数字电子技术课程设计——交通灯控制电路设计与仿真

电子技术课程设计报告——交通灯控制电路设计与仿真上海大学机自学院自动化系电气工程及其自动化专业姓名:楼雨学号:13122553指导老师:徐昱琳2015年6月26日目录一、课程设计名称 (3)二、课程设计目的 (3)三、课程设计用途 (3)四、主要技术指标 (3)五、电路设计步骤 (4)5.1 交通灯逻辑功能分析 (4)5.2 交通灯系统框图及方案特点 (5)5.3 交通灯电路设计 (6)5.3.1秒脉冲信号发生单元 (6)5.3.2 计时电路 (9)5.3.3 控制电路 (11)5.3.4 显示电路 (14)六、总电路图 (15)七、仿真结果 (15)八、课程小结 (17)电子技术课程设计报告（数字部分）一、课程设计名称交通灯控制电路设计与仿真二、课程设计目的1.巩固和加深对本课程基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。

2.培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册和文献资料的能力。

3.学会对实际电路方案进行分析比较、计算，选取元件、软件调试等环节的实施方法。

4.学会运用仪器设备，寻找故障，从中分析解决办法，以使测试电路装置达到技术指标。

5.学会按设计任务书的要求，编写设计说明书三、课程设计用途在十字路口，四面都悬挂着红、黄、绿三色交通信号灯，它是不出声的“交通警察”。

红绿灯是国际统一的交通信号灯。

红灯是停止信号，绿灯是通行信号。

交叉路口，几个方向来的车都汇集在这儿，有的要直行，有的要拐弯，到底让谁先走，这就是要听从红绿灯指挥。

红灯亮，禁止直行或左转弯，在不碍行人和车辆情况下，允许车辆右转弯；绿灯亮，准许车辆直行或转弯；黄灯亮，停在路口停止线或人行横道线以内，已经继续通行；黄灯闪烁时，警告车辆注意安全。

本次设计任务就是基于Multisim软件仿真平台的交通灯控制电路设计与仿真。

四、主要技术指标①一般情况下，保持主干道畅通，主干道路灯亮、支干道红灯亮，并且主干道灯亮的时间不少于60 S；②当主干道绿灯亮超过60 S，且支干道有车时，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，但支干道绿灯亮的时间不得超过30S；③每次主干道或支干道绿灯亮变红灯时，黄灯先亮5S。

五、电路设计步骤5.1 交通灯逻辑功能分析图1十字路口的平面位置示意图上图表示位于主干道和支干道的十字路口交通灯系统，支干道两边安装传感器S，要求优先保证主干道的畅通。

平时处于主干道绿灯、支干道红灯的状态。

当支干道有车时，传感器发出信号S=1，主干道绿灯先转换成黄灯、再变成红灯，支干道由红灯变成绿灯。

图1是一个典型的十字路口的平面位置示意图：有主干道和支干道两条道路，每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯。

主干道与支干道上的车辆交替运行，主干道上的车辆比较多，因此主干道的车辆通行时间长，支干道上的车辆少，因此支干道的车辆通行时间短。

主干道通行时，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，时间为60 s；支干道通行时，主干道绿灯亮，主干道红灯亮，时间为30 s。

每次绿灯变红时，黄灯先闪烁5 s。

此时另一路口的红灯不变。

基于以上规则设计的交通控制器控制十字路口两组红、黄、绿交通信号灯的状态转换，可以方便地实现指挥各种车辆和行人通行实现十字路通管理的自动化。

结合上述描述可得一下四种情况：图2 主干道绿灯，支干道红灯S0图3 主干道黄灯，支干道绿灯S1图4 主干道红灯，支干道绿灯S2图5 主干道红灯，支干道黄灯S3由题意可得，①一般情况下，保持主干道畅通，主干道路铝灯亮、支干道红灯亮（图2），并且主干道灯亮的时间不少于60 S；②当主干道绿灯亮超过60 S，且支干道有车时，支干道维持红灯亮，主干道黄灯亮（图3），持续5S；③S1状态结束后，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，但支干道绿灯亮的时间不得超过30S；④S2状态结束后，支干道黄灯亮，主干道维持红灯亮，持续5S后再返回S0状况循环。

5.2 交通灯系统框图及方案特点交通灯控制系统的实现方案有很多，但一般而言，整个系统需要由以下几个模块构成：状态控制单元、状态译码单元、秒脉冲信号发生单元、译码单元以及控制状态控制单元的可预置减法计数器等，而且还需要置数控制单元。

这个系统由控制器和处理器组成，控制器接收外部系统时钟和传感器信号。

处理器由定时器和译码显示器组成。

定时器能向控制器发出60 s 、30 s 或5 s 定时信号，译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号。

根据题目要求画出系统框图：图6 交通灯系统框图TL ：主干道绿灯亮的最短时间间隔，不少于60 s 。

TS ：支干道绿灯亮的最长时间间隔，不多于30 s 。

TY ：主干道或支干道黄灯亮的时间间隔，为5 s 。

本方案特点鲜明：交通灯智能化，用智能来提升生活品质。

5.3 交通灯电路设计5.3.1秒脉冲信号发生单元555v V 2 3 V 1 3 v电路第一暂态，输出为1。

电容充电，电路转换到第二暂态，输出为0。

电路第二暂稳态，电容放电，电路转换到第一暂态。

事实上，在Multisim平台中，可自动生成频率、幅度已知的信号，如下图所示。

图7 100HZ时钟信号分频电路设计：74LS192是同步可拟计数器，具有双时钟输入、清除和指数等功能，其引脚图及功能表如下。

74LS192是同步十进制计数器，将它们级联可构成同步一百进制计数器。

图8 74LS192表1 74LS192功能表CLR是清零端，LOAD 是置数控制端。

用2片74LSl92可以构成二级十分频器，将100 Hz矩形波100分频得到1 Hz的时钟脉冲、通过20分频得到5 Hz的时钟脉冲。

100分频和20分频电路如图9所示。

图9 100分频和20分频电路5.3.2 计时电路五分频电路：74LS90计数器是一种中规模二一五进制计数器，管脚如右图，功能表如下所示。

表2 74LS90功能表74LS90具有如下的五种基本工作方式：（1）五分频：即由FD、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。

（2）十分频（8421码）：将QA与CK2联接，可构成8421码十分频电路。

（3）六分频：在十分频（8421码）的基础上，将QB端接R1，QC端接R2。

其计数顺序为000～101，当第六个脉冲作用后，出现状态QCQBQA=110，利用QBQC=11反馈到R1和R2的方式使电路置“0”。

（4）九分频：QA→R1、QD→R2，构成原理同六分频。

（5）十分频（5421码）：将五进制计数器的输出端QD接二进制计数器的脉冲输入端CK1，即可构成5421码十分频工作方式。

此外，据功能表可知，构成上述五种工作方式时，S1、S2端最少应有一端接地；构成五分频和十分频时，R1、R2端亦必须有一端接地。

六/十二分频电路：该设计中，六分频电路由一个三分频电路和两个D触发器构成，其中三分频电路由两个D触发器构成。

三分频电路的设计：表3 三分频器状态转换表选用两个JK 触发器，采用同步时序。

二分频电路：采用D 触发器，Q 2n+1=Q 2n ，采用异步时序。

计时电路总图如下：计时电路的输出如下页图所示，其中T 红=5S ，T 黄=15S ，T 绿=30S ，T 蓝=60S 。

5.3.3 控制电路如上所述，交通灯共有4种工作状态，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、10、11，并分别用表示，则控制器的工作状态及功能如表1、2所示，控制器应送出主、支干道红、黄、绿灯的控制信号。

控制器有4个状态。

因此选用两个D触发器FF1和FF0，每个触发器的输入函数用数据选择器选择，所以数据选择器的数目等于触发器的数目。

考虑到控制信号与输入变量的关系，也需要用一个数据选择器。

TL 与TY 是状态转换的条件。

所以可作出下面的转换图：双4选1数据选择器74LS15即在一块集成芯片上有两个4选1数据选择器。

其引脚排列及逻辑符号如下所示：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。

BA＝00 则选择CO数据到输出端，即Y＝C0。

BA＝01 则选择C1数据到输出端，即Y＝C1，其余类推。

其功能表如下：控制电路部分的电路图如下：5.3.4 显示电路显示部分电路较为简洁，只需在主干道与支干道上各装上红、黄、绿灯即可。

六、总电路图以下是交通灯的总电路图：各模块的详细电路已在上文介绍，不再赘述。

七、仿真结果S0状态S1状态S2状态S3状态八、课程小结当我开始写课程小结时，感觉终于可以松一口气了。

两个星期的电子课程设计让我深深的感受到了课本知识与实际应用间遥远的距离。

最初开始设计时，从信心满满地笃定心思设计交通灯，到设计许久却迟迟没有进展后换成数字钟，再到满世界搜索晶振的振荡电路图，被告知无法仿真只能做实物，最后再下定决心好好研究交通灯。

在这个过程中，遇到了相当多的麻烦，以下列举几个，也算是对自己进步的鼓励。

1.不会接管脚刚开始使用芯片时，不知道芯片的功能，无法确定哪些管脚需要接，哪些不需要，也不知道该接什么。

上网搜索资料之后发现说法各不相同，芯片的画法也有很大的区别。

最后搜索了它的应用电路图，自己在Multisim里搭建相同的电路，用示波器慢慢地探索规律，明知芯片的用法。

2.不会区分××进制计数器与分频器的区别最初使用74LS161时，想把它做成一个100分频器，查阅书本后发现可以使用两片74LS161级联来构成100进制计数器，0000 0000~0110 0011可构成M100的计数器，于是连接如下电路：观察示波器后，输出一直都为高电平：仔细思考后，发现RCO输出的是进位信号，这个信号只是在某一瞬间为高电平，其余都为低电平，因此加上非门后观察到的一直都是高电平。

因此该电路能作为100进制计数器使用而不能作为分频器使用。

因此，应采用上文中的使用方法。

3.石晶振荡器开始时，对石晶振荡器毫无想法，我认为这中间最重要的原因是平时积累的电路图经验不够多，以及模电与数电知识块分离、没有很好地结合起来。

下图是已经查阅一些资料后找到的石晶振荡器电路图，但是效果也不理想，石晶振荡器的频率太高，为后续分频带来了很大麻烦。

不仅电路复杂，仿真速度也非常慢，输出是这样令人崩溃的：最终在继续搜寻大量资料后，得到了一个比较科学的电路图。

4.多种辅助工具在设计JK触发器时，感觉到在WORD上编写有一定难度，因此我采用了PPT 来绘制状态转换表和状态转移图，大大降低了编辑难度，也在一定程度上增加了报告的美观度。

5.将电路模块化在设计完整个电路之后，我们可以感觉到整个电路非常复杂，如果都画在同一页上，那将会产生许多问题，比如说看不清楚接线，检查线路十分繁琐，电路可阅读性差，所以我认为将电路模块化可以非常有效地解决上述问题。