十字路口交通灯

河南机电高等专科学校电气工程系
微控制器技术课程
设计报告
设计题目：十字路口交通灯
专业：电力系统自动化
班级：电力112班
学号：
姓名：
指导教师：
设计时间：2013.10.21---2013.10.27
微控制器技术课程设计任务书
设计题目：十字路口交通灯
设计时间：2013.10.21---2013.10.27
设计任务：
1．东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s。

2．东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s。

3．南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l0s。

4．如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮，禁止该道路的车辆通行，特殊情况过后能恢复正常。

背景资料：1、单片机原理与应用
2、检测技术
3、计算机原理与接口技术
进度安排：
1、第一天，领取题目，熟悉设计内容，分解设计步骤和任务；
2、第2-3天，规划设计软硬件，编制程序流程、绘制硬件电路。

3、第4-6天，动手制作硬件电路，或编写软件，并调试。

4、第7天，中期检查。

5、第9-10天，完善为完成内容，书写设计报告。

6、第11天，提交设计报告，整理设计实物，等待答辩。

7、第12天，设计答辩。

题目：十字路口交通灯
一、设计目的
掌握译码器、十进制加/减计数器的逻辑功能和工作原理，设计可预置时间的定时电路；分析与设计时序控制电路。

画出十字路口交通灯整机逻辑电路图，掌握十字路口交通灯工作原理及其设计方法，并对各种元器件的功能和应用有所了解。

并能对其在电路中的作用进行分析。

另外还要掌握电路原理和分析电路设计流程，每个电路的设计都要有完整的设计流程。

这样才能在分析电路是有良好的思路，便于查找出错的原因。

二、设计要求
1．东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s。

2．东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s。

3．南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l0s。

4．如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮，禁止该道路的车辆通行，特殊情况过后能恢复正常。

5. 初步掌握对电子线路安装与调试使用方法。

三、方案设计与论证
根据设计任务与要求,我们可以知道这个交通灯的设计是分主次干道的,两个方面的时间是不同的,东西方向通行15s,南北方向10s,这就要求我们要有两个计数器,根据我自己的经验,东西方向通行15s完,倒计时数字显示器会显示到0,然后切换到南北方向通行10s完之后, 倒计时数字显示器也会显示到0之后然后切换到南北方向,这样如此循环,这样的话我们就要设计一个16进制和一个11进制的计数器,根据我们所学和知识,可以用两片74192芯片来构成对应进制的计数器,由于是15和10之间循环切换,我们可以用利用JK触发器的翻转功能来实现两种进制计数器之间的切换;当然还有每个方向倒计时只有5s时,黄灯闪,一直到0为止,由于黄灯是当两个计数器倒计时到5时开始闪,我们就可以在这时发出一个脉冲然后一直保持到0,或者是接收0~5这段时间的脉冲都可以控黄灯只在到了这段时间才亮;还有就是一个紧急开关,我们可以控制在出现紧急情况时使用清零端使之清零,并且红灯
直接接到电源,使之一直处于亮的状态。

方案一：
交通灯控制原理图:
图1 交通灯控制原理图
1)正常运行时
倒计数首先倒计时预置数,通过秒脉冲源给器发送秒脉冲,倒计时器开
始倒计时,驱动时间显示器显示,并且交通灯也正常运行,当倒计时器计到5s 时,我们当然同时可以在时间显示器上看到,这时倒计时器驱动黄灯控制器,使正在亮绿灯方向的黄灯闪烁,当倒计时器计到0时,驱动计数进制转换器,使倒计时器预置为另一个进制,并同时控制和改变交通灯的显示,其实就是计数进制转换器既可以完成进制转换,也同时充当了交通灯的转换功能.如此往复循环.
2)紧急情况时
当按下紧急开关时,倒计时器一直处于清零状态,车辆通行的交通灯四个
方向的红灯同时亮起.并且在出现紧急情况后恢复正常时通过紧急开关可以切换哪个方向先通行.
方案二.555定时器计时交通灯驱动
倒计时
计数器 计数进制转换器
黄灯控
制器
交通显示灯 时间显
示 器 紧急开关 秒脉冲
1）正常运行时
由555定时器计时,驱动交通灯选择器控制交通灯的显示,当一个方向的计数完成之后会产生一个脉冲,给通道选择器, 然后通道选择器驱动计
数进制转换器转换到另一个进制,由计数进制转换器预置555定时器的定
时时间,然后再驱动交通灯选择器控制交通灯的显示,如此往复,其中555定
时器是由电阻和电容来控制定时时间,其中的计数进制转换器就可用一个
数据分配器74138来选择所需电阻的大小来控制,通道择器就可用两个JK
触发器构成一个四进制的计数器,其中两个输出端就可以来作为计数进制
转换器74138的输入,并且这两个输出端还可作为交通灯选择器74138的输
入
2) 紧急情况时
当按下紧急开关时,使交通灯选择器的使能端为0,各个方向的红灯直接接到电源,这样可以使车辆通行的交通灯四个方向的红灯同时亮起.
选择:
通过这两个方案的对比,由第二个方案用的是555定时器来计时,所以无法显示倒计时的时间, 并且在出现紧急情况后恢复正常时也不能通过紧急开关切换哪个方向先通行.我觉得第一个方案更符合我们的实际要求,所以我选择了第一个方案.
四、设计原理和电路图如下
1.倒计时计数器
这里是采用两片74192两片芯片构成16和11进制计数器,控制个位数字的74192的减计数控制端接1HZ的脉冲输入,其中输入端A、C是接在一起并接在进制控制器的输出端。

其中两个74192的置数端是由控制十位数字的74192一个高位输出端QD通过一个非门接过来的，并且低位输入端A接高电平，控制十位数字的74192的减计数控制端接控制个位数字的74192的借位输出端BO。

两个74192的清零端都接在紧急开关的一端。

如下图：
图2 倒计时图
2.信号灯转换电路（计数进制转换器）
信号灯转换器其实就是由计数进制转换器来实现，即一个JK触发器，其中J、K端都同时接高电平，即构成了一个T’触发器，目的就是实现翻转功能，其时钟输入端是由倒计时计数器中的两片74192的八个输出端经过一个或门
然后经过一个非门接入。

如下图：
图3 信号转换电路图
3.交通灯显示电路
一个方向的红灯由信号灯转换电路的反向输出端~Q和一个紧急开关的输
出端经过一个或门接入,黄灯是由信号灯转换电路的正向输出端Q和一个紧急
开关的输出端经过一个非门以及一个黄灯控制电路的输出端经过一个1HZ的
脉冲源,这三个输出端再经过一个与门接入,绿灯由信号灯转换电路的正向输出
端Q和一个紧急开关的输出端经过一个非门,这两个输出端再经过一个与门接
入;另一个方向的红灯由信号灯转换电路的正向输出端Q和一个紧急开关的输
出端经过一个或门接入,黄灯是由信号灯转换电路的反向输出端~Q和一个紧急
开关的输出端经过一个非门以及一个黄灯控制电路的输出端经过一个1HZ的
脉冲源,这三个输出端再经过一个与门接入,绿灯由信号灯转换电路的反向输出
端~Q和一个紧急开关的输出端经过一个非门,这两个输出端再经过一个与门接
入.其中还加入一人行道的信号灯,这些灯的接法就是红灯接在相邻车辆信号灯的绿灯上,绿灯接在相邻车辆信号灯的红灯上即可,也就是该方向上的车辆通行,人行道就禁通行,反之,人行道通行.如下图:
图4 交通灯显示电路图
4.控制器
控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。

从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表所示。

选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1＝00状态时，如果TL＝0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝01状态。

这两种情况与条件TY无关，所以用无关项"X"表示。

其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。

控制器状态转换表
根据表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1、Q0n+1和 ST 为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中"1"用原变量表示，"0"用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：
以上三个逻辑函数可用多种方法实现，本设计选用四选一数据选择器74LS153来实现，这种实现方法比较简单。

触发器采用双D触发器74LS74，设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将TY、TL看作输入信号，按照由数据选择器实现逻辑函数的方法实现以上三个逻辑函数，由此得到控制器的原理图，如图3所示。

选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到
74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。

图中R、C构成上电复位电路，保证触发器的初始状态为0，触发器的时钟输入端输入1Hz秒脉冲。

6.紧急开关
该开关这里用的是单刀双掷开关,一端就是接入每个交通灯,直接接红灯,其它灯是经过了一个非门接入,该端还接入到倒计时计数器两片74192的清零端.另一端是不起作用,其实也可以用一个单刀单掷开关,该开关不仅能够在发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。

在处理完紧急事件后,第一次开始进入正常运行状态时还可以通过它控制切换选择哪个方向开始先通行。

7.脉冲发生器
如上图所示，R6和C2组成一个串联的充放电电路，在NE555的7引脚上输出一个方波信号C2上得到一个三角波，此三角波送到NE555的2脚输入端。

由NE555的内部比较器和门电路共同作用，以维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。

五、软件设计
1）．设计、组装译码器电路，其输出接A、B车道上的6只信号灯（实验时用发光二极管代替），验证电路的逻辑功能。

2）．设计、组装秒脉冲产生电路。

3）．组装、调试定时电路。

当CP信号为1Hz正方波时，画出CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL．、TY的波形，并注意它们之间一的时序关系。

4）．组装、调试控制器电路。

5）．完成交通灯控制电路的联调，并测试其功能。

实验结果：
设A、B通道各有红绿黄三只灯，交通灯显示情况：
（ 1 ）A车道绿灯，B车道红灯；
（ 2 ）A车道红灯，B车道绿灯；
（ 3 ）A车道黄灯，B车道红灯；
（ 4 ）A车道红灯，B车道黄灯；
（ 1 ）→ （ 3 ）→（ 2 ）→（ 4 ）→ （ 1 ）。

其中（1 ）、（ 2 ）持续25 秒，（ 3 ）、（ 4 ）持续 5 秒。

六、调试
电路由555定时器组成多谐振荡器，作为电路是脉冲源。

74LS192组成计数电路，74LS138组成译码电路对计数电路的脉冲进行译码输出，驱动东西和南北方向的发光二极管亮、灭。

东西和南北方向的发光二极管的接法根据各个方向的不同颜色的灯亮灭顺序设计。

以东西方向为例，上电应该是红灯亮、黄灯亮、绿灯亮、红灯亮，依次循环；南北方向与此相反。

因此，按照上述的顺序，计数电路应该构成4进制计数电路，从74LS138的Y3引出反馈信号线到74LS161的MR端，当计数到3时则重新开始计数。

东西方向的黄灯、南北方向的黄灯接在74LS138的Y0输出端；东西方向的红灯、南北方向的绿灯接在74LS138的Y1输出端，东西方向的绿灯、南北方向的红灯接在74LS138的Y2输出端。

七、设计总结
这次设计所用到的芯片基本上都是电子技术基础课程中所学过的，因此遇到的困难不是很多。

但如果涉及到未学过芯片，这时就要考察我们收集资料的能力，现在大、中规模的芯片很多，我们不可能把每个芯片的管脚都记住，但是解读芯片功能的方法是一样的，要综合分析它的功能表和输入输出的逻辑关系式，同时还要注意有的芯片的使能端，可以作为扩展端，这是我学习用芯片的一点体会。

在这次课程设计中，我学会了如何有效的利用网络资源及图书馆的藏书，找到了几个很不错的专业网站，为以后的查阅专业方面的信息和相互之间的交流打下了坚实的基础，学会了如何看电路图，识别电路图，提高了自己的专业技能，同时也培养了自己独立解决实际问题的能力，也培养了自己认真和严谨的科学态度，收到了很大的启发，为以后的工作积累了些宝贵的经验。

八、参考文献
[1]《现代电子学及应用》，童诗白、徐振英编，高等教育出版社，1994年
[2]《电子系统设计》，何小艇等编，浙江大学出版社，2000年
[3]《集成电子基础教程》，郑家龙、王小海、章安元编，高教出版社，2002年5月
[4]《电子技术课程设计指导》彭介华编，高等教育出版社，1997年10月
[5]《数字电子技术》童诗白编著高等教育出版社2001年
[6]百度网站
[7]电子芯片质料网
附录：总体电路
- 11 - 11。