路方框图
（图一）
3.主控制器的设计
从所给的题目可知，本实验电路的设计师关于交通信号灯电路的控制，其中要求中提到支道有才通行，主道是要经常通行，则此时主道应该为绿灯，支道应该为红灯。
当支道和主道都有车要通行时，则主道和支道交替通行，且当绿灯变红灯需经过黄灯，二红灯变绿灯则不需要。
根据题目要求可分为4种情况：
1.主道为绿灯时，支道为红灯；
2.主道为黄灯时，支道为红灯；
3.主道为红灯时，支道为绿灯；
4.主道继续为红灯时，支道转为黄灯；按照这4个状态循环
一、状态分析
由于有四种状态2n=4,则n=2。
我们可以确定主控制器中必须有两个触发器。
本实验中选择的是74109的JK触发器。
接下来设计具体的电路，按以下几个步骤：
把主道为红，支道为绿,记为状态S0；
把主道为黄，支道为红,记为状态S1；
把主道为红，支道为绿,记为状态S2；
把主道为红，支道为黄,记为状态S3；
二、状态表
S0用“00”表示，S1用“01”，S2用“10”，S3用“11”，则可列出下表
主
支
状态
记为
绿
红
S0
00
黄
红
S1
01
红
绿
S2
10
红
黄
S3
11
表1
结合题目分析上表可知，
1.当电路处于S0有两种可能：
①主干道有车支干道无车；②主干道和支干道都有车但是没过30'。
2.当电路处于S1时，没过5'。
3.当电路处于S2时也有两种可能：
①支干道有车，主干道无车；②主、支干道都有车但是没过20'。
4.当电路处在S3时，没过5'。
5.当由S0转换为S1时的条件是：
①主干道无车，支干道有车；②主干道和支干道都有车但是过了30'。
6.当由S1转换为S2时的条件是过了5'。
7.当由S2装换为S3时的条件是：
①支路无车，主干道有；②主支都有但是过了20'。
8.当由S3装换为S0时的条件是：
过了5'。
三．状态转换图
根据上诉4种状态可以列出下面的状态转换图：
（图二）（图二）
四、逻辑抽象
1.对主干道与支干道有无车进行抽象，令主干道有车时记为A=1，无车时记为A=0;
支干道有车时记为B=1，无车时记为B=0；
有车
无车
主（A）
1
0
支（B）
1
0
表2
2.对30'，20'，5'是否到来进行抽象，令①30’到来时记为L=1，没到记为L=0;
②20'到来时记为S=1，没来记为S=0；
③5'到来时记为P=1，没来记为P=0;
到来
未到
30'（L）
1
0
20'（S）
1
0
5'（P）
1
0
表3
则图二可以转换为：
图三
五、状态转换表
由图三可以列出相应的状态装换表，如下所示：
A
B
L
S
P
Q2
Q1
Q2*
Q1*
X
0
X
X
X
0
0
0
0
1
1
0
X
X
0
0
0
0
0
1
X
X
X
0
0
0
1
1
1
1
X
X
0
0
0
1
X
X
X
X
0
0
1
0
1
X
X
X
X
1
0
1
1
0
0
1
X
X
X
1
0
1
0
1
1
X
0
X
1
0
1
0
1
0
X
X
X
1
0
1
1
1
1
X
1
X
1
0
1
1
X
X
X
X
0
1
1
1
1
X
X
X
X
1
1
1
0
0
表四
六、列出逻辑函数式
运用Multisimz中的逻辑转换功能（LogicConverter）可以分别计算出Q2*，Q1*的最简逻辑式如图四，图五所示：
Q1*的化简结果：
（图四）
Q2*的化简结果：
（图五）
由上图可知
Q1*=A'BFG'+AB'FG'+E'G+BCF'G'+ADFG'=A'BQ2Q1+AB'Q2Q1'+P'Q1+
BLQ2'Q1'+ASQ2Q1'
Q2*=AFG'+E'FG+EF'G+BFG'=AQ2Q1'+P'Q2Q1+PQ2'Q1+BQ2Q1'
Q1*，Q2*为主控制器的输出，因为输出方程式驱动方程带入JK触发器的特性方程得出的，所以可以分离出JK触发器的驱动方程：
JK触发器的特性方程为：
J=JQ'+K'Q,则：
Q1*=A'BFG'+AB'FG'+E'G+BCF'G'+ADFG'=A'BQ2Q1+AB'Q2Q1'+P'Q1+
BLQ2'Q1'+ASQ2Q1'=（A'BQ2+AB'Q2+ASQ2+BLQ2'）Q1'+P'Q1
Q2*=AFG'+E'FG+EF'G+BFG'=AQ2Q1'+P'Q2Q1+PQ2'Q1+BQ2Q1'=PQ1Q2'+（AQ1+P'Q1+BQ1'）Q2
从上式中可得：
J1=A'BQ2+AB'Q2+ASQ2+BLQ2'
K1'=P';
J2=PQ1
K2'=AQ1+P'Q1+BQ1';
七、选用芯片，按要求连接电路
选用74109JK触发器，将J1，K1所表示的电路接入第一块芯片的1J与1K'，J2，K2接入第二片的2J,2K'上，两块芯片的CLR'不接，VCC接高电平，GND接地，时钟信号接同步的脉冲信号，信号脉冲频率为1Hz.
上从上述驱动方程可以连接出以下电路图：
4.计时器电路的设计
本实验的及时器有3种类型，30'，20'，10'计时，而且每个计时器响应时相应的条件也不相同，所以需要3种不同的及时器记录三种时间，本实验选用的是74160二进制计时器。
Q2'Q1'
一、计时条件
当电路进行及时时需要在一定的条件下进行：
①当进行30'记时条件是主干道和支干道均有车且处在So的状态
②当进行20'记时条件是主干道和支干道均有车且处在S2的状态
③当进行5'记时条件是主干道和支干道均有车且处在S1或者S3的状态
对应上述条件可列出计时的时候，不同时间的电路所需的逻辑条件：
①进行30'计时时，逻辑条件为ABQ2'Q1'
②进行20'计时时，逻辑条件为ABQ2Q1'
③进行5'计时时，逻辑条件为ABQ2'Q1+ABQ2Q1
二、芯片选择
由于每一种逻辑条件下只能让一个计时器工作，所以这里用到的是74HC138（3线--8线译码器）当输入一种状态，输出只有与之对应的输出端输出低电平，下图为条件控制的电路
（图7）
将Y4反向后端接入30'计时的EP,ET,将Y6反向接入20'计时的EP,ET.将Y5与Y7反向后经过一个与门接入5'计时的EP,ET上，即完成主控制器对计时器的选择。
在计时器的电路方面，由于选用的是74160，则应把逻辑条件作为计时器的控制端，接与EP,ET上，当逻辑条件为“1”时，EP=ET=1，芯片工作。
时钟信号选用同步时钟与主电路选用相同脉冲信号，此处用的是同步置零的方法，当要设计一个30'时，须从29的状态经过一个反向接入同步置数端，当要接一个20'时须从19的状态经过一个反向接入同步置数端，当要接5'时须从4的状态经过一个反向接入同步置数端.，输入信号统一接地，各个电路的进位输出作为时钟型号是否到来的标志接入主控制器。
具体的，在30'计时器中，第二块芯片的Q1，与第一块芯片的Q3，Q0共同接入一个与非门，经过一次与非接入LD'中，输出信号为置零信号取反作为30'计时标志，接入主控制器，记为“L”。
在20'计时器中，第二块芯片的Q0，与第一块芯片的Q3，Q0共同接入一个与非门，经过一次与非接入LD'中，输出信号为置零信号取反作为20'计时标志，接入主控制器，记为“S”。
在5'计时器中，将Q2接入非门接入LD'中，输出信号为置零信号取反作为20'计时标志，接入主控制器，记为“P”。
电路如图所示：
（图8）
5.译码器电路的设计
一、逻辑转换
将主干道的红，绿，黄分别设为R,Y,G。
将支干道的红，绿，黄分别设为r,y,g.
二、信号译码器的真值表
由于是主控制器的Q1，Q2控制灯的明暗，由主控制器的转换图可以知道：
①当主干道为红，支干道为绿，电路处在S0状态,此时Q1=0，Q2=0;
②当主干道是黄，支干道为红，电路处在S1状态,此时Q1=1，Q2=0;
③当主干道是红，支干道是绿，电路处在S2状态,此时Q1=0，Q2=1;
④当主干道是绿，支干道是黄，电路处在S3状态,此时Q1=1，Q2=1.
Q1
Q2
0
1
0
1
0
1
1
0
三、列出卡洛图
Q1
Q2
0
1
0
0
1
1
0
0
R的卡洛图，化简得：
R=Q1'Q2r的卡洛图，化简得；r=Q1'Q2'+Q1Q2'
Q1
Q2
0
1
0
0
0
1
1
0
Q1
Q2
0
1
0
0
0
1
0
1
Y的卡洛图，化简得：
Y=Q1Q2'y的卡洛图，化简得：
y=Q1Q2
Q1
Q2
0
1
0
1
0
1
0
1
Q1
Q2
0
1
0
0
0
1
1
0
G的卡洛图，化简得；G=Q1'Q2'+Q1Q2g的卡洛图，化简得；g=Q1'Q2
根据上述逻辑式可设计出译码器电路图，如下图所示；
将上诉三种电路按步骤连接起来就得到最后的交通信号灯的控制电路，此电路以同一的脉冲为1Hz的信号为时钟信号，主控制器采用两片JK触发器，输入信号为传感器的输出A,B和时间控制信号L,S,P.输出为Q1，Q2作为译码器电路的输入信号，计时器采用了个74138（3线---8线译码器）对输入条件进行控制，当一个条件到来时，只会有一个时间进行相应。
计时器才用的是74160二进制计时器，才用同步置零的方法对时间进行控制。
（整体电路图鉴附录一）6.仿真元器件有：
1.74138译码器
2.两个74109JK触发器
3.五个74160计时器
4.若干与非门，导线若干，脉冲输入信号器
5.6个指示灯，5个数字显示器
7.课程设计的收获体会及建议
在此次的数字钟设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。
本身就是一个十进制计数器，在仿真电路中必须连接反馈线才能正常显示，而在实际电路中无需再连接，因此仿真图和电路连接图还是有一定区别的。
在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起。
此次的交通灯控制电路设计重点在于仿真和接线，初期的电路图设计完全是白手起家，靠的是我们自己的所学，可能我们的电路不能做到尽善尽美，也没有前人做的那么简单实用，但我们可以保证的是这个电路图绝对是我们的心血和原创，通过我们自己多少个夜晚的奋斗和向师兄的请教以及和同学的交流所得出来的结晶。
虽说起初设计很艰难，但当我们真正把电路设计出来，并成功在电脑上仿真时，那种喜悦之情是难以用激动二字来形容的，应为我们莞确实为它付出了汗水，绝对是我们的原创！
虽然能把电路图接出来，并能仿真成功，但接线时候又遇到很多问题，毕竟理论是一回事，实践又是另一回事，不通过实践是永远得不到真理的。
总的来说，通过这次的设计实验更进一步地增强了实验的动脑和动手能力，非常有意义!
只是此次设计放在期末，与我们的考试重叠，极大的影响了我们的时间安排，希望以后老师能多考虑我们的学生的时间安排，以便我们有充分的时间来做设计这项很有益的事情！
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