交通灯控制器课程设计汇报

　. .

　 中南林业科技大学

　课程设计报告

　设计名称：

　交通灯控制器

　姓

　名：

　学

　号：

　专业班级：

　院 （系）：

　指导教师评语：

　 成绩：

　 签名：

　年

　月

　日

　一、

　课程设计题目：交通灯控制器

　时间: :2015 年 6 月 29 日至 7 月 13 日 地点：

　指导老师：

　二、

　课程设计目的

　交通灯控制信号的应用非常广泛。本电路设计一个交通灯控制器，需要达到的目的如下：

　一个周期 64 秒，平均分配，前 32 秒红灯亮，后 32 秒绿灯亮。

　在红灯亮的期间的后 8 秒与红灯在一起的黄灯闪烁（注意：红灯同时亮）。为了显示效果明显，设计闪烁频率为 1。

　在绿灯亮的期间的后 8 秒与绿灯在一起的黄灯闪烁（注意：绿灯同时亮），为了显示效果明显，设计闪烁频率为 1。

　在黄灯闪烁期间，数码管同时倒计时显示，在此期间以外，数码管不亮. 三、

　课程设计方案

　为了完成交通灯控制电路的设计，方案考虑如下：

　一个脉冲信号发生器，一个二进制加法计数器，一个十进制减法计数器，红灯与绿灯以及黄灯是否亮是由二进制加法计数器的输出端状态来决定的，因此，设计一个组合逻辑电路，它的输入信号就是二进制加法计数器的输出信号，它的输出就是发光二极管的控制信号，因此，需要一个组合逻辑电路，六个发光二极管（二个红色发光二极管，二个绿色发光二极管，二个黄色发光二极管）电路，一个数码管显示电路。结构图如下：

　 四、

　课程设计原理

　脉冲信号发生器由定时器 555 构成。

　二进制加法计数器由七位二进制加法计数器 4024 构成。

　十进制减法计数器由 74LS193 可逆可预置十进制计数器构成。

　组合逻辑电路根据其输入输出的逻辑关系后再确定电路芯片。

　驱动器选用 4511。

　从以上讨论可知，需要对所采用的芯片有比较详细的了解。下面对以上几种芯片的基本知识和基本特性进行介绍。

　1 1 、5 555 定时器

　555 定时器是一块常用的集成电路，电路符号如左图所示，8 为电源端 VCC，1 为公共端 GND。所加电源电压围：

　4.5V<VCC<18V ，最大输出电流达 200mA 。部电路原理图如右图所示，部有三个相同的分压电阻，每个电阻上的电压都为 1/3VCC。两个比较器 C1 和 C2，C1的比较电压为 2/3 VCC，C2 的比较电压为 1/3 VCC，当比较器“+”端电压大于比较器“-”端电压时，比较器输出高电平（其状态用 1表示），当比较器“+”端电压低于比较器“-”端电压时，比较器输出低电平（其状态用 0 表示）。G1，G2 两个与非门构成基本 RS 触发555脉冲振荡 器 4024 计数器 组 合 逻辑电路 发光二极管电路 193 计数器 4511 驱动器 数码管

　器，G3 为输出缓冲反相器，起整形和提高带负载能力的作用。T 为泄放三极管，为外接电容提供充放电回路。利用 555 定时器设计电路时，主要是考虑如何让 2 和 6 的电位发生变化（外接信号或利用电容器的充放电过程实现）而让定时器的输出状态发生变化，而设计成各种具有不同功能的电路。实际 555 器件如小图所示，有小圆点对应的脚为1 脚，依逆时针方向依次为 2，3，4，5，6，7，8 号脚。

　2 2 、5 555 应 用：多 谐 振 荡 器（产生连续矩形波信号），电路原理如图所示（4 脚为高电平时，电路振荡，4 脚为低电平时，电路不振荡）。开始时，部泄放三极管由于其基极输入为低电平，是截止的，电源通过 R2 和 R1 对电容器 C 充电，2，6 脚电位开始上升，当上升到 2VCC/3 时，电路状态发生翻转，部泄放三极管由于其基极输入为高电平，所以饱和导通，电容器通过 R1 放电，2，6 脚电位又开始下降，直至降到 VCC/3，电路状态再次发生翻转，部泄放三极管截止，电源再次对电容器充电。这样周而复始，输出连续的矩形波信号，由3 脚输出。一般取 C1 为 103 电容。

　理论推导：理论推导的依据是电容器的充电时间和放电时间的讨论。

　充电时间的计算：从前面对芯片 555 的了解可知，在“7”脚部所接的泄流三极管截止时，电容器充电，充电电压从 VCC/3 充至2VCC/3，此时是电源通过 R2+R1 电阻向电容充电，由此可以利用电容器的电压与充电时间的函数关系计算出电容充电时间；函数关系式可由中学物理知识或大学电路分析课程中给出：

　 ) 1 (RCtCC Ce V u 

　在充电过程中，R＝R1+R2 因此

　 ) 1 (311RCtCC CCe V V 

　 ) 1 (322RCtCC CCe V V 

　分别计算出 t1 和 t2，则充电时间为

　T1 = t2 - t1 放电时间的计算：从前面对芯片 555 的了解可知，在“7”脚部所接的泄流三极管饱和导通时，电容器放电，放电电压从 2VCC/3 放至 VCC/3，此时是电容通过 R1 电阻向电容充电，由此可以利用电容器的电压与放电时间的函数关系计算出电容放电时间；函数关系式可由中学物理知识或大学电路分析课程中给出：

　RCtCC Ce V u

　在放电过程中，R＝R1 因此

　 RCtCC CCe V V132

　 RCtCC CCe V V231

　分别计算出 t1 和 t2，则放电时间为

　T1 = t2 - t1 由以上计算出的充电时间和放电时间之和就是周期，周期的倒数就是频率。

　最后得到的结果：振荡器的频率由电阻 R1，R2 和电容 C 决定。

　C R Rf) 2 (43 . 12 1 

　脉冲波的占空比由电阻 R1 和 R2 决定，结果为 2 12 12 R RR R 

　可见，当 R2 越小时，占空比接近 50％。

　本电路 555 多谐振荡器的频率的确定，因为信号灯的状态时间是以秒来计量的，因此计数器的计数状态应以秒为单位来计数最为方便，即指定计数器的最低位定为 Q2（不一定是计数器的最低位，本项目的计数器的最低位用作其它用途），因状态 Q7Q6Q5Q4Q3Q2 共有64 个状态，每个状态对应时间为 1 秒（频率为 1），即 1 秒钟状态变化 1 次，而每一个状态对应 Q1 端一个脉冲，因此，Q1 端是 1 秒钟产生 1 个脉冲，所以 555 的振荡频率就应该为 2（因为经过计数器计数后在计数器的最低位 Q1 进行了 1/2 分频）。

　3 3 、七位二 进 制 计数器 器 4024

　七位二进制计数器 4024 各脚功能如图所示，14 脚为电源端，所接电源电压围：+3V--+15V，7 脚接地 GND。2 脚为复位端（清零端），

　高电平有效。1 脚为脉冲信号输入端，下降沿有效（即计数器在脉冲下降沿时刻计数）。Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1 是七个数据输出端，Q7 为最高位，Q1 为最低位。当输入脉冲信号后，计数器输出端的状态变化：0000000—1111111。

　本电路中的组合逻辑电路的输入信号为二进制计数器的输出信号Q7Q6Q5Q4Q3Q2，设计 Q2 信号频率为 1，而输出应为六个表示路口交通灯信号的发光二极管（一方为红绿黄灯 DR1，DG1，DY1；另一方为红绿黄灯 DR2，DG2，DY2）的控制信号，分别用 LR1，LG1，LY1 和 LR2，LG2，LY2 表示，但注意到 DR1 和 DG2 状态相同，DG1 和 DR2 状态相同，DY1 和 DY2 状态相同，所以实际上只要三个输出信号即可，分别用 L1，L2，L3 表示。

　本电路因为控制周期是 64 秒，所以只需要 64 个状态，因此只要用 4024 输出端的 6 个输出端就可以了，本人决定用状态 Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2。

　组合逻辑电路的输出信号 L1，L2，L3 与电路的输入信号 Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2 的关系的讨论：信号灯的定义，L1 表示红灯，L2 表示绿灯，L3 表示黄灯。

　对于其中一路信号灯来说，前 32 秒（对应的 4024 计数器输出状态 Q7Q6Q5Q4Q3Q2 为 000000—011111）红灯 1 亮，绿灯 1 不亮。

　而在这 32 秒时间，前 24 秒（对应的 4024 计数器输出状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2 为 000000—010111）黄灯不亮。后 8 秒（对应的 4024计数器输出状态 Q7Q6Q5Q4Q3Q2 为 010111—011111）黄灯亮。

　另一路的灯亮状态分析与上一路的分析完全相同。

　 综上所述，用如下真值表表示：

　编号 Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2

　L11

　L12

　L13

　L21

　L22

　L23 说明 0--15

　0

　0 x

　x

　x

　x 1

　 0

　0

　 0

　1

　 0 红 1 绿 2 亮 16--23

　0

　1 0

　x

　x

　x 1

　 0

　0

　 0

　1

　 0 红 1 绿 2 亮 24--31

　0

　1 1

　x

　x

　x 1

　 0

　1

　 0

　1

　 1 红 1 绿 2 黄 12 亮 32--47

　1

　0 x

　x

　x

　x 0

　 1

　0

　 1

　0

　 0 红 2 绿 1 亮 48--55

　1

　1 0

　x

　x

　x 0

　 1

　0

　 1

　0

　 0 红 2 绿 1 亮 56--63

　1

　1 1

　x

　x

　x 0

　 1

　1

　 1

　0

　 1 红 2 绿 1 黄 12 亮 从以上可知 7 11Q L  ，7 21Q L  ，需要低电平有效时，7 1Q L 

　7 2 1Q L  ，7 22Q L  ，需要低电平有效时，7 2Q L 

　5 6 5 6 23 13Q Q Q Q L L   

　考虑到黄灯需要闪烁，可以让 L3 信号和 Q1 信号（频率为 1HZ 的脉冲波）加到一个二输入的与非门的两个输入端，输出信号为 L4， 1 3 4Q L L  

　当 L3 为 0 时， 14 L

　当 L3 为 1 时，1 4Q L 

　可见，需要 L4 低电平有效，这样，L3 为 0 时，黄灯不亮，L3 为1 时，黄灯闪烁。

　由以上讨论可知，需要二个二输入的与非门，三个非门，为节约器件，三个非门中的二个非门用与非门实现，另一个非门用三极管实现。这样，需要四个二输入的与非门，正好可以用芯片 74LS00，一个三极管构成的非门。

　 74LS00 外形为 DIP14，74LS00 是一块四-二输入的数字集成芯片，有四个完全 一样的二输入的与非门，14 脚接 VCC（+5V），7 脚接地 GND。它们中的四个二输入的与非门如图所示，其中 A，B 为与非门的两个输入端，Y 为输出端。额定拉电流 4mA，额定灌电流 8mA。额定输出高电平电压 3.6V。

　下面讨论倒计时及显示电路。

　可逆十进制计数器选用 74LS193。

　4 4 、 可 预 置二 进 制 可逆 计数 器 74LS1 93 简 介

　74LS193外形结构为DIP16，其中（8）脚接GND，（16）脚接+5V电源。

　1）

　CU—加计数脉冲信号输入端。

　2）

　CD—减计数脉冲信号输入端。

　注意：用其中一个输入端时，另一个输入端接高电平。

　3）

　Q3,Q2,Q1,Q0--计数器数据输出端，Q3为最高位，Q0为最低位。

　4）

　P3,P2,P1,P0 ---计数器预置数输入端，当计数器处于 预 置 数 状 态 时 ， 通 过 该 输 入 端 预 置 数 ， 此 时Q3Q2Q1Q0=P3P2P1P0。

　5）

　MR—复位信号输入端，上升沿有效，即当MR从0跳到1时，计数器复位，此时Q3Q2Q1Q0=0000。当MR=0时，计数器处于计数状态。

　6）

　PL—预置数功能控制端，低电平有效，当PL=0时，计数器处于预置数状态，当PL=1时，计数器处于计数状态。

　7）

　TCU—加计数进位信号输出端。

　8）

　TCD—减计数借位信号输出端。

　根据设计要求，预置数为 8，P3=1，接高电平（电源），P2=P1=P0=0，接低电平（地 GND）。

　黄灯不亮，即 L3=0 时，计数器需要处于预置数状态，即 PL=0，

　黄灯亮，即 L3=1 时，计数器需要处于计数状态，即 PL=1。可见，PL=L3. 作为减法器使用，CU 接高电平，CD 接脉冲信号 Q2。

　因计数器处于计数状态或预置数状态，不能处于复位状态，因此让 MR=0. 从前面讨论可知，多谐振荡器振荡频率为 2HZ。以此确定多谐振荡器电路的电阻和电容。

　5 5 、四 线- - 七段 译码 器/ / 驱动器 器 74LS48( 带 上拉 电 阻) )

　16 脚接电源+VCC=+5V，8 脚接地 GND。DCBA 为 8421BCD 码数据输入端，D 为最高位，A 为最低位。abcdefg(高电平有效，输出电流小于 6mA)为 7 个输出端，分别接七段数码管的 7 个输入端 abcdefg,所接数码管必须是共阴数码管。

　LT

　 灯测试输入端，低电平有效，即当此灯为低电平且 RBO BI/为高电平（或开路）时，输出全为高电平，数码管所有发光二极管全亮。

　RBO BI/

　 消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效），只要此端为低电平，输出全为低电平，数码管所有发光二极管全不亮。

　RBI

　 脉冲消隐输入端,低电平有效。当此端为低电平且 ABCD 也同时为低电平时，输出全为低电平，数码管所有发光二极管全不亮。

　要让数码管正常显示 0—9，3，4，5 脚都接高电平。要让数码管显示 1—9 而不显 0，则 3 接高电平，5 接低电平，4 悬空（或电源通

　过电阻接 4）。这实际上就是消 0，例于最高位的数码管就希望是这样。

　6 6 、 四 线- - 七段 译码 器/ / 驱动器 器 4511( 不 带 上拉 电 阻) )

　16 脚接电源+VCC=+3V—15V，8 脚接地 GND。DCBA 为 8421BCD 码数据输入端，D 为最高位，A 为最低位。abcdefg(高电平有效，输出电流小于 6mA)为 7 个输出端，分别接七段数码管的 7 个输入端abcdefg,所接数码管必须是共阴数码管。

　4511 的使用与 74LS48 基本相同，但是有二点需要注意：

　１）

　功能脚“５”的使用的区别，74LS48 是高电平有效，而４５１１是低电平有效。

　２）

　74LS48 是带限流电阻的，而 4511 是不带限流电阻的，因此，在使用 4511 时，4511 的输出端与数码管的输入端之间是要串接限流电阻的。

　组成数码管的七段实际上就是七个发光二极管，当这七个发光二极管中不同的二极管亮时，就显示 0—9 中不同的数字。

　数码管的符号 数码管的输出引脚有两种形式，一种是上下排列，一种是两边排

　列，各引脚名称如下面两图所示。

　数码管的符号

　 数码管的使用需要注意的是：

　一是数码管有共阴数码管和共阳数码管之分，所谓共阴数码管就是公共端 COM 接地，所谓共阳数码管就是公共端 COM 接电源。

　二是要注意数码管的电流大小，一般不要超过 10mA。

　三是要注意各管脚功能的确定。

　在不清楚数码管的基本情况时，可用测量的方法确定。电源负极接公共端，电源正极通过一个电阻（５Ｖ电源时，电阻可为５００到１Ｋ，１２Ｖ电源时，电阻可为１.５K 到 2Ｋ），再加到任一输入端，观察数码管的亮与不亮情况，判断数码管的类型各管脚。

　com

　a f

　 b g

　 c e

　dp d

　com

　五、 参数 确定与 计 算 过 程

　由芯片 NE555 构成多谐振荡器，从前面的讨论可知，本电路振荡频率选用 2HZ，本电路频率高低由元件 R1，R2 和 C2 决定。按图选用其参数后，振荡频率为

　2 2 1) 2 (43 . 1C R Rf

　计算结果为

　Hz f 04 . 2 

　多谐振荡器的输出信号（脉冲波）从 555 的”3”脚输出送到七位二进制计数器 4024 的输入端“１”脚。

　当 Q7 端状态为低电平时（即前３２个状态），通过非门 U3C 输出高电平，三极管饱和导通，接在这一路上的一红灯和一绿灯亮（即一个方向的红灯和另一方向的绿灯亮）。而从 U3C 输出接到另一路的一红灯和一绿灯不亮。

　所以在装配电路时，要注意红灯和绿灯的位置。

　当 Q7 端状态为高电平时（即后３２个状态），通过非门 U3C 输出低电平，三极管截止，接在这一路上的一红灯和一绿灯不亮（即一个方向的红灯和另一方向的绿灯不亮）。而从 U3C 输出接到另一路的一红灯和一绿灯亮。

　在 Q6Q5 同为高电平（１１０００-１１１１１）共 8 个状态时，与非门 U3B 输出低电平，再通过非门 U3A 输出高电平，注意与非门U3D 此时一个输入信号为高电平，另一个信号接４０２４的输出最低端，是一个振荡信号，所以此时接在这一路的二个黄灯闪烁。

　在 Q6Q5 不全为高电平（除１１０００-１１１１１以外的所有状

　态）时，与非门 U3B 输出高电平，再通过非门 U3A 输出低电平，注意与非门 U3D 此时一个输入信号为低电平，输出恒为高电平，所以此时接在这一路的二个黄灯不亮。

　同时，在 Q6Q5 不全为高电平（除１１０００-１１１１１以外的所有状态）时，与非门 U3B 输出高电平，再通过非门 U3A 输出低电平，这个低电平接在 74LS193 的 PL 端（注意 PL 端是低电平有效，是预置数功能端，PL=0，芯片处于预置数状态，PL=1，芯片处于计数状态），所以，此时芯片处于预置数状态，注意，预置数为８，同时，这个信号又接到 4511R 的 BI 端（BI 为灭灯功能端，低电平有效），因此，此时数码管全不亮。当 Q6Q5 同为高电平（１１０００-１１１１１）共 8 个状态时，与非门 U3B 输出低电平，再通过非门 U3A 输出高电平，这个高电平接在 74LS193 的 PL 端，所以此时芯片处于计数状态，注意计数状态为减计数。同时，这个信号又接到 4511R 的 BI 端（BI 为灭灯功能端，低电平有效），因此，此时数码管正常工作。

　数码管限流电阻的计算：

　4511 输出高电平 5V，发光二极管的导通压降为 1.8V—2.0V，若设计发光二极管电流为 3—10mA，则限流电阻为３００欧姆到 1K 欧姆。本电路选用 1K。

　六、故障 处 理与 说 明

　按照印刷板上器件编号找到相应的元件，按以下顺序焊接：电阻，IC 座，瓷片电容，发光二极管，接口。焊接过程中注意以下问

　题：

　（１）

　各发光二极管”+””-“极。三极管上对应的“e” “b” “c” （２）

　集成块的脚在印刷板上的对应位置。

　（３）

　J1 要与前续电路的输入输出电源接口方位相一致，因此要注意其方位。

　仔细观察各焊接点，检查有无短路现象和虚焊现象。

　认真测量。在观察所焊接的电路板处于正常状态后，将 5V 电源接入到 J1 接口。观察：

　设计表格并将实验测量状态，理论状态记录在表格中。

　5）

　测试：观察红，绿，黄灯的状态以及数码管的状态情况，并测量各状态下的时间。

　6）

　分析故障和排除故障，并将分析和排除过程记录下来。

　仔细研究电路原理图，集成块 LM555 构成多谐振荡器，分析振荡器频率由什么元件决定，是什么关系。本电路的振荡器频率不能太

　高，否则闪烁太快或根本就观察不到闪烁；当然频率也不能太低，否则闪烁太慢。当然也会使得通行时间以及停车时间也不恰当。集成块4024 就是一个计数器。本电路的关键是由集成块 74LS00 构成的组合电路，它是确定发光二极管状态与 4024 状态关系的电路。三极管的作用是驱动发光二极管发光，因为 74LS00 输出拉电流要小于 4mA,所以不能直接驱动本电路的二个发光二极管，用三极管扩大带负载能力。而 74LS00 输出灌电流要小于 8mA,所以可以直接驱动本电路的二个发光二极管，不需要用三极管扩大带负载能力而直接驱动。本制作将时间显示部分电路省略，因为这部分电路的工作情况大家非常熟识。

　当以上问题弄清以后，试设计电路的时间分配为 40 秒和 24 秒，将其讨论过程以及设计过程写入报告中。

　仔细研究印刷电路板，在本印刷电路板上将要装配的器件有：

　普通 1/4W 电阻器，瓷片电容器，发光二极管，三极管，集成块555，集成块 4024，集成块 74LS00，输入和输出接口等等。

　 仔细研究印刷电路上的图形或符号，确定各位置所装配的是何种元件。若是发光二极管，还要弄清板上的对应“+”极和“-”极，若是三极管，弄清板上对应的“e” “b” “c”，对于集成块，要弄清楚各脚在印刷板上的相应位置。

　仔细研究元器件，各电阻器及其阻值，精度，功率，电阻阻值可从电阻上所标的色码直接读出，或者用万能表的欧姆档直接测量确定。各瓷片电容的电容量（标注在电容上）。各发光二极管及其”+””

　-“极。三极管上对应的“e” “b” “c”，集成块的脚编号的确认。

　 七、 总结 与体 会

　通过本次的课程设计，我学到了很多东西，使我平时学到的一些 知识用到了实践中。我觉得课程设计是十分有意义的，在过去的两年大学生活中，我们在课堂上掌握的仅仅是理论知识，没有实践我们就不能很好的掌握所学的知识。因此，做此类的课程设计就为我们提供了很好的实践平台。我认为要做好一个课程设计，就需要做到在设计程序之前，对所用芯片及其部结构有一个系统的了解，知道芯片的功能，还要有一个清晰的思路和一个完整的流程图；在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，要经过反复调试、不断改进。当然在课程设计过程中遇到问题是很常见的，但我们需要将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次碰到同样的问题。

　在设计的过程中我也发现了自己的不足之处，对以前所学的知识理解的还不够深刻，掌握的也不够牢固，也是一个查缺补漏的过程。我们查阅了大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，使自己写到了不少知识。

　总之通过这次的课程设计，我懂得了理论知识与实践相结合的重要性，不仅学到了许多书本上没有的知识，也收获了一定的动手实践能力。

　八、元器件清 单

　 元器件表：

　编号 规格 编号 规格 编号 规格 编号 规格 编号 规格 R1 1M R9 1K U1 555 LED 红

　 R2 3M R10 1K U2 4024 LED 红 J1 2P 接口 R3 10K R11 1K U3 74LS00 LED 绿

　2P 接线 R4 1K R12 1K U4 74LS193 LED 绿

　 R5 1K R13 1K U5 4511 LED 黄

　 R6 1K R14 1K Q 9013 LED 黄

　 R7 1K R15 1K

　数码管 C1 103

　 R8 1K R16 1K

　 C2 104

　元器件汇总 贴片电阻 1M

　1 个；3M 1 个；10K 1 个；1K

　11 个。

　直插电阻 1K

　2 个。

　电容

　103

　4 个；104

　１个。

　芯片 555，4024，4511，74LS00，74LS193 各１片。IC 座 8P １个；

　14P

　2 个，16P

　2 个。

　数码管

　1 个。

　三极管

　9013

　 1 个。

　发光二极管

　红 ２个；绿２个；黄 2 个。

　印刷板（ZTED-13A）

　１块。

　2P 接口

　１个；

　2P 接线

　１根；

　焊锡丝 １根。