基于数电路交通灯设计毕业论A版

　一、设计课题：

　交通灯信号灯控制电路 二、设计要求 1、用红、黄、绿三色发光二极管作信号灯，设计制作一个交通灯控制电 路。

　2、当 A 道允许通行亮绿灯时，B 干道亮红灯。而 B 干道允许通行亮绿灯 时，A 干道亮红灯。

　3、两者交替允许通行，每次放行 25 秒。

　4、在每次由亮绿灯变成红灯时的转换过程中间，要亮 5 秒黄灯作为过度， 以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外。

　5 安装自己设计的电路并通电调试。

　前 言 《数字电子技术》是一门发展迅速、实践性很强的电子技术专业基础课程。

　数字电子技术已融入我们的生活。因为数字电子技术有很强的灵活性。

　交通灯信号灯与我们的生活紧密相关，设计交通灯信号灯的控制电路有很 多方法。用数字电子技术设计交通灯的控制电路就是其中一种。

　由于数字电子技术的逻辑性很强 ,用它来设计交通灯的控制电路就比较容 易设计出来。而且数字电子技术芯片只要在一定范围内的输入，都能得到稳定的 输出，调试起来就比较容易，电路的工作也会比较稳定。

　这次我们设计的交通灯控制电路就是通过基本的一些数字芯片组合来对十 字路口交通灯的六个不同信号灯的控制，另外还加以倒计时直观的显示。以做到 十字路口信号灯的仿真模型。这个电路的设计看似起来较为复杂，但它也是有一 些基本的电路组成。只要些将实现整个电路的基本设计思路和方案确定下来，画 出方框图再对各功能方框的电路进行设计，一步步突破，最后整理设计出整个电 路的原理图来。在此文档里已经对电路的详细设计过程介绍：

　首先，给出我们设计的电路的方框图。

　然后，对各功能电路的实现进行论证介绍。

　第三，对各功能电路的电路设计进行了详细介绍。

　最后，对电路的安装与调试进行了说明。

　至此我们的课程设计也就完成了，但我们对电子知识和技能的学习与探索 j 将永不停止。

　目 录 课程设计任务书 ··························································· 1 前言 ······································································ 2 一、方案论证 ····························································· 4 1.1、 脉 冲 发 生 器 设 计 论 证 ······································· 4 1.2、 定 时 器 设 计 论 证 ··········································· 5 1.3、控 制 器 设 计 ················································ 6 1.4、信 号 灯 的 论 证 ·············································· 6 1.5、译 码 驱 动 电 路 方 案 论 证 ······································ 6 1.6、数 码 显 示 器 论 证 ············································ 7 二、电路的设计 ··························································· 8 2.1、 秒 脉 冲 的 设 计 ············································· 8 2.2、 定 时 器 电 路 的 设 计 ········································· 8 2.3、 控 制 电 路 设 计 ············································· 8 2.4、 信 号 灯 的 设 计 ············································· 11 2.5、译 码 显 示 电 路 设 计 ··········································11 三、电路的安装与调试 ···················································· 12 四、设计总结和体会 ······················································ 13 参考文献· ································································· 14 附图一、电路原理图 ······················································ 15 附图二、PCB图 ·························································· 16 一、 方案论证

　用数字电子技术设计交通灯信号灯的控制电路基本思想如图 1.1 所示：

　脉冲发 生器

　定时器

　译码 驱动

　数码 显示

　控制器

　交通信 号灯 图 1.1 交通信号灯控制模型图 下面将对各个部分进行论证：

　1．1 脉冲发生器设计论证 由于定时器工作需要稳定的准确的时间脉冲，各部分也是在时间脉冲作用 下进行有序的工作。所以脉冲发生器使整个电路设计的第一部，设计好脉冲发生 器也显得较为关键。

　1.1.1 方案一：由 TTL 门电路组成对称多谐振荡器 电路图如图 1.2 所示：

　R1 R2 G1 G2 C1 Uo C2 图 1.2 由 TTL 门电路组成对称多谐振动器

　由于定时器将按秒计数，脉冲周期应为 1 秒。按 T≈1.1×R×C 计算，R 和 C 的值都将很大。而且这里只能用无极性电容，无极性的容量没有很大的。所以 这种电路很能实现秒脉冲的发生。

　1.1.2 方案二：用 555 定时器组成多谐振荡器 555 定时器是一款非常实用的集成芯片，它经常被用来定时。因为 555 定 时器输出稳定，驱动能力强。电路如图 1.3 所示：

　V C C

　R 1 4

　8 R ES E T V C C 7 D I S C H G

　3 C P O UT R 2 6 TH O LD 5 C VO LT

　2

　TR IG 5 5 5 G ND

　C 1 1

　C 2 图 1.3 由 555 定时器组成的多谐振荡器 所以脉冲发生器我们采用法案二设计电路。

　1.2 定时器设计论证 定时器实质上是对秒脉冲的计数。由于交通灯是按倒计时显示的，所以使 用倒计时计数芯片。

　所谓倒计时计数是指进行减计数。这里我们采用功能强大的 74LS192 芯片。

　它是一块可预置数可逆计数芯片。它的时序波形图如图 1.4 所示：

　C LR LOAD A B C D UP D OW N QA QB QC QD C O B O 图 1.4 74LS192的时序波形图 LOAD为置数控制端 A、B、C、D 为数据输入口 UP为加计数脉冲输入 DOWN 为减计数脉冲输入 QA、QB、QC 、QD 为数据输出 CO 为加计数进位输出 （低电平有效）

　BO为减计数进位输出（低电平有效）

　题中要求倒计时 25秒，可以是 0-24秒倒计时也可以是 1-25秒倒计时。习 惯上 1-25秒更符合人的特点。而且我们要进行 25秒、20秒 、5 秒的不同时刻交 通灯的控制，经过多次设计和仿真发现采用 1-25秒更为方便。

　1.3控制器设计 控制器是交通灯控制电路的核心。控制器主要是通过定时器对定时器循环的 控制和对交通灯的控制。我们可以通过定时器的输出用一些由门组成的控制器进 行控制。

　1.4信号灯的论证 题中已要求采用发光二极管作信号灯，并且使用红、绿、黄三种颜色。为了 更逼真我们将在各条通道上使用两组相同灯作为各个方向的交通信号灯，而且从 各个方向看去灯的从左到右的顺序为绿、黄、红排列。如图 1.5所示 绿 黄 红 红 黄 绿 绿 黄 红 红 黄 绿

　图 1.5 信号灯的布局 1.5 译码驱动电路方案论证 这里的译码是把定时器输出的 BCD 码译成数码管显示的符号代码。它不仅 要能译码还要有一定的驱动能里。由此我们选用了驱动能力强的 74LS248。其功 能引脚图如图 1.6 所示：

　（a）

　（b）

　图 1.6 74LS248功能引脚图 （a）引脚图 （b）功能图 1.6数码显示器论证 译码驱动电路的输出是高电平有效，所以要选用共阴数码管。

　二、电路的设计 2.1、秒脉冲的设计 由前面的方案论证，我们采用了 555 芯片组成多谐振动器，而且对占空比 没定性要求。由公式 T=0.7(R1+2R2)C 计算。根据电容的常用标称值，当 C=47μ F 时 R1+2R2=30.395kΩ 。可取 R1=10K,R2=10K 。用电脑仿真发现周期为 0.99 秒，基本符合要求。

　2.2、定时器电路的设计 由于要显示 2 位数，所以需要 2 片 74LS192 级联组成。当减到 00 时让芯片 置数成 25，这样第 00 秒将显示 25 而不会显示 00。第 0 秒时定时器输出将是 0000 和 0000。我们注意到十位显示只显示 0、1、2，也就是只使用低位的两根线就行 了，高位两根将一直输出 00。这样我们只要对六根输出线进行同时或在控制定 时计数芯片置数。有与定时计数芯片跳到 00000000 时就进行了置数，所以输出 在极短的时间内又跳到置数数 25。从 74LS192 的时序逻辑图中可以看出，它是 在计数脉冲的升沿时进行的相应动作，所以当它置数后要等到下一秒钟的上升沿 到来时再进行一次减计数。

　由于没有找到六输入的或门，我们发现可以使用两个 3 输入或非们和一个与非 门，即 A+B+C+D+E+F=（A+B+C）·（E+D+F）

　通过查阅 74 系列的资料后，我们找到了 74LS27 二 2 输入或非门和 74LS00 四 2 输入与非门。由此我们设计电路图如图 2.1 所示：

　 1 2 13

　U7A 12 74 LS2 7 12

　3 4 5

　U7B 6 74 LS2 7

　13

　U5D 74 LS0 0

　11 2 3 1 2 1 3 1 1 3 2 6 7 3 2 6 7

　O C

　O B

　A Q

　B Q

　C Q

　D Q

　U3 74 LS1 92

　O C

　O B

　A Q

　B Q

　C Q

　D Q

　U4 74 LS1 92

　R L C

　N W P UD

　D L

　A B C D

　R L C

　N W P UD

　D L

　A B C D 4 5 41 1 5 110 9 4 5 41 1 5 110 9 1 1 vcc vcc C P 图 2.1 定时器电路图 2.3、控制电路设计 我们假定高电平表示该灯亮，低电平表示该灯灭，用 L 表示绿灯，Y 表示黄 灯，H 表示红灯，1 表示 1 条车道，2 表示另一条车道。根据设计要求，我们画 出信号灯的时序逻辑图如图 2.2 所示：

　时 间 25 20 15 10 05 25 20 15 10 05 25 20 15 10 05 25 20 （ S ）

　L1 Y1 H1 L2 Y2 H2 图 2.2 各车道信号灯时序逻辑图 经过仔细观察和研究：各灯亮灭的周期为 50 秒，红灯 25 秒变化一次，也就是一 个计数周期。电路要记住循环次数而且以两次为一个周期，这使我们想到了触发 器。当定时计数器置数端有 1 到 0 时，定时器开始置数，同时也出现了一个下降 沿。我们可以用这个下降沿作为触发器的脉冲信号。触发器的两个输出端正好可

　以控制两个红灯的亮灭。触发器我们选用 74LS107。它是一块双下降沿 JK 触发 器。其引脚功能电路如图 2.3所示：

　图 2.3 74LS107引脚功能电路 考虑到 TTL 逻辑器件的高电平驱动能力不强，对红灯我们采用如图 2.4 所示电 路 ：

　VCC

　LD

　VCC

　1 12 4 13

　U8 74 LS1 07

　1J 1C K 1K 1C LR

　1Q 1Q

　 3 2

　H1 H2

　22 0Ω 22 0Ω

　8 9 11 10

　2J 2C K 2K 2C LR

　2Q 2Q

　5 6 图 2.4 红灯控制电路 对于绿灯和黄灯的控制，我们从 25秒中选出 05秒到 01秒让黄等亮，其余时间 有绿灯亮。

　定时器输出真值表

　数字 QB1 QA1 QD0 QC0 QB0 QA0 25 1 0 0 1 0 1 24 1 0 0 1 0 0 23 1 0 0 0 1 1 22 1 0 0 0 1 0

　21 20 19 18 17

　1 1 0 0 0

　0 0 1 1 1

　0 0 1 1 0

　0 0 0 0 1

　0 0 0 0 1

　1 0 1 0 1 16 0 1 0 1 1 0 15 0 1 0 1 0 1 14 0 1 0 1 0 0 13 0 1 0 0 1 1 12 0 1 0 0 1 0

　11 10 09 08

　0 0 0 0

　1 1 0 0

　0 0 1 1

　0 0 0 0

　0 0 0 0

　1 0 1 0 07 0 0 0 1 1 1 06 0 0 0 1 1 0 05 0 0 0 1 0 1 04 0 0 0 1 0 0

　03 02 01

　0 0 0

　0 0 0

　0 0 0

　0 0 0

　1 1 0

　1 0 1 表 2.1 定时器输出真值表 由此真值表可以看出只要 QB1、QA1、QD0为 0 且 QC0、 QB不能全为 1.。对 QB1、 QA1、QD0为 0 这一条件可以用 3 输入或非门实现，对于 QC0、 QB不能全为 1 可 以用一与非门实现。如图 2.5所示：

　QB 0 QC 0

　74LS01 0 2

　U5A 3 4 5

　U5B

　6

　QB 1 QA1 QD0

　3 4 5

　U7B

　6 74LS27

　74LS00 图 2.5 5 秒控制电路 当计数到 5 秒时，U5B将输出 5 秒的低电平。

　这样我们就可以通过这个电路和触发器电路配合控制绿灯和黄灯的交替亮灭 。

　为了提高驱动能力，我们尽量使控制电路低电平有效，所以再使用 74LS27 上一 多余的或非门组成一非门电路对 U5B的输出取反来驱动绿灯亮。为了提高黄灯的 警示作用，让其闪烁，再用 74LS00上一多余的与非门对脉冲和 U7C的输出进行 与得到 5 秒的闪烁低电平信号。如图 2.6所示：

　接绿灯公共端 9 1 0 8 9 U 7 C U 5 B 接黄灯公共端 1 1 8

　U 5 C C P 1 0

　7 4 LS0 0 7 4 LS2 7 图 2.6 绿灯和黄灯接口电路 2.4、信号灯的设计 每条信号上都要安排两个灯，这两个灯可以是并联也可以是串联，为了减 小限流电阻上的损耗功率，同时也考虑到是逻辑芯片高电平输出有 4V 左右，而 发光二极管的驱动电平为 1 到 2V，我们采用了并联方式。如图 2.7 所示：

　R 图 2.7 信号灯模型 2.5 译码显示电路设计 译码显示电路较简单，直接将定时器输出的 BCD 码接入 74LS248 的输入端输 出端直接接对应的数码管引脚。因 74LS248 的控制端是低电平有效要将控制端全 部接高电平才能正常显示，其电路如图 2.8 所示：

　LED1 LED2

　b c d p b D - a a g d N g G f f e p a b c d e f gd a b c d e

　 R 11

　p c d D - N d G e 10 0Ω p f gd a b c d e f d p g a b c d e f d g p

　3 2 1 1 0 1 9 15 4 1 1 3 1 2 1 1 0 1

　9 51 1 4

　a b c d e f g

　U1 74 LS4 8

　a b c d e f g

　U2 74 LS4 8

　O B R I B

　I B R

　T L

　A B C D

　O B R I B

　I B R

　T L

　A B C D V CC 4 5 3 7 1 2 6 4 5 3 7 1 2 6

　1 A Q

　1 B Q

　0 A Q

　0 B Q

　0 C Q

　0 D Q 图 2.8 译码显示电路

　三、电路的安装与调试 3.1、通过前面的设计后，我们画出了整个电路的原理图，再在 EWB 和 protues 里进行了仿真，仿真都达到了理想的效果。再在 protel 里进行电路板的设计， 经过几小时的的设计得到了令人满意的 PCB 图，由于顶层线不多，我们选择用单 面板做，省成本，成功率也高些。这样做出板后，对线路进行检查，没发现有短 路或断路的线，再安装好各元器件。再次对线路、焊点引脚进行了检查排错，直 至无误。

　3.2、 在做好电路板后开始通电试验后，开始几秒钟数码管显示一些乱符号， 但过了几秒后进入了正常的显示，一个周期结束后返回到置数的 25 秒开始倒计 时。之后一直如此循环。说明电路已经正常工作了。至于开始为什么不能正常显 示，我们分析，由于通电瞬间芯片电源后各门的信号输入是同时给给的，输入和 输出可能不相配，导致出现一些乱符号。随着脉冲的推移，各门电路开始进入正 常的输入和输出。

　3.3、 显示正常后我们发现绿灯和黄灯的亮度不够，查看分析后找到了原因， 触发器的输出高电平不够。我们在触发器的输出端分别接一个 1K 的上拉电阻， 绿灯和黄灯发光正常了。

　3.4、 我们又对倒计时时间与准确时间对照，发现正常时间的 25 秒倒计时显 示确实 25+5 秒。即有 5 秒的误差。通过分析，这是由于脉冲发生电路里电容或 电阻标称值与实际值有误差。测量电阻值发现时实际电阻值与标称值相差无几。

　由于电容的实际值与标称值都会有较大的误差，我们通过以上测出的条件算出了 此电容的实际容量值，再算 R 的值。计算后，将 R1 改为 4.7K。最后对照准确时 间每个 25 秒只有 0.5 秒的误差了，但在允许的范围内了。

　四、设计总结和体会 从拿到数字电子技术任务书后，我们就开始对设计进行讨论和查阅资料。

　经过了几个星期的反复讨论和对电路的设计，最好我们成功设计出了这套电路， 这套电路总共使用了 8 块芯片，这是在我们不断的改善电路后得到的芯片最少的 电路，在电路中我们还发现只要再加两个与非门就可以实现对人过马路进行控 制。因为当与人过马路平行的车道亮红灯或黄灯时将不能让人过马路也就要亮红 灯。当与人过马路平行的车道亮绿灯时方可允许人过马路，即人的信号灯要亮绿 灯。由于设计中使用的是低电平亮灯，我们只要对车道的红灯和黄灯进行与来控 制人过马路的红灯，而绿灯与车道的绿灯相同。电路图如图 4.1 所示：

　LD

　V CC

　1 1 2 4 1 3

　4 5

　U 5 B 7 4 LS0 0 U 8 1 J 1 C K 1 K 1 C LR

　1 Q 1 Q

　6 1 2 3 2 4 5

　U 0 A 7 4 LS0 0 U 0 B

　H R1 3 R H R2 6 R

　8 9 1 1 1 0

　2 J 2 C K 2 K 2 C LR

　2 Q 2 Q

　5 6

　7 4 LS0 0 7 4 LS1 0 7 X 2 图 4.1 人行红灯控制电路 在前面介绍过，在显示 5-1 秒时，U5B 都是输出低电平的而触发器是每 25 秒翻 转一次。

　而人行的绿灯与平行车道绿灯时间相同不须再设计。

　但这样我们多用一块芯片 74LS00。由于题中也未做要求，我们决定放弃该

　电路。

　通过这次设计也提高了我们的动手实践能力，回想一下我们能一次性做成功 这块板真的很不容易，而这得益于我们酝酿了足够的时间一步一步成功的。

　尽管我们努力去改善方案和电路设计，但由于能力有限，我们所选方案和电 路设计可能还不是最好的。但我们总算也完成了任务。

　通过对这个电路的设计与制作，我体会到了数字电路给我们带来的乐趣。通 过这次的设计，一方面提高了我对数字芯片和电路的了解，令一方面也使我感觉 到自身知识的不足，为此我要更加努力的学习，真正掌握好数字电路和其它电子 知识。

　最后，在这里我要感谢老师对我们的栽培和给了我们这次动手的机会。

　参考文献 【1】

　谢自美，电子线路设计试验测试（第三版），华中科技大学出版社，2006.8. 【2】

　杨志中，数字电子技术（第二版），高等教育出版社，2003.12.

　附图一、电路原理图

　R1 L3 L1 220Ω VCC R2 Y3 Y1 220Ω R3 LED1 LED2 H3 H1 220Ω R4 L4 L2 220Ω

　a

　b p b

　c c d - D a g N g d G f

　e f e

　 p d d

　R11 D - N G 100Ω

　Y4 H4

　Y2 H2

　R5 R6

　220Ω 220Ω

　p a b c d e f gd a b c d e

　p f gd

　a b c d e f

　p g d

　a b c d e f

　g p d

　3 1

　2 1 0 5 4 1 1 1 1 91 a b c d e f g

　U1 74LS48

　3 1

　2 1 0 5 4 1 1 1 91 1 a b c d e f g

　U2 74LS48

　 9 10 11 U7C 8 9 8 U5C CP 10 O B R / I B

　O B R I I B / B T L I T L R A B C D B R A B C D VCC 4 5 3 7 1 2 6 4 5 3 7 1 2 6

　74LS10 2 1 2 13

　U5A 3 4 5 U7A 12 74LS27 12

　74LS27 U5B 74LS 0

　6

　74LS 0

　VCC 1 12

　4 13 8 9 11 10

　U8

　1J 1 CK 1K 1CLR 2J 2 CK 2K 2CLR 74LS107 3 1Q 2 1Q 5 2Q 6 2Q

　3 4 5

　U7B 6 74LS27

　13

　U5D 74LS 0

　11

　4.7KΩ

　R7

　4 U10

　8

　2 1

　3 1

　2 3 3 2 6 7 1 1 3 2 6 7

　RESET VCC

　R L C

　O C

　O B N W P UD

　A Q D L

　B Q

　C Q D Q A B C D

　U3 74LS192

　R L C

　O C

　O B N W P UD

　A Q D L

　B Q

　C Q D Q A B C D

　U4 74LS192

　10KΩ

　7 R8 6 2

　DISCHG OUT THOLD

　CVOLT TRIG 555 GND

　3 CP 5

　VCC 2 GND 1

　J1

　4 5 41 5 10 9 4 5 41 1 1 1 1 1 1 vcc vcc

　5 10 1 1

　9

　47μF + C1

　1

　C2 CP

　附图二、PCB 图