交通信号控制器的设计课程设计正文.docx
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交通信号控制器的设计课程设计正文
第1章设计目的及设计指标
1.1设计目的
本次课程设计的目的是独立完成一个交通信号控制器的设计，采用EWB电路仿真设计软件完成交通信号控制器电路的设计及仿真调试，在微机上实现交通信号控制器的设计。
课程设计具体内容：
在主、支道路的十字路口分别设置三色灯控制器，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮要求压线车辆快速穿越。
根据车流状况不同，可调整三色灯点亮或关闭时间。
在本设计中，用不同色的发光二极管代替交通信号灯。
图1.1十字交叉路口图1.2交通信号灯实图
1.2设计指标
（1）主道路绿、黄、红灯亮的时间分别为60秒、5秒、25秒；
次道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、65秒；
（2）主、次道路时间指示采用倒计时制，用2位数码管显示。
时序关系应该符合如下要求：
图1.4交通信号灯点亮时序图
（3）发挥部分（选做）
（a）主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置；
（b）主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整；
第2章系统概述
2.1系统框图
图2.1交通信号控制系统工作框图
交通灯控制电路主要由以下几部分构成，分别为秒脉冲产生电路、状态控制电路、主支干道信号灯电路、主控电路构成。
状态控制器是系统的核心部分，由它决定交通灯处于哪一个运行状态。
从而使相应的交通灯点亮，并决定下一个状态的预置电路的时间预置值。
状态控制电路是由寄存器74HC163来实现的。
首先进行置数,使Q1Q0=00，进入S0状态，同时为定时器中的减法计数器置入起始状态的计数值（主干道绿灯为60秒），并开始计数，当主干道绿灯计数完成时，Q1Q0=01，进入S1状态，同时控制主干道计数的计数器的初值被置为5（黄灯亮的时间），而支干道的不变。
之后Q1Q0=10，进入S2的状态，再后来Q1Q0=11，进入S3的状态，如此循环往复。
假定当前状态如主干道绿灯亮时，结果分析如下：
将给主干道绿灯的预置数值输入到计数器，当秒脉冲来时对绿灯的亮灯时间进行减法计数，同时显示输出。
绿灯熄灭时，数码管LED灭；绿灯亮时，计时器从60秒开始倒计时，此时，另一路的红灯亮。
当绿灯计时递减到0时，状态控制器进入下一个状态，当另一路的绿灯亮时，计数器、显示器执行上述的功能，如此周而复始，完成交通灯的显示过程。
图2.2交通等工作状态流程图
2.2各单元电路图及功能说明
2.2.1秒脉冲信号产生电路
采用555定时芯片来产生秒脉冲，首先把555定时芯片接成施密特触发器（把芯片的2、6脚接到一起），然后适当的设置R1﹑R2﹑C的值就可以得到秒脉冲了。
因为施密特触发器电路的周期为
T=（R1+2R2）Cln2（2-1）
此时输出脉冲的空占比为
q=
=
（2-2）
上式说明，施密特触发器的空占比总是大于50%。
为了得到等于50%的空占比，我们对电路做了些改进，如下图，由于接入了二极管D1、D2,电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放电只流经R2，因此电容的充电时间变为
T1=R1Cln2（2-3）
而放电时间变为
T2=R2Cln2（2-4）
故输出脉冲的空占比为
q=
（2-5）
故当R1=R2，q=50%。
下图的周期也相应的变为
T=T1+T2=（R1+R2）Cln2（2-6）
因为T=1，若取C2=10uF,得R1=R=70K
图2.3秒脉冲发生器
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555引脚如图2.4所示，其内部结构如图2.5所示。
图2.4555引脚图图2.5555的内部结构
NE555的引脚图介绍如下:
1地GND
2触发
3输出
4复位
5控制电压
6门限（阈值）
7放电
8电源电压Vcc
2.2.2状态控制电路
由交通信号工作顺序流程图（图2.2）可知，若交通灯的四种不同状态分别用S0（主干道绿灯亮、支干道红灯亮）、S1（主干道黄灯亮、支干道红灯亮）、S2（主干道红灯
图2.6编码及状态转换
亮、支干道绿灯亮）、S3（主干道红灯亮、支干道黄灯亮）表示，则其状态编码及状态转换如图2.6所示。
由图2.6可看出这是一个四进制计数器，二进制计数器有很多，这里我采用了集成计数器74HC163来构成状态控制器，74HC163是四位二进制同步计数器，故我们需对其进行进制转换，转换成四进制，其转换接法如图2.8下半部分所示。
74HC163的引脚如图2.7所示，状态控制器的电路如图2.8所示。
74HC163除具有加法计数的功能外，还具有预置数、保持和异步置零等附加功能。
图中LD′为预置数端，A﹑B﹑C﹑D为数据输入端，C为进位输出端，RD′为异步置零端，EP、ET为工作状态控制端。
表2-1是74HC163的功能表，它给出了当EP、ET为不同取值时电路的工作状态。
表2-14位同步计数器74HC163的功能表
CLK
RD’
LD’
ETEP
工作状态
×
↑
×
×
↑
0
1
1
1
1
×
0
1
1
1
××
××
01
×0
11
置零
预置数
保持
保持（但C=0）
计数
当RD′=0时，电路被置零，此时Q0Q1Q2Q3=0000,而且置零操作不受其它输入端状态的影响。
当RD′=1、LD′=0时，电路工作在同步预置数状态，此时Q0Q1Q2Q3的状态取决于D0D1D2D3状态。
如D0D1D2D3=1001，则Q0Q1Q2Q=1001.
当RD′=LD′=ET=EP=1时，电路工作在计数状态。
此时电路从0000的状态开始到1111的状态计数。
图2.774HC163的引脚图
图2.8交通灯状态控制电路
2.2.3主支干道信号灯电路
主支干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制的输出状态。
例如灯亮用“1”表示，灯灭用“0”表示时，则它们之间的关系见真值表，如表2-2所示。
对于信号灯的状态，“0”表示灯灭，“1”表示灯亮。
表2-2交通灯控制器的真值表
状态控制器输出
主干道信号灯
支干道信号灯
S
Q1Q0
MG（绿）M（红）MY（黄）
SG（绿）SR（红）SY（黄）
00
00
100
010
01
01
001
010
10
10
010
100
11
11
010
001
根据真值表，可写出交通信号灯的与非逻辑函数表达式，如下所示：
MG=Q1′Q0′MG′=（Q1′Q0′）′
MR=Q1MR′=Q1′
MY=Q1′Q0MY′=（Q1′Q0）′
SG=Q1Q0′SG′=（Q1Q0′）′
SR=Q1′SR′=Q1
SY=Q1Q0SY′=（Q1Q0）′
图2.9主、支干道信号灯电路
现选择发光二极管模拟交通信号灯，由于门电路的带灌电流的能力比一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出低电平时，点亮相应的发光二极管。
因此，由上述各信号灯的逻辑函数表达式课得出主、支干道各信号灯的电路图，如图2.9所示。
2.2.4主控电路
2.2.4.1定时电路
根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动进入不同定时时间的定时器，以完成60秒、20秒、5秒的定时任务。
该定时器采有由两片74HC192构成二位十进制课预置数减法计数器完成（两片十进制课预置数减法计数器进行级联后可变成二位十进制可预置减法计数器）：
时间状态由两片74HC47和两只LED数码管对减法计数器进行译码显示（需注明共阳极数码管于共阴极数码管的区别：
74HC47用于驱动共阳极数码管）;预置到减法计数器的时间常数通过六片六输入缓冲器74HC365来完成。
六片74HC365的输入数据分别接入60、20、5三个不同的数字，任一输入数据到减法计数器的置入由状态译码器的输出信号控制不同74HC365的选通信号来实现。
为了使主、支道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整，在74HC365的输入端接上一排开关，开关另一头接VCC,当开关合上时，这个输入端引入高电平（“1”），否则，该输入端输入低电平（“0”），故通过开关的选通可以任意在0～99调整主、支道路绿、黄、红灯亮的时间.
（1）主干道的黄灯控制启动数据位20秒的74HC365，使下一轮支干道绿灯亮时以20秒减计数：
将MY′端接入数据为20秒的74HC365的使能控制端1G′和2G′，当主干道黄灯亮时，即MY′=0时，因为74HC365的使能控制端为低电平有效，所以将启动该片74HC365，使数据**预置到减法计数器中，当减法计数器在主干道黄灯亮完后的下一轮支干道绿灯亮时，因为置数端数据为**，将以20秒开始减法计数。
主干道红灯亮、支干道绿灯亮20秒的减计数置数电路如图2.10所示。
图2.10定时电路
（2）支干道的黄灯控制启动数据位60秒的74HC365，使下一轮主干道绿灯亮时以60秒减计数：
将SY′端接入数据为**秒的74HC365的使能控制端1G′和2G′，当支干道黄灯亮时，即SY′=0时，因为74HC365的使能控制端为低电平有效，所以将启动该片74HC365，使数据60预置到减法计数器中，当减法计数器在支干道黄灯亮完后的下一轮主干道绿灯亮时，因为置数端数据为60，将以60秒开始减法计数。
（3）任一干道的绿灯控制启动数据位5秒的74HC365，使下一轮该主干道黄灯亮时以5秒减计数：
将MG′和SM′端作为接入接上与门后的输出接入第2片输入数据为5秒的74HC365的使能控制端1G′和2G′，当任一干道绿灯亮时，即MG′=0或SM′=0时，因为74HC365的使能控制端为低电平有效，所以将启动该片74HC365，使数据5预置到减法计数器中，当减法计数器在某一干道绿灯亮完后的下一轮该干道黄灯亮时，因为置数端数据为5，将以5秒开始减法计数。
图2.1174HC192双时钟加/减计数器的引脚
表2-374HC/LS192双时钟加/减计数器功能表
输入
输出
UP-
DP+
CR
LD′
ABCD
QAQBQCQD
×
×
1
×
××××
0000
×
×
0
0
abcd
abcd
↑
1
1
↑
0
0
1
1
××××
××××
加法计数
减法计数
1
1
0
1
××××
保持
74HC/LS192的功能说明：
74HC192是双时钟同步计数器，计数器在时钟的上升沿时翻转。
计数器有两个计数输入（DP+、UP-），当其中一个输入为高电平时，技术方向就决定对另一计数输入加脉冲的方向。
LD′为置数端，当其位低电平时，将输入数据A、B、C、D送到QA、QB、QC、QD，输出数据进决定于输入数据，于CP无关。
CR为清零输入端，CR为高电平时，强制使所有输出为零，与CP、LD′无关。
计数器有借位输出QCB′及进位输出QCC′两个输出端，以便将加法计数器和减法计数其功能级联起来。
当计数器出现溢出时，便产生一个进位负脉冲QCC′；当计数器出现下溢时，便产生一个进位负脉冲QCB′。
其引脚如图2.11所示。
74HC365的功能说明：
74HC365为6总线驱动器（原码，三态输出），当是使能端ENˊ=1=15为低电平时：
3=2，5=4，7=6，9=10，11=12，13=14；当1、15当中有一个为高电平时，则输出高阻。
其引脚如图2.12所示。
图2.1274HC365的引脚图
2.2.4.2译码驱动电路
图2.13LED译码驱动电路
译码驱动电路由两片74HC47和两只LED数码管对减法计数器的输出数据进行译码显示（需注明共阳极数码管于共阴极数码管的区别：
74HC47用于驱动共阳极数码管，输出为低电平有效）。
7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示0~9等10个数字和小数点，使用非常广泛，它的外观如下：
图2.14LED数码管的外观
这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），如图2.15所示。
图2.15中的8个LED引脚分别与上面那个图中的A~DP各段相对应，通过控制LED各段的亮灭来显示数字。
图2.15LED数码管的类型及引脚
七段显示译码器是驱动七段显示器件的专用译码器，它可以把输入的二―十进制代码转换成七段显示管所需要的输入信息，以使七段显示管显示正确的数码。
七段显示译码的示意图如图2.16所示。
BCD七段译码器的输入是一位BCD码（以D、C、B、A表示），输出是数码管各段的驱动信号（以a~g表示），也称4—7译码器。
若用它驱动共阳LED数码管（用7447来驱动），则输出应为低电平有效，即输出为低（0）时，相应显示段发光。
根据组成0~9这10个字形的要求可以列出8421BCD七段译码器的真值表，见表2-4（未用码组省略未列入表2-4中）。
表2-4BCD—七段译码器的真值表
十进制数
输入
输出
字形
DCBA
abcdefg
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1111110
0110000
1101101
1111001
0110011
1011011
0011111
1110000
1111111
1110011
常用的BCD对七段显示器译码器/驱动器的IC包装有TTL的7446、7447、7448、7449与CMOS的4511等等。
其中7446、7447必须使用共阳极七段显示器，7448、7449、4511等则使用共阴极七段显示器。
在正常操作时，当输入DCBA=0010则输出abcdefg=0010010。
故使显示器显示"2"。
当输入DCBA=0110时，输出abcdeg=1100000，显示器显示“6”。
在本设计中是用7447来驱动LED数码的，在此对7447的做些介绍。
7447的输入、输出上面已经做了介绍，在此不再多说，在此对它的附加控制端做详细的介绍。
在7447有LT′、RI′、RBI′与RBO′的控制脚，其功能分别如下:
LT′：
输入，灯测试，低电平有效。
当该输入端为0电平时，输出a-g均为0电平，使数码管各段全亮，显示“8”字形。
此引脚用于测试数码管是否正常工作。
不用时接高电平。
RI′：
灭灯输入，低电平有效。
当该输入端为0电平时，输出a-g均为1电平，使数码管各段全灭。
此引脚不用时接高电平。
RBI′：
灭零输入。
当
=0且输入数码D-A全为0时，输出a-g均为0电平，使数码管各段全灭。
此引脚不用时接高电平。
RBO′：
灭零输出。
RBO′与RBI′共用同一个引脚，当此引脚接地或输入0电平时，用于灭灯。
若与
共同使用，则用于灭零。
灭零用于多位数码管显示时，将个位数以上的和小数点后第1位以下的无效0不显示。
图2.167447引脚功能图
第3章电路的调试
3.1秒脉冲信号电路的调试
检查电路连线无误后，就可以进行调试了。
用示波器观察秒脉冲信号发生器的输出，看周期是否为1S;如果不是，则应改变电阻R1、R2（R1=R2）的大小。
如周期大于1S，则减小电阻值，反之，则加大电阻值，直到符合要求的脉冲。
在调试时，电阻值应缓慢改变，不可调的过急。
3.2主支干道信号灯的调试
将交通状态控制器的相应输出端接到主支干道的对应输入端，给交通信号控制器的时钟脉冲输入接一个频率为1HZ的方波脉冲，看主支干道信号灯是否按要求的顺序点亮，如达到要求，则这个单元电路符合设计指标。
3.3主控电路的调试
使所有74HC365的使能端ENˊ=1=15为低电平，分别测试各置数块的功能。
比如测试主干道上绿灯亮时的显示计数状态：
先给预置数到减法计数器的两片74HC365预置如60，预置到十位的置6，个位的置0，给预置个位的74HC192的脉冲输入端（CLK）接入秒信号，同时把两片74HC192的借位输出接到逻辑分析仪的两输入端。
接通电路后，如果两LED数码管从60开始减法计数，并在00后两片74HC192的借位输出又高电平跳变为电平，则符合设计要求。
其它的也照此方法测试，直到全部合格为止。
3.4整体调试
把各单元电路按信号的流向链接起来，进行系统总体调试。
在联调时，主、支干道的亮灯顺序及时间应符合图1.4所示。
同时可以根据不同的情况对主、支干道绿、黄、红灯的亮灯时间进行预置值；并且各灯的点灯时间可以分别在0～99之间调整，则达到设计要求。
第4章仿真结果与分析
4.1仿真结果
把电路个单元整合联调后后，启动仿真开关，电路开始工作。
开始时，主干道的绿灯、支干道的红灯亮，同时两个LED数码管以60为起始值，每次减一显示数据，直到显示00；接着主干道黄灯、支干道红灯亮，两个LED数码管以5为起始值，每次减一显示数据，直到显示00;接着主干道红灯、支干道绿灯亮，两个LED数码管以25为起始值，每次减一显示数据，直到显示05;接着主干道红灯、支干道黄灯亮，两个LED数码管以5为起始值，每次减一显示数据，直到显示00。
然后重复上述过程。
4.2仿真分析
仿真开始后，个位计数器引入秒脉冲，同时把60置入计数器，并从两计数器的借位输出端输出两个高电平，经或门及非门作用后，变为低电平。
这时状态控制器保持S0状态，其输出Q1Q0=00,主干道绿灯、支干道红灯亮，同时计数器以60为起始值减一计数，并用LED数码管显示时间值。
当计数结束时，两计数器的借位输出端输出两个低电平，经或门及非门作用后，变为高电平，输入状态控制器，使其翻转，进入S1状态，这时Q1Q0=01,主干道黄灯、支干道红灯亮，同时把5置入计数器,并从两计数器的借位输出端输出两个高电平，经或门及非门作用后，变为低电平,这时状态控制器保持S1状态，直到下一个高电平到达时才翻转。
当计数结束时，两计数器的借位输出端输出两个低电平，经或门及非门作用后，变为高电平，输入状态控制器，使其翻转，进入S2状态，这时Q1Q0=10,主干道红灯、支干道绿灯亮，同时把25置入计数器,并从两计数器的借位输出端输出两个高电平，经或门及非门作用后，变为低电平,这时状态控制器保持S2状态，直到下一个高电平到达时才翻转。
当计数结束时，两计数器的借位输出端输出两个低电平，经或门及非门作用后，变为高电平，输入状态控制器，使其翻转，进入S3状态，这时Q1Q0=11,主干道红灯、支干道红黄亮，同时把5置入计数器,并从两计数器的借位输出端输出两个高电平，经或门及非门作用后，变为低电平,这时状态控制器保持S3状态，直到下一个高电平到达时才翻转。
仿真就一直这样的循环下去，直到断开仿真开关。
第5章总结及建议
5.1课程设计总结及收获与体会
通过两周的准备、查找、思考、整理总结，我终于完成我的课程设计—交通信号控制器。
通过这次课程设计，加强了我的动手、思考和解决实际问题的能力。
在整个设计过程中，经常经常出现这样那样的问题，但是最后还是都得以解决，这个过程是值得我回味的。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。
同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！
此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的课程设计应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。
为了做好课程设计，我大量地查阅相关手册和文献资料，从中我了解了一些常用芯片的作用及应用方法，并且把《数字电子技术基础》课本来来回回翻了很多次，在做课程设计同时对课本知识也进行了巩固和加强，由于课本上的知识太多，讲课的进度也很快，平时课后的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，通过这次课程设计，我不仅加深了对课本知识的理解及应用，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
平时看课本时，有些问题总是弄不懂，做完课程设计后，那些问题就迎刃而解了。
而且记住很多东西，比如一些芯片的功能。
以前看课本时，几乎是这次看了，过几天就忘了，通过这次动手实践让我对各个元器件有了更深的印象。
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。
总之，这个这次课程设计对我的作用是非常大的。
在此，感谢于老师的细心指导，同时也对自己能圆满完成设计任务，并在此次课程设计中使自己的能力得到提升感欣慰。
5.2关于课程设计的建议及改进方法
在本设计中，用了6片74365来完成数据的预置，这样的设计会导致元器件过多，其实我们可以用8总线的74HC244来代替，这样就只需要三片74HC244就能可以完成6片74365的工作，这样不但可以减少元器件，还可以给系统的调试带来方便。
其次，在系统中还可以改进一下布线，以使电路路简洁美观。
附录A器件清单
元器件数量
元器件名称
备注
2
发光二极管
红色
2
发光二极管
绿色
2
发光二极管
黄色
2
LED数码管
6
电阻
220Ohm
14
电阻
200Ohm
2
电阻
47kOhm
2
电阻
22kOhm
7
74LS00
四—2输入与非门
6
74LS04
六—1输入非门
1
电容
10uF
1
电容
0.01uF
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