十字路口交通灯课程设计论文

前言
数字电子技术基础是高等学校弱电类各专业的一门重要的技术基础课程。

这门课程发展迅速、实用性和应用性强，侧重于逻辑行为的认知和验证。

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。

人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。

城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

同时也随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。

然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。

而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。

所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。

为此，本次设计完成的就是交通灯设计。

以下就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。

一交通灯的组成
交通灯控制系统的原理框图如图1所示。

它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。

秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。

图中：
TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。

定时时间到，TL=1，否则，TL=0。

TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。

定时时间到，TY=1，否则，TY= 0。

ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。

由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

图1交通灯控制系统原理框图
一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下：
（1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。

表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。

绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。

（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。

表示甲车道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，乙车道禁止通行。

黄灯亮足规定时
间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

（3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。

表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。

表示甲车道禁止通行，乙车
道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。

黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。

交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。

设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示
表1 控制器工作状态及其功能
控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。

为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：
AG=1：甲车道绿灯亮；
BG=1：乙车道绿灯亮；
AY=1：甲车道黄灯亮；
BY=1：乙车道黄灯亮；
A R=1：甲车道红灯亮；
BY=1：乙车道红灯亮；
二单元电路的设计
1 秒脉冲发生器
脉冲信号发生器用的是555定时器构成多谐震荡器，震荡频率为：
f=1.43/(R1+2R2)C
电路图如下图示：
图2 秒脉冲产生器
2 定时器
定时器由与系统秒脉冲（由上面时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。

计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。

74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。

74LS163的外引线排列图和时序波形图如图下图所示，其功能表如下表所示。

74LS163的外引线排列图
74LS163时序波形图表2 74LS163功能表
定时器电路图如下图3所示：
图3 定时器电路图
3 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。

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Q1 n+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，下表3为控制器状态转换表，同时表中还列出了状态转换信号ST。

表3 控制器状态转换表
根据表3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：
根据以上方程，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（Q1n、Q0n）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。

控制器的逻辑图如图4所示。

图中R、
C构成上电复位路。

图4控制器逻辑图
4 译码器交通信号灯
译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。

控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表4所示。

表4 控制器状态编码与信号灯关系表
由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CP脉冲，一部分送给了定时器的74LS163芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。

在脉冲ST同时加到定时器74LS163芯片的情况下，通过芯片74LS00将会输出TY。

T/Y/；TL。

T/L/。

即TY和T/Y/放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和T/L/放大的结果是秒脉冲的25倍。

前者输出的信号是后者的1/5。

将定时器输出的TY。

T/Y/；TL。

T/L/分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CP脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。

控制器中的信号在送给由芯片74LS00组成的译码器后再通过电路中的指示灯和100欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。

图5 译码器、交通灯部分逻辑图
三产品仿真制作
实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。

这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。

然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。

因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。

利用protel按照原理图制作出仿真原理图，然后进行仿真。

四调试检查
电子安装完毕，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。

其检查内容包括：
（1）连线是否正确
检查的方法通常有两种方法：
a.按照电路图检查安装的线路
这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。

按照实际线路来对照原理图电路进行查线
这是一种以元件为中心进行查线的方法。

把每个元件引脚的线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，
还容易查出多线。

为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。

元器件的安装情况
检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。

调试方法与原则
通电观察
把经过准确测量的电源接入电路。

观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。

下一步对电路参数提出合理的修正。

调试中注意的事项
为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。

为此，需注意以下几点：
（1）正确使用测量仪器的接地端
（2）测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。

因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。

（3）仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。

要正确选择测量点。

（4）用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。

（5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。

记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。

只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。

（6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。

因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。

我
们应该认真检查.
调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。

对于本交通灯来说，只要不出现异常的现象，一般不需要调试，直接进行测量。

测试电路中线路是否接通
同上用万用表的欧姆档，测试每一组的连通的线，将两表笔接到被测的一组线的起始线和末端线的两端，看电阻是否为零，如果是零，则证明是通的；如果是无穷大，则证明中间有线是短开的，则要一根一根的检查该组的没一根线，直到查出为止。

通电后的测试
（1）测试电源
用万用表的直流电压档，测试输入电源的电压，看是否达到额定电压（本产品为+5V），如果不是，则换电源。

（2）测试芯片的电源输入端
同上用万用表的直流电压档，测试芯片的接地端与接电源端的点呀，看是否达到芯片的额定电压（本产品所用的芯片都是+5V），如果不是，则检查其线路是否接错。

五元器件清单
集成电路 74LS74 1片
74LS10 1片
74LS09 1片
74LS153 2片
74LS163 3片
74LS00 1片
74LS04 1片
N555 1片
芯片座若干
电容 10μF , 0.01μF , 1μF , 0.1μF 各一支
电阻 47KΩ两个 1KΩ一个
发光二极管 6 个
PCB板一块
六总结体会
通过此次课程设计让我对自己的学习情况有了更为深刻的认识和了解，发现自己不知道的比想象中的要多，很多原本以为自己知道的只是原来是很模糊的，因此对于学习还需要加强力度。

同时这次课程设计也检验了我们的动手能力，我们所学习的只是需要在实践中进行检验，以此来判断自己对于知识的掌握程度，一边加深和改善今后的学习。

动手能力是非常重要的，而在这一方面恰好是我很欠缺的，通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。

由于我们此次的课程设计需要的元器件比较多，所以在布线时采用了自动布线，有些线路就显得凌乱，究其原因还是PROTEL学习得不够深入。

七. 参考文献
1 《数字电子技术基本教程》（阎石主编），清华大学出版社，2006出版
2《数字电子电路》（阎石主编），中央广播电视大学出版社，1993年出版
3 《电子技术基础》（康光华主编），高等教育出版社，1999年出版
4 《数字电路逻辑设计》（王毓银主编），高等教育出版社，1999年出版
5 《《Protel 99SE 实用教程》（张伟主编）,人民邮电出版社，2208年出版
四川师范大学成都学院电子工程系
课程设计考核表。