课程设计 交通信号灯控制器的设计

湖南文理学院课程设计报告
课程名称：电子技术基础课程设计
学院：电气与信息工程学院
专业班级：自动化10102班
姓名：
学号： 201015010208
指导教师:
完成时间： 2014年5月21日
报告成绩:
简易交通信号灯控制器的设计
一、设计题目
交通信号灯控制器的设计
二、设计目的
1、掌握基本JK触发器、555多谐振荡器、计数器、译码显示器等单元电路的综合应用。

2、了解各个芯片的引脚，掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。

3、了解交通信号灯控制器的组成及工作原理。

4、掌握交通信号灯控制器的设计与制作过程。

5、通过本次设计来熟悉中规模集成电路进行时序逻辑电路和组合逻辑电路设计的方法，掌握简单数字控制器的设计方法。

三、设计任务与要求
由一条主道和一条支道的汇合点形成的十字路口，两道上的车辆交替通过，为确保车辆的安全,迅速通行,在交叉路口要求主车道和支车道两条交叉道的每个入口设置了红,绿,黄三色信号灯，主道再加一个绿色左拐标志灯。

红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯给行驶的车辆有时间停靠到禁行线外；绿色标志信号灯则是让主道的车辆左拐进入支道。

1 用红,绿,黄,三色发光二极管作信号灯,主道红,绿,黄,绿（左拐标志）四个信号灯,支道红,绿，黄三个信号灯。

2 主干道和支道交替允许通行，主干道每次放行45秒，支道每次放行25秒。

设计45秒和25秒计时显示器电路。

3 为了方便主干道车辆进入支道, 主干道放行45秒后, 主干道亮红, 绿（左）灯, 支道亮红灯, 主道的车辆可左拐进入支道,时间25秒，计时显示器电路。

4 在每次由红灯转换为绿灯以及亮绿（左）灯的过程中间，要亮5秒黄灯作为过渡时间，以使得行驶中的车俩有时间停到禁行线外。

计时显示电路。

四、总体设计方案
1 设计思路
●系统中要求有45秒，25秒和5秒的三种定时信号，设计三种相应的计时显示器电路。

计时顺序用顺计时。

定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入主控电路，并通过主控电路去开启和关闭种交通灯或启动另一种计时电路。

●系统要求定时显示电路的输入信号为秒脉冲信号，设计一个可以实现秒脉冲输出
的时基电路。

●主控电路是整个电路的核心，它的输入信号来自45秒，25秒，5秒三个定时信号。

主控电路可以控制各种交通灯的开启和关闭，并反馈信号给计时电路，触发与亮着的信号灯相应的定时电路，使其顺时显示相应时间。

2 总体设计方案和原理框图
设计方案概述：如图1，系统主要由控制器，定时器，显示器，译码器，信号灯和秒脉冲号发生器组成。

其中控制器是核心部分，由它来控制定时器和译码器的工作；秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号；译码器输出两路灯的控制信号；定时器是这个设计方案中的难点，要找到合适的元器件来分别实现三种不同时间的定时功能，并且尽可能的使其电路不过于复杂。

图1 交通信号灯控制器的总原理框图
三、各功能模块具体设计过程
1、秒脉冲电路
如下图，该电路是由555定时器构成的多谐振荡器,使其产生需要的方波作为触发器的CP脉冲,由于电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频,所以采用555定时器构成的多谐振荡器.
由555构成的多谐振荡器产生5V,1Hz时钟信号:由公式1.43/[(R1+2R2)C]=f和实际情况取得 R1=47KΩ,R2=36KΩ,C1=10μF,C2=0.01μF.
图2 多谐振荡电路图
2 、主控电路
2.1交通灯态序分析
（1）主车道绿灯亮，支车道红灯亮。

表示主车道上的车辆允许通行，支车道禁止通行。

绿灯亮足规定的时间隔45秒时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。

（2）主车道黄灯亮，支车道红灯亮。

表示主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，支车道禁止通行。

黄灯亮足规定时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。

（3）主车道红灯，绿（左）灯亮，支车道红灯亮，表示主车道上车辆左拐进入支道，支车道禁止通行，如图3。

红灯，绿（左）灯亮足规定时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。

（4）工作状态同（2）
（5）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。

表示主车道禁止通行，支车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。

（6）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。

表示主车道禁止通行，支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5秒时，控制器发出状态转换信号，系统又转换到第（1）种工作状态。

图3 主道车辆左拐示意图
交通指示灯以上6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000、001、010、011、100、101，并分别用S0、S1、S2、S3、S4、S5表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示，控制器应送出主、支车道红、黄、绿灯、绿（左）灯的控制信号。

表1 车道运行状态表
由车道运行状态表可画出整个主控过程的状态转换图：
秒秒 未未 到过
秒秒 未未 到过
图4 主控状态转换图：
2.2 主控电路设计
由以上分析交通灯有S0至S5六个状态，在这里我们用3个JK 触发器：Q 2 、Q 1 、Q 0
来实现，这种方法相对简单些。

表2 控制器状态转换表
根据上表，写出状态方程和触发方程：
Q 2n+1 =Q一
2
n Q
1
n Q
n+ Q
2
n Q一
1
n Q一
n J
2
= Q
1
n Q
n K
2
=Q
1
n+ Q
n
Q 1n+1=Q一
1
n Q一
2
n Q
2
n+Q一
2
n Q一
n Q
1
n J
1
=Q一
2
n Q
n K
1
= Q
2
n+ Q
n
Q 0n*1= Q
2
n Q
n+ Q
2
n Q一
1
n Q一
n J
= Q
2
n Q一
1
n K
= Q
2
n
为了使初态一定及方便自启动。

其中由R和C构成JK触发器的上电复位电路,对JK 触发器上电时清零.由此可得主控电路原理图如下：
图5 主控电路原理图
3、译码电路
译码器的作用是将控制器的输出Q2,Q1,Q0及其逻辑非构成的6种状态转换
为两车道上6个信号灯的控制信号。

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：
设定：主道: 绿G
1 红R
1
黄Y
1
绿（左）：L
1
支道：绿：G
2 红：R
2
黄：Y
2
由车道运行状态表可得下交通灯G1、R1、Y1、L
1
、G2、R2、Y2与Q2,Q1,Q0之间的逻辑关系：
表3 指示灯触发状态表
由此可得主控电路原理图如下：
K
图6 主控电路原理图
4 定时电路
定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成。

计数器选用集成电路74F160A进行设计较简便。

74F160A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。

（1）5S定时：
555时基电路发送秒脉冲给标号U02的74F160A计数器完成5S定时的功能，并通过标号U05的74HC4511完成8进制的译码，再进入标号为DS02的个位数字显示器AMBERCA完成0至5S的显示，同时U02的TC发出进位信号给主控电路，从而改变其状态，此时主控电路再通过译码改变亮灯信号，主控电路同时反馈信号给定时电路，至使其进入下一定时显示状态。

(2) 25S定时：
25S定时由图中标号U03和U04的两个计数器完成，U03控制个位的10进制，并通过U05至DS02完成0-9S的个位显示，当显示到9时,U03自动清零，并给U04进位和一个脉冲，从而U04可通过U28进入DS01显示10位进制1;当10们进制变为2,个位显示5时，U03和U04都置0，且U04的TC发出进位信号给主控电路，同上5S显示，最终进入下一定时显示状态。

（3）45S定时：
定时由图中标号U03和U45的两个计数器完成，工作原理同上25S定时显示。

5 显示电路
显示电路用74HC4511来实现，74HC4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的 8421BCD 码—七段显示译码器。

图7 74HC4511引脚图
说明：
1.灯测试输入LT
当LT=0时，无论其他输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1，显示为8。

该输入端常用于检查译码器本身及显示器各段的好坏。

2. 灭灯输入BL
当BL=0，并且LT=1时，无论其他输入端是什么电平，所有各段输出a～g均为0，所以无显示。

该输入端用于将不必要显示的零熄灭，例如一个6位数字023.050，将首、尾多余的0熄灭，则显示为23.05，使显示结果更加清楚。

3.锁存使能输入LE
在BL=LT=1的条件下，当LE =0时，锁存器不工作，译码器的输出随输入码的变化而
变化；当LE由0跳变1时，输入码被锁存，输出只取决于锁存器的内容，不再随输入的变化而变化。

.
AM BER CA AM BER CA
.
图9 定时显示电路
5 定时电路的触发
定时电路的触发可分为45S触发，25S触发和5S触发，其各自触发方程设计见下表：
表5 定时电路触发方程表
定时电路的触发电路为与主控电路连接的相关电路，其连接电路见总原理图（附录）。

五、所需元器件
555定时器一个，JK触发器三个，74F160A四个，74HC4511两个，AMBERCA两个，门电路,二极管，电阻，电容等(所需元件清单见附录)。

六、心得体会
本系统结构简单，操作方便；可现自动控制，具有一定的智能性；对优化城市交通具有一定的意义。

本设计将各任务进行细分包装，使各任务保持相对独立；能有效改善程序结构，便于模块化处理，使程序的可读性、可维护性和可移植性都得到进一步的提高。

此次系统设计给我们提供了一个既动手又动脑、自学、独立实践的机会，使我们养成了勤翻阅各种相关资料的习惯，将书本上的理论知识和实际有机地结合起来，锻炼了实际分析问题和解决问题的能力，提高了适应实际、实践编程的能力，为今后的学习和实践打下了良好的基础。

这次的课程设计让我对平时学习的理论知识与实际操作有了新的收获和认识，在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加以综合提高，学会将知识应用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力。

这两周的电子课程设计的过程中，我们通过软件仿真，我们的动手能力得到了很大的提高。

设计阶段，我们到网上及图书管查找相关元件资料，了解了更多电子元件的功能和原理，实现了电路的预定功能。

还有，通过和同学的相互学习讨论，提高所以在以后的
学习生活中我会改正不足。

现在的社会是科技的社会，在以后的学习生活中，我们会更加努力学习培养自己独立思考的能力，从而更加适应社会。

两周周的课程设计结束了，我们得到了很多东西，是我们在课堂上得不到的东西，是有用的东西而不是那种华而不实的东西，在以后的学习中，我们会更加努力的去专研所学的课程。

七、参考文献
1、数字集成电路应用300例,黄继昌等主编.,人民邮电出版社
2、第二届全国大学生电子设计竞赛组委会编.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(1994～1995).北京:北京理工大学出版社,1997.
3、电子电路设计与实践,姚福安编著.山东科学技术出版社
4、电子技术基础(数字部分),康华光主编.第四版.北京:高等教育出版社. 2002
5、数字逻辑电路设计与实验,绳广基编著.上海交通大学出版社, 1989.
6、电子技术基础课程设计 ,粱宗善 .华中理工大学出版社 .1995.1
7、电子技术基础实验与课程设计,高吉祥主编.电子工业出版社 2002.2。