交通信号灯控制电路的设计与仿真.docx
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交通信号灯控制电路的设计与仿真
1.引言
在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。
交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。
交通信号灯的设计涉及到模拟电子技术与数字电子技术。
其中，绝大部分是数字部分：
逻辑门电路、数字逻辑表达式、计算真值表与逻辑函数间的关系、分频器，计数器等基本原理。
交通信号灯的设计包含了计数器，十二进制数的概念。
交通信号灯的设计与制作不仅加深了对数字电路的了解，而且由于交通信号灯包括组合逻辑电路和时叙电路，进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法，为数字电路的制作提供思路。
本系统采用小规模集成电路构成交通信号灯控制电路的硬件电路，由555定时器产生秒脉冲，经过双D触发器构成的T’触发器进行分频产生四秒脉冲信号，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。
而十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。
最后用电路仿真软件Multisim绘制出交通信号灯控制电路的完整电路图，并对其各部分进行仿真、调试。
2.交通信号灯概述
交通信号灯的逻辑框图如图2-1所示。
它由555集成芯片构成的振荡电路产生秒脉冲、分频器、十二进制计数器、组合逻辑电路、LED灯和直流电源组成。
555集成芯片构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为四秒脉冲，四秒脉冲送入计数器，计数结果通过逻辑电路的与或非的变换从而使南北向和东西向的红黄绿灯按着要求变化。
图2-1交通信号灯的逻辑框图
3.基本设计内容及要求
3.1信号灯白天工作要求
某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。
在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。
如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：
1：
6。
从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：
如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。
信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。
3.2夜间工作方式
南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。
其它灯不亮。
要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。
图3-1信号指示灯白天点亮流程图
3.3设计要求
要求根据设计要求实现交通灯的现实功能；
用Multisim进行仿真
设计说明书；
4.单元模块
4.1电源模块
信号灯采用三极管9031驱动，其额定电流与额定电压应满足三级管的驱动能力，电源电压采用直流5V，通过变压器将市电降压到交流9V，在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流5V电压。
直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。
故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要。
作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。
本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。
因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。
直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。
直流稳压电源原理图如图4-1所示：
图4-1直流稳压电源的原理图
4.2秒脉冲发生模块
双极型555定时器由电阻分压器、比较器、基本RS触发器、双极型三极管T和输出缓冲器组成，其外部有八个引脚，第8脚为电源端，第1脚为接地端，第3脚为输出端，第4脚为直接复位端，第5脚为控制电压输入端，第6脚为复位控制端，第2脚为置位控制端，第7脚为放电端。
如图4-2所示为555定时器引脚图：
图4-2所示为555定时器引脚图
如图4-2所示为555定时器组成的多谐震荡器原理图：
图4-3多谐振荡器原理图
由555定时器组成的多谢震荡器的周期公式为：
T=（R1+2R2）CLn2=0.7（R1+2R2）C,电源电压Vcc=+5,其中电路图中C2的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01uF的瓷片电容。
再次要求输出T=1s，选用电容为C1=1uF，R1=560KΩ，根据振荡周期计算，选择电阻R2=434KΩ。
根据原理图连接电路图如图4-3所示
图4-4555多谢震荡器的连线图
图
.
4.3十二进制计数设计
由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为5：
1：
6），因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。
因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LS164。
74LS164是具有异步清0、计数、保持等功能的8位串入并出移位寄存器，图4-4为其引脚排列和逻辑符号。
图4-574LS164引脚图
如表4-1所示为74LS164功能表：
表4-174LS164功能表
输入
输出
清零
时钟
串入
RD′
CP
AB
QA
QB
QC
QD
QE
QF
QG
QH
L
×
××
L
L
L
L
L
L
L
L
H
L
××
QAO
QBO
QCO
QDO
QEO
QFO
QGO
QHO
H
↑
HH
H
QAn
QBn
QCn
QDn
QEn
QFn
QGn
H
↑
L×
L
QAn
QBn
QCn
QDn
QEn
QFn
QGn
H
↑
×L
L
QAn
QBn
QCn
QDn
QEn
QFn
QGn
应用电路：
用74LS164组成的12进制扭环型计数器电路，其电路图如图4-5所示。
图4-6扭环型计数器电路图
4.4分频器电路的设计
十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。
为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。
秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。
本次课程设计使用两个D触发器组成4分频器电路。
图4-7四分频的电路原理图
图4-874LS74引脚排列和逻辑符号
表.4-2D触发器逻辑功能表
CP
D
Qn+1
0
X
Qn
1
0
0
1
1
1
4.5控制显示电路
逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮（一般经驱动电路去控制信号灯）。
根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。
夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。
组合逻辑电路的真值表如表4-3所示：
表4-3逻辑功能真值表
计数器输出
南北信号
东西信号
QA
QB
QC
QD
QE
QF
NSG
NSY
NSR
EWG
EWY
EWR
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
5.交通信号灯控制电路的仿真与调试
5.1仿真软件简介
NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。
借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。
与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。
有如下特点：
通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路；
通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为；
借助高级电路分析,理解基本设计特征；
通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试；
通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短研发时间。
5.2电路的仿真
按照原理图逐部分仿真，首先进行555定时器的仿真，仿真图如图5-1所示。
图5-1仿真图
5.3交通信号灯控制的实现
1、交通信号灯控制的完整电路图见仿真图
5.4调试方法
1.首先调试电源使220V交流通过变压器降压到交流9V。
再通过整流、滤波、稳压电路输出+5V直流电压。
2．调试555定时器。
用示波器观察555定时器输出波形，确定555定时器是否正常工作，振荡周期是否是1S。
调节电位器R1，使555定时器产生周期为1S的方波信号。
3.调试四分频器。
用示波器观察分频器输出波形，确定信号周期是否是4S。
4.整体调试。
各部分电路连接起来，观察交通控制灯白天和晚上灯亮的情况是否符合设计要求。
5.5调试中出现的问题及解决方法
1.变压器匝数比调节使副边电压降到9V.
2.秒位进位不正常，测试波形时周期不稳，占空比也不稳，但大致不变。
3.四分频两个D触发器之间连接有误。
6.总结
通过本次课程设计,我明白了一个道理:
无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风.我这课程设计由于我采用的是数字电路来实现的,所以电路较复杂,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多种设计方法.
时间很紧，这一周又在忙碌中过去了，经过一周的数电课程设计，我从原先看见电路图就一头雾水到现在能够设计复杂的数字钟电路，并且能够实现电路的仿真与实物板的制作与调试，之间的巨大变化着实令人吃惊。
但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题，正是在解决问题的期间我才慢慢地熟悉了数字电子技术基础的基础知识，才慢慢学会了如何去按照给定的要求设计出合适的电路，作出电路的实物并对电路进行调试。
本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计，本次设计不仅要求我们要掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对数字钟的各个组成部分的原理，包括振荡器的原理、计数器的原理、译码驱动原理都有深刻的理解和掌握，本次课程设计最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有一定的动手能力，能够根据电路图买到我们所需的原件，绘制出仿真电路并调试。
在课设过程中我遇到很多问题，原因有很多比如如何安装软件、调试过程中遇到的问题都不尽相同，但是通过问老师与同学交流都迎刃而解。
虽然我现在已经初步学会了如何设计符合要求的交通信号灯，但是离真正能够利用已学的数电知识自由设计使用电路的还有一段的距离。
课设的这段时间我确实受益匪浅，不仅是因为它发生在特别的实践，更重要的是我的专业知识又有了很大的进步，因为进步总是让人快乐的。
参考文献
[1]阎石主编．数字电子技术基础（第五版）．北京：
高等教育出版社，2009
[2]multisim10应用教程.韩力.电子工业出版社，2008
附录
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