简易交通灯控制电路的设计

xxxxxx大学
课程设计
简易交通灯控制电路的设计
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学生姓名
指导教师
xxxxxx大学
课程设计任务书
课程名称电子线路课程设计
课程设计题目简易交通灯控制电路的设计
课程设计的内容及要求：
一、设计说明与技术指标
1．东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间25s。

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15s。

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。

二、设计要求
1．在选择器件时，应考虑成本。

2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。

3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。

三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用multisim软件仿真。

2．进行实验数据处理和分析。

四、推荐参考资料
1. 童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：高等教育出版社，2006年
2. 阎石，数字电子技术（第五版）．[M]北京：高等教育出版社，2005.
3. 陈孝彬《555集成电路实用电路集》高等教育出版社2002-8
4. 王刚《TTL集成电路应用》机械工业出版社 2000-10
五、按照要求撰写课程设计报告
成绩评定表：
指导教师签字：
年月日
一、概述
本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路进行设计,使用交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,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。

因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来设计交通控制信号灯。

在实际情况下，一个十字路有一个主干道和一个支干道。

主干道的车流量较大，即要求主干道绿灯亮的时间长，支干道正好相反。

设A代表东西方向即主干道，B代表南北即支干道；R代表红灯亮，Y代表黄灯亮，G代表绿灯亮。

且设主、支干道红、黄、绿灯亮的四种状态分别由Q2、Q1的四种数值组合表示，时间设置如下（1代表灯亮，0代表灯灭）。

表1 四种状态表示亮灯颜色与时间
以设计要求为依据，本方案一共分为秒脉冲信号发生电路、计时电路、控制电路、计时显示电路、信号灯控制电路、紧急状态手动控制电路六大部分组成。

最终达到包括两组红黄绿灯（配合十字路口的双向指挥控制）、一组手动与自动控制开关（针对交通警察指挥交通控制使用）、倒计时显示器（显示允许通行或禁止通行时间）在内的最终设计目标。

二、方案论证
计数器的设计
方案一：
用74LS192直接构成减计数器，时钟脉冲上升沿到来时，在控制器的作用下置数后开始计数，计数器以减计数向显示译码器提供信号。

方案二：
定时器由与系统秒脉冲同步的计数器74LS161构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号作用下置数为反码，输出端接入非门后计数器实现计数和倒计时显示
的双重功能。

方案选择：
74LS192是双时钟同步16进制可逆计数器，用它进行减计数与数字显示倒计时相符合。

然而由于对74LS192不太熟悉，并且在最初提供的芯片中并没有74LS192，所以最终选择了74LS161芯片。

而且由于经常应用，因而使用起来较方便。

因而选择方案二。

所以最终确定的总体实验方案如下：
由555时钟信号发生电路产生稳定的“秒”脉冲信号。

用两片74LS161作为计数器分别作为高低位片，将其输出端通过非门与74LS47相连后，把74LS47输出端连到共阳极数码管上，实现倒计时；用一片74LS74即两个D触发器作为状态控制器，控制状态变量Q2Q1的变化，即实现变化：00-01-10-11；用两片计数器的C 进位端进行与运算后作为状态控制器的脉冲；利用状态控制器与计数器的输出对
计数器实现置数操作，从而实现模25，模15，模5的转换；状态控制器的输出Q2Q1连接至74LS138的两个地址输入端AB，第三个地址输入端C接地；六个灯按照不同状态分别与74LS18的前四个输出端连接。

总体设计方案框图如图1：
图1 总体设计方案框图
在此电路中，555时钟信号发生器产生一个以秒为单位的CLK脉冲，计数器74LS161接受CLK脉冲，实现同步计时。

通过非门连接计数器输出端与译码驱动电路，在数码管上显示倒计时。

将计数器的进位输出C取反用以控制其自身循环置数，对计数器的两片74LS161的输出C通过与门来作为红绿灯状态控制器74LS74的脉冲信号，由此，状态从00变至01，历时25s；从01至10，历时5s；从10至11，历时20s；再从11变至00，历时5s，依次循环。

状态不同，计数器置数和红
绿灯如何显示不同；计数器置数不同，则模值不同，状态改变时间也不同。

三、电路设计
秒脉冲信号发生器的设计
秒脉冲发生器的功能及组成元件
秒脉冲发生器用于产生周期为1秒的的矩形波脉冲，其主要由555芯片组成的多谐振荡器来实现。

秒脉冲发生器的工作原理
由555定时器构成的多谐振荡器如图3所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端和低电平触发端并接后接到R2和C的连接处，将放电端接到R1，R2的连接处。

由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压u u 为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出u u 为高电平，放电管VT截止。

这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压u u按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出u u为低电平，放电管VT导通，把u u从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间u1的长短与电容的充电时间有关。

充电时间常数
=(u1+u2)×u（1）
T
充
由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间u2的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数
=u2×u（2）
u
放
随着C的放电，u u下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出u u。

为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。

不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。

电路一旦起振后，u u电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。

图2为工作波形。

图2 多谐振荡器工作波形
图3 555构成的多谐振荡器原理图
秒脉冲发生器电路的元件参数计算
因为对于该电路有
T=u1+u2 (3)
u1=0.7(u1+u2)×u (4) u2=0.7×u2×u (5) T≈0.7(R1+2R2)×C (6)
若令C=10μf，R
1=43KΩ,那么R
2
=51KΩ。

则≈，对于信号灯来说精度足够。

秒
脉冲发生器电路如图4所示。

图4 555组成的秒脉冲发生电路
此电路为计时电路提供时钟信号CLK。

计时电路的设计
定时器的功能及其组件
计时器的功能是实现精确定时并驱动显示译码器实现倒计时输出，其电路组成元件有74LS161、74LS04（非门）、74LS08（二输入与门）、74LS86（异或门）。

图5 4位二进制同步加法计数器74LS161引脚排列图
74LS161是4位二进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。

74LS161的引脚图如图5所示，其功能表如表2所示。

图中，u u′是低电平有效的异步清零输入端，uu′是低电平有效的同步并行置数控制端，ET、EP是计数控制使能端，C是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q 3输出端。

表2 4位二进制同步加法计数器74LS161功能表
定时器电路工作原理
定时器工作原理图如图6所示。

图6 两片74LS161级联组成的定时器电路
两片74LS161之间采用并行连接，低位片的进位输出接入高位片的EP、ET使能端，高位片只有在低位片进位时才会进行计数或置数。

此电路输出后接入非门使其输出为反码，当计数器输出原码为1111即反码为0000时，进位输出端C输出高电平，进行非运算后变为低电平接入LD’进行置数，
并行输入端D
3D
2
D
1
D
的数据被置入计数器。

综上所述：高位片只有在高低位片
Q
A Q
B
Q
C
Q
D
输出都为1111时才会被置数，低位片Q
A
Q
B
Q
C
Q
D
为1111时高位片仅进行计数
运算。

若计数器分别输出25秒（S
0）、5秒（S
1
）、15秒（S
2
）、5秒（S
3
），四个状
态的计数信号，则需要系统的状态量Q
2Q
1
和74LS161的输出Q
A
Q
B
Q
C
Q
D
共同控制芯片
的置数端D
0D
1
D
2
D
3。

由表1可以列出两个计数芯片的状态转换表如表3所示。

表3 两片74LS161的置数状态转换表（*表示不进行置数操作）
由表3可以得出高位片：
u3=u2=1 (7)
u1=u1+u2 (8)
u0=u1+u2′ (9)
低位片：
u3=u0=Q u∙u u (10)
u2=u u′⨁u u′ (11)
u1=1 (12)
此电路的输出为计时显示电路的输入。

计时显示电路
计时显示电路包含74LS47显示译码器和共阳极二极管。

该电路将计时电路产生的倒计时数码进行可视化显示。

此电路中显示译码器与数码管的对应关系为74LS48驱动共阴极数码管，74LS47驱动共阳极数码管。

电路没有复杂逻辑关系，按照管脚关系认真连接即可。

计时显示电路如图7所示。

图7 计时显示电路原理图
控制器电路的设计
控制器的功能及组成元件
控制器的功能是按预定的状态循环控制着每个交通灯的亮和灭。

其电路由74LS168芯片和74LS74芯片来实现。

其中74LS138芯片为3线-8线译码器，用来
驱动译码电路。

74LS74芯片为边沿D 触发器，用来实现四个状态的循环。

控制器电路工作原理 如图8，为控制器状态图。

(Q2Q1/C)
图8 控制器状态图
总状态数M=4，所以取触发器数目为2，取自然二进制数的00∼11作为S 0∼S 3
的编码，得到状态转换表，如表4.
表4
选用
2个CLK 边沿触发的D 触发器，分别用FF 1、FF 2表示。

由于采用同步方案故时钟方程
CLK=clk 1=clk 2=C 1C 2 (13) 其中C 1C 2分别为两个74LS161的进位输出端。

表示电路次态/进位输出C 与电路现态关系的卡诺图如图9所示。

图9 电路次态/进位输出C 与现态关系的卡诺图
对图9拆分化简后可得出：
u2∗=u1⨁u2 (14)
u1∗=u1′ (15)
式（14）（15）为状态方程，比较D触发器的特性方程
u∗=u (16)
可得：
u2=u1⨁u2 (17)
u1=u1′ (18)
74LS138为3线-8线译码器，本系统中只有四个状态，所以将地址输入端高
位C接地，Q
2Q
1
分别接BA，此时输出Y
Y
1
Y
2
Y
3
分别表示S
S
1
S
2
S
3
四个状态。

控制电路为全系统提供状态转换信号。

原理图如图10。

图10 控制电路原理图
紧急状态手动控制电路的设计
考虑到实际中可能遇到紧急情况需要禁止整个十字路口通行，即四个方向全是红灯，而紧急状态结束后还能够继续正常运行，所以本系统设计了紧急状态手动控制开关。

此开关为单刀双掷开关，连接74LS138的G1片选端，和计时器的低位片的EP、ET使能端，这三个端口都是连接高电平时可以使芯片正常工作，连接低电平时则会使芯片禁止工作处于保持状态，所以可以使整个系统暂停工作，在这一端还要连接一个非门后接入用或门与红灯控制电路连接。

因此单刀双掷开关的另外两端分别接高电平和地，正常状态时长接高电平，紧急状态下接地使系统停止工作。

在非
门的控制下把低电平转化为高电平使红灯常亮。

其电路如图11所示
图11 紧急状态手动控制开关
信号灯控制电路的设计
信号灯控制电路接收控制电路的74LS138给出的四个状态信号分别按照设计要求控制不同的信号灯，对应控制关系如表5所示
表5 四种状态对应控制灯光
所以：
AG=Y 2 (19) AY=Y 3
(20) AR=Y 0+Y 1 (21) BG=Y 0 (22) BY=Y 1 (23) BR=Y 2+Y 3 (24)
可连接信号灯控制电路如图12所示。

由于74LS138输出低电平有效，所以接入非门装换为高电平后再连接如信号灯控制电路。

这里的或门中接入紧急状态手动开关的控制信号，使其可以在紧急状态74LS138被禁止的状况下提供红灯全亮信号。

图12 信号灯控制电路原理图
四、性能测试
秒脉冲发生电路的测试
将555芯片3脚输出端接入示波器得到秒脉冲波形，如图13所示。

图13 秒脉冲波形
此部分能够较为精确的输出秒脉冲信号，为整个系统提供时钟信号。

定时器与计时显示电路测试
计时显示电路可以显示出定时器的工作状态，所以一起进行测试。

在仿真和实物测试中可以都看到此部分电路可以实现设计功能。

完成有S 0（24∼0）,S 1（4∼0），S 2（14∼0）,S 3（4∼0）,四个状态的倒计时循环。

图14到图17为每个状态开始时的仿真截图。

图
14
S 0
状
态
开
始
时
仿
真
图
图15 S 1状态开始时仿真图
图16 S2状态开始时仿真图
图17 S3状态开始时仿真图
控制电路和信号灯控制电路测试
控制电路为整个系统提供状态信号Q
2Q
1
，信号灯控制电路接受控制电路信号后控制不
同颜色的灯亮灭。

图18为控制电路和信号灯控制电路的仿真逻辑分析图。

逻辑图由上到下分别表示Q
2、Q
1
、AG、AY、AR、BG、BY、BR。

Q 2Q
1
=00时，AR=BG=1，即东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮；
Q 2Q
1
=01时，AG=BY=1，即东西方向红灯亮，南北方向黄灯亮；
Q 2Q
1
=10时，AG=BR=1，即东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮；
Q 2Q
1
=11时，AY=BR=1，即东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮。

以上测试中证明控制电路和信号灯控制电路达到设计要求，能够完成整个系统的状态
控制和信号灯亮灭控制。

图18 控制电路和信号灯控制电路的仿真逻辑分析图
紧急状态手动控制开关测试
在紧急状态下按下控制开关可以使整个系统停止工作，并且所有红灯常亮，在紧急状态结束后关闭开关可以继续正常使用。

启动状态如图19。

图19 紧急开关打开示意图
在测试过程中不仅进行了仿真测试，也进行了实物测试，测试结果与仿真结果一致，实现了整个系统的所有功能。

图20为实物连接图。

图20 系统实物连接图
五、结论
该设计电路基本能满足交通信号灯控制器的设计要求，通过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，能够实现交通十字路口管理的自动化控制，并且能够在发生紧急情况时进行人工干预。

该电路设计相对来说比较简单，实用。

但设计中存在很多的不足之处，比如说该秒脉冲发生器的时间精度不够精确，假如采用晶振计时器来控制的话就会相当准确；在数码管显示为00时就会切换状态，虽然不影响整体计数时间，但是仍然不够完善。

这两周的电子线路课程设计期间，我遇到了平时从未有过的困难。

因为课程设计不是依靠某一方面的知识就可以完成的，而是对平时所学的理论知识的高度整合。

又因为自己所学的知识有限，要设计出此电路需要花费大量的时间去查找资料，虽然很是艰难，但经过几周的艰苦努力，终于还是完成了课程设计的任务。

特别是我们学习理论时学到的是TTL 电路中引脚悬空即为高电平，但是实物连接过程中出现了不少的问题，最后把所有悬空的引脚都接了高电平才解决这个问题。

在这个过程中我深刻理解了“理论联系实际”这句话的重要性。

通过此次课程设计，我学到了很多知识一方面，我掌握了常用元件的识别、使用和测试方法；如何化简电路提高电路的性能；以及电路的子功能和总体测试的方法等等。

另一方面，使我感悟最深的是数字电路设计需要的是深厚的知识功底和严谨认真的科学态度。

好的电路设计不仅要求正确，而且是最简单的，尽量在功能齐全的前提下减少所用器件的数量，这样不仅可以降低成本，而且可以增加系统的可靠性和稳定性。

特别是在实物连接过程中有最直接的感觉，减少元器件的数量可以使连接工作省却不少的麻烦。

参考文献
[1] 阎石，数字电子技术（第五版）．[M]北京：高等教育出版社，2005.
[2] 陈孝彬.555集成电路实用电路集》高等教育出版社2002-8
[3] 王刚.《TTL集成电路应用》机械工业出版社 2000-10
[4] 梁宗善. 电子技术基础课程设计[M]. 武汉：华中理工大学出版社
[5] 彭介华. 电子技术课程设计指导[M]. 北京：高等教育出版社
[6] 杨刚，周群主编. 电子系统设计与实践[M]. 北京：电子工业出版社，2005
[7] 华成英，童诗白主编.模拟电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社
[8] 张玉璞，李庆常.电子技术课程设计[M]. 北京：北京理工大学出版社
[9] 谢自美.电子电路设计、实验、测试（第二版）[M]. 武汉：华中科技大学出版社
[10] 孙梅生，李美莺，徐振英.电子技术基础课程设计[M].北京：高等教育出版社
附录I 总电路图
附录II 元器件清单。