数字电路交通灯.docx

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数字电路交通灯

2017届结课论文

《Proteus原理图设计与电路仿真》

设计题目：

十字路口红绿灯设计

学生姓名：

张祥光

学号：

5011213317

所属学院：

信息工程学院

专业：

计算机科学与技术

班级：

17-3班

指导教师：

孟洪兵

一．绪论

如今，可以这样说在世界的的各个地方的马路上都可以看见红绿灯，正是有了这个高科技的产品，减少了许多人力在指挥交通上，同时也避免了许多本可以避免的交通事故。

如今他已经成为疏导交通车辆最长见和最有效的手段。

但这一技术早在19世纪就已经问世了，而且随着时代的发展，社会的进步，信号灯的技术也得到了发展。

1858年，在英国伦敦的主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行，这是世界上最早的交通信号灯。

1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。

1914年，电器启动的红绿灯出现在美国，他被安装在纽约市5号大街的一座高塔上。

1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。

现在正在应用的红绿灯主要有三种类型，定周期的信号机，多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能式信号机。

其中定周期信号机这一类型以其设计简单，成本低，安装及维护方便等特点得到了广泛的应用。

本次课程设计中我所设计的十字路口交通灯控制器就属于这一类型。

二．数字电子基础概述

随着电子技术的不断发展，模拟电子技术的缺点和局限性越发明显，模拟电子技术的不稳定性，易干扰性等大大限制了其应用，且有阻碍电子技术发展的趋势。

19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷，稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。

数字电路与模拟电路相比有显而易见的稳定性，近年来，数字电路又有了巨大的发展，可编程逻辑器件的发展和普及最终始IC的设计面向了用户（这是模拟电路无法做到的），而这毫无疑问会给用户带来巨大的便捷，从而奠定它在电子电路中的地位，随着集成技术的进一步提高，各种新技术的出现和应用，人类历史横跨数码时代向更进一步发展已出现在各大型相关企业的宏伟蓝图中，新世纪里谁掌握了新技术谁就得到了获胜的资本，也仅仅是资本而已，新世纪里电子行业的发展速度令人窒息。

可以展望，一个由数字构成的新世界即将出现，那将是人类文明的又一飞跃。

三．基于数字电路的十字路口交通灯设计

1.设计背景

我国城市路网稀，干道少，间距大，市区人口稠密，出行需求集中，迫使车辆集中于少数干道上行驶。

至于中小城市，干道特征更为明显，往往只有一两条干道贯穿全市，而其他支路上交通量极小。

从流量变化情况来看，除外围过境干道外，都是有一定规律的，高峰小时基本上都集中在几个时段内。

而且我国城市机动车车种繁杂，从50年代的老式车到现阶段的新型车，从大货车到小轿车都在一个平面上行驶，近几年更是有车的人越来越多，如果交通行驶不受管制，很容易造成道路混乱不堪的局面，使南来北往的车子很容易堵在十字交叉口，动弹不得。

2.设计目的及意义

如何最大限度地保证交通流运动的连续性，使受控区域的交通流减少冲突，同时平稳地、有规则地运动，这使得交通灯的使用应运而生了。

交通灯的主要功能是改善交通秩序，增加交通安全，减少交通延误，提高经济效益，降低污染程度，保护生态环境，节省能源和土地消耗，更大大加强了交警管制力度。

3.设计方案

设计并实现一十字路口的红、绿、黄三色交通灯控制与显示电路，即每个路口设置一组红、黄、绿交通灯，以保证车辆、行人通行安全。

3.1功能分析

根据需求描述，系统应具有如下基本功能：

系统工作时，东西方向绿灯亮时，南北方向红灯亮，该信号灯点亮时间为25S，同时点亮时间进行倒计时显示；当时间减为00时，东西方向绿灯熄灭，黄灯同时点亮，并维持5S秒，南北方向仍为红灯亮；当倒计时显示减为00时，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮，点亮时间设定为25S；当倒计时显示减为00时，南北方向绿灯熄灭，黄灯同时点亮，并维持5S秒，东西方向仍为红灯亮。

当倒计时显示减为00时，系统状态进入下一个周期，以后周而复始的循环。

3.2元件清单

元件名称

数量

元件名称

数量

BCD七段译码管

4

4030异或门

2

74LS08与门

1

Or或门

2

74LS00与非门

4

Cap电容

2

74LS76JK触发器

2

RES电阻

2

74LS138译码器

1

LED-RED

2

74LS153多路选择器

8

LED-YELLO

2

74LS192可逆计数器

4

LED-GREEN

2

555定时器

1

3.2.2芯片介绍

<1>74LS138

74LS138为3线－8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式，其工作原理如下：

当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/（G2A）和/（G2B））为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。

利用G1、/（G2A）和/（G2B）可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。

若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。

<2>74LS153

双4选1数据选择器74LS153

    所谓双4选1数据选择器就是在一块集成芯片上有两个4选1数据选择器。

    1G、2G为两个独立的使能端；B、A为公用的地址输入端；1C0～1C3和2C0～2C3分别为两个4选1数据选择器的数据输入端；Y1、Y2为两个输出端。

  ①当使能端1G（2G）＝1时，多路开关被禁止，无输出，Y＝0。

  ②当使能端1G（2G）＝0时，多路开关正常工作，根据地址码B、A的状态，将相应的数据C0～C3送到输出端Y。

<3>74LS192

74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。

（bcd,二进制）。

CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。

 LD为预置输入控制端，异步预置。

 CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。

 CO为进位输出：

1001状态后负脉冲输出，  

BO为借位输出：

0000状态后负脉冲输出。

<4>74LS76

J-K触发器：

74LS76是带有置位和清零的双JK触发器，每个触发器都有一个单独清零置“1”输入端，有Q互补输出。

为下降沿触发型JK触发器。

<5>555

555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555.555属于cmos工艺制造. 555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 

3.3设计路线

根据要求，交通灯共有4种状态如图表。

该电路根据东西、南北方向的灯亮时间Te、Ts和Ty产生这些状态并对它们进行有序的控制。

系统模快中各电路模块的作用如下：

（1）状态译码及输出电路

将状态产生电路的输出状态信号A1A0译码为东西、南北方向6对交通灯的控制信号。

（2）时间预置电路

该电路根据4种不同的状态信号A1A0分别预置相应的灯亮时间数据Te、Ty、Ts和Ty，作为开始计时的初始值，改变这些初始值可实现信号灯点亮时间修改的功能。

（3）时间倒计时电路

该电路在秒信号作用下，对不同状态的灯亮时间Te、Ty、Ts和Ty分别进行减法计数循环，实现倒计时功能。

每当计时到00时，向状态产生电路发出计时结束信号。

（4）状态产生电路

该电路根据计时结束信号分别产生交通灯的4种不同状态信号A1A0。

（5）计时显示电路

采用数码管将灯亮时间Te、Ty、Ts和Ty进行实时显示。

根据状态变化系统框图如下所示

3.3.1组合逻辑电路的设计

由数据选择器、译码器和集成门等集成电路器件设计“交通灯控制电路”中的组合逻辑电路部分，即“状态译码电路”、“输出电路及其交通灯单元”、“时间预置电路”和“计时显示电路”。

具体要求如下：

（1）将状态信号译码为东西、南北方向6对交通灯的控制信号，实现正常时序控制功能；

（2）将东西方向、南北方向的灯亮时间分别用数码管显示；

（3）根据不同的状态信号分别预置相应的灯亮时间数据Te、Ty、Ts和Ty。

3.3.1.1状态译码电路、输出电路及其交通灯单元的设计

该电路的主要功能是依据不同的状态信号实现对交通灯的控制。

“状态译码电路”采用二进制译码器74LS138实现；“输出电路”采用集成逻辑门实现；“交通灯单元”采用普通的红色、绿色和黄色发光二极管。

状态译码电路AB

输出电路

交通灯单元

00

Y0与Y7

南北红+东西绿

01

Y1与Y6

南北红+东西黄

10

Y2与Y5

东西红+南北绿

11

Y3与Y4

东西红+南北黄

状态译码电路图

输出电路交通灯单元

3.3.1.2时间预制电路与计时显示电路的设计

（1）时间预制电路的主要功能是依据不同的状态信号输入相应的时间预置数据，从而确定交通灯的灯亮时间。

该电路采用集成数据选择器74LS153实现。

（2）计时显示电路是将将倒计时电路产生的输出经过七段译码管进行显示。

由于南北与东西两个方向时间并不同步，需要74LS153的预制功能对时间进行控制

状态AB

南北预置数

东西预置数

南北显示

东西显示

00

00110000

00100101

30

25

01

00000101

00000101

5

5

10

00100101

00110000

25

30

11

00000101

00000101

5

5

南北时间预置东西时间预置

南北显示电路东西显示电路

3.3.2时序逻辑电路的设计

由集成触发器、集成计数器等集成器件设计“交通灯控制电路”中的时序逻辑电路部分，即“状态产生电路”和“时间倒计时电路”。

具体要求如下：

（1）交通灯的不同状态转换时分别产生相应的状态信号；

（2）对交通灯不同状态的灯亮时间Te、Ty、Ts分别进行减法计数，实现倒计时功能；

3.3.2.1时间倒计时电路的设计

该电路在秒信号作用下，分别以不同状态的灯亮时间作为开始计时的初始值进行减法计数循环。

每当计时到00时，向“状态产生电路”发出计时结束信号。

改变这些初始值即可实现信号灯点亮时间修改的功能。

采用2片具有置数功能的集成十进制加/减可逆计数器74LS192组成时间倒计时电路。

东西倒计时电路南北倒计时电路

3.3.2.2秒信号产生电路的设计

利用555定时器构成秒为单位的多谐振荡器

T=T1+T2=（R1+2R2）C1Ln2=0.994ms≈1S

秒信号产生电路

3.3.2.3状态产生电路的设计

该电路的主要功能是根据实际交通灯的转换过程，产生相应的状态信号供其它电路使用。

根据设计要求，只有当倒计时时间结束时交通灯的状态才发生变化，故可将“时间倒计时电路”产生的计时结束信号作为状态变化的控制信号。

为此，将该信号作为计数器的时钟脉冲即可，计数器采用JK触发器。

每一次倒计时完成74LS192的TCD端会产生一次下降沿，又由于东西南北不同步，将两方向的用一与门组合起来，选择时间最先结束计时的一端作为状态改变信号。

状态产生电路

3.3.3综合设计的集成

3.4结果分析

整体运行过程即为，秒时钟信号开始计时，南北东西减数器DN端为1，计数器始电路首先进入00状态，南北方向红灯亮起，东西方向绿灯亮，东西方向绿灯25S倒计时结束，DN端产生下降沿信号，计数器始电路进入01状态，南北方向仍然红灯，东西方向绿灯熄灭，黄灯亮起，同时5S倒计时结束，DN端产生下降沿，计数器始电路进入10状态，南北红灯熄灭，绿灯亮起，东西黄灯熄灭，红灯亮起，南北方向绿灯25S倒计时结束，DN端产生下降沿信号，计数器始电路进入11状态，南北方向绿灯熄灭，黄灯亮起，东西方向仍为红灯。

以此为周期循环。

四．总结

一学期的学习生活已经过去了，在本学期中，我学到了很多，让我真正体会到了Proteus在日常生活中的作用，同时也是我学到的知识和实践得到了有机的结合。

使我们在书本上学到的知识得到了巩固。

通过这次红绿灯设计，本人在多方面都有所提高，综合运用本专业所学课程的理论知识和实际进行一次组合，巩固了课程所学的内容，掌握课课程设计的方法和步骤，同时也使课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

在这次操作过程中，体现出自己单独设计电路的能力以及综合运用知识的能力，体会到了学以致用、获得劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的孟洪兵老师.，老师一直是我的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次操作的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。

同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，才让我的进度得以按时完成，由于本人的操作能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教,我十分乐意接受您的批评与指正，谢谢。