交通灯设计数电课程设计报告-数电实验交通灯课设

　 Compilation of reports 20XX 报 告 汇 编

　报告文档·借鉴学习 2

　课程设计论文

　题 题

　目：

　交通灯定时控制系统的设计、制作

　学 学

　院：_

　___

　专 专

　业：____

　学 学

　号：_____

　姓 姓

　名：________ 指导教师：_________

　完成日期：

　报告文档·借鉴学习 3

　设计任务书 在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。

　设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：

　（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为 25 秒。

　（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮 5 秒钟，才能变换运行车道。

　（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。

　选做扩展功能：

　（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数； （5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在 0~99s 内任意设定。

　报告文档·借鉴学习 4

　目录 一、交通灯设计原理………………………………………………4

　 二、单元电路的设计……………………………………………....8 1、秒脉冲发生器……………………………………………..8

　2、定时器………………………………………………….…..9

　3、控制器…...………………………………………………..11

　4、译码器……………………………………………...……..14

　5、显示部分………………………………………………...16 6. .整个交通灯控制系统的布局……………………………...17

　三、仿真过程与效果分析................................................................17 四、元器件清单................................................................................19 五、体会总结....................................................................................20 六、参考文献....................................................................................21 七、附录

　报告文档·借鉴学习 5

　一．交通灯设计原理

　 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 交通灯控制系统的原理框图

　报告文档·借鉴学习 6

　两方向车道的交通灯的运行状态共有 4 4 种(因人行道的交通灯和车道的交通灯是同步的,所以不考虑)，如表 1 所示 表 1

　一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下：

　（1）图甲车道绿灯亮，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，已信号灯状态 车道运行状态 甲绿，乙红 甲黄，乙红 甲红，乙绿 甲红，乙黄 甲车道通行，乙车道禁止通行 甲车道缓行，乙车道禁止通行 甲车道禁止通行，乙车道通行 甲车道禁止通行，乙车道缓行

　报告文档·借鉴学习 7

　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表 2 所示 表 2 控制工作状态及其功能 控制器状态 信号灯状态 车道运行状态 S0（00）

　S1（01）

　S2（11）

　S3（10）

　甲绿，乙红 甲黄，乙红 甲红，乙绿 甲红，乙黄 甲车道通行，乙车道禁止通行 甲车道缓行，乙车道禁止通行 甲车道禁止通行，乙车道通行 甲车禁止道通行，乙车道缓行

　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； 由此得到交通灯的 ASM 图，如 图 2 所示。

　设控制器的初始状态为S0 （用状态框表示 S0 ），当 S0 的持续时间小于 25 秒时，TL=0

　报告文档·借鉴学习 8

　示 （用判断框表示 TL ），控制器保持 S0 不变。只有当 S0 的持续时间于 等于 25 秒时，TL=1， ，到 跳转到 S1 ，这时当 S1 持续时间小于 5 秒时TY=0 ，控制器保持 S1 不变，只有当持续时间等于 5 ， 秒时， 控制器发号 出状态转换信号 ST （用条件输出框表示 ST， ）， 也就是说每跳转一次为 持续总时长为 30 秒，然后个 转换到下一个 S2 状态，满足条件又跳到S3 的总时长 30 秒 秒 工作状态。

　依此类推可以弄懂 ASM 图所示表达的含义。

　图 2． 画出交通灯 控制器的 ASM

　AG BR T L

　AR BY AR BG AY BR T Y

　T L

　T Y

　S T

　S T

　0 1 0 1 0 1 0 1

　报告文档·借鉴学习 9

　三．单元电路的设计

　（1 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/(R 1 +2R 2 2 )C

　电路图如下图：

　 图 3 秒 脉冲产生器

　报告文档·借鉴学习 10

　图 4 秒脉冲产生器结果

　 （2 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 0 开始进行加 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。其功能表如表 所示。表中，LD’为置数端，RD’为清除端，EP,ET 为使能端。图 4则为两片 74LS163 连接的定时电路图。

　报告文档·借鉴学习 11

　表 3 74LS163 功能表 CLK RD’ LD’ EP

　 ET 工作状态 X

　↑

　X

　X

　↑

　0

　 1

　1

　1

　1 X

　0

　1

　1

　1 X

　X

　X

　X

　0

　 1

　X

　 0

　1

　 1 置零

　预置数

　保持

　保持（C=0）

　计数

　 图 5 74LS163 组成定时器电路图 还可以用 74LS160 来实现这个定时器。但是由于该芯片不是二进制而为十进制计数器，在进行拓展是更加方便。其定时器电路图如下：

　报告文档·借鉴学习 12

　 图 6 74LS160 组成的定时器电路图

　 （3 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。从 ASM 图可以列出控制器的状态转换表，如表12、3 所示。选用两个 D 触发器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 Q1n+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，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

　报告文档·借鉴学习 13

　根据表 12、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。

　控制器原理图如图 7 所示。由两个双多路转换器 74LS153 和一个双 D 触发器 74LS74 组成控制器。触发器记录 4 种状态，多路转换器与触发器配合实现 4 种状态的相互交换。

　电路逻辑图如下：

　报告文档·借鉴学习 14

　图 7 控制器逻辑图

　 其原理为：

　CLK 分别送给 U7A 和 U7B 的 3 和 11 的清零端。将TY 接入 U4 的 5 和 U5 的 4 和 5；TY 非接入 U4 的 4；TL 接入 U4 的10 和 U5 的 3 和 6；TL 非接入 U4 的 13。如上图所示：74LS74 两个D 触发器作为时序寄存器产生 4 种状态。选用数据选择器 74LS153来实现每个 D 触发器的输入函数，将触发器的的现态值加到 74LS153的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。

　报告文档·借鉴学习 15

　(4 ）译码器

　 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 Q 1

　 Q 0

　AG 绿灯 AY 黄灯 AR 红灯 BG 绿灯 BY 黄灯 BR 红灯 0

　 0 1 0 0 0 0 1 0

　 1 0 1 0 0 0 1 1

　 1 0 0 1 1 0 0 1

　 0 0 0 1 0 1 0

　通过与门来简洁翻译成两路交通的亮灭，其中，黄灯的闪烁，是通过时钟信号的高低电平和 Q1，Q0 的状态控制其亮灭及闪烁。

　下图为译码器及交通灯部分的电路图：

　报告文档·借鉴学习 16

　 图 8 译码器及交通灯电路图 其原理为：将定时器输出的 TY。TY 非；TL。TL 非分别作用于控制器的芯片 74LS153 中，在 CLK 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 74LS08 组成的译码器后再通过电路中的指示灯和 200 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。

　报告文档·借鉴学习 17

　(5 ）显示部分

　显示部分由 74LS48 和共阴极七段数码管组成，74LS48 作为译码器，对 74LS160 的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出74LS160 的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计如图下：

　图 9 显示部分电路图

　报告文档·借鉴学习 18

　(6) 整个 交通灯控制系统的布局

　四． 仿真过程与效果分析 1. 系统调试与结果

　（1）组装调试秒脉冲电路。

　（2）进行定时电路的组装和调试。当输人 1Hz 的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到 25 时，能输电有效的定时时间到信号。

　（3）调试交通灯控制器以及显示部分。

　（4）判断各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。

　最终调试如下：

　接上电源,便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为 25 秒，甲车道方向绿灯亮，行人车辆都可自由通行；乙车道方向车道的红灯亮，车辆禁止通行。时间显示器从预置的 0秒，以每秒增 1，增到 25 到 0 时，甲道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。从增至 5 秒又到 0 后时甲车道的黄灯转换为红灯；乙车道的红灯转换为绿灯。如此循环下去。

　2. 实体电路

　仿真成功后，按照仿真图进行实物连接及调试。调试过程如下：

　（注：调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。）

　电路通电前的检查：

　电子安装完毕，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔

　报告文档·借鉴学习 19

　细检查。其检查内容包括：

　（1）

　连线是否正确 按照实际线路来对照原理图电路进行查线。以元件为中心进行查线。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，防止出现错线和少线，多线。同时对于已查过的线通常应在电路图上做出标记。

　 （2）

　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。

　以上检查完毕后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。若无异常则直接通电。

　报告文档·借鉴学习 20

　四．元器件清单

　集成电路

　1 74LS74

　1 片

　2 74LS48

　2 片

　2 74LS163

　 2 片

　（或 74LS160

　2 2 片）

　1 74LS04

　1 片

　2 74LS08

　2 片

　2 74LS153

　 2 片

　1 74LS00

　1 片

　1 N555

　 1 片

　芯片座若干

　电容

　10 μ F ,

　0.01 μ F ,

　电阻

　47K Ω

　两个

　发光二极管

　6

　个

　（红黄绿各 2 2 个）

　报告文档·借鉴学习 21

　 五．体会心得

　通过这次课程设计，不仅加深了我对数字逻辑电路的理解，而且加强了我独立思考和合作交流及动手能力。通过每个模块的设计加深了对理论知识的掌握，同时在焊接电路板时，真切的到实践和理论并非同一回事，比如在 TL 和 TL 非的转换是，我一开始采用的是与门和非门，结果需要给74LS163 高电平信号才能进行循环，但是在仿真中却能得出正确结论，经过多次示波器检测，发现 TL 和 TL 非处出现了不定态所导致，最后将 TL 和 TL 非处的转换变成与非门和非门的连接方式。从这次实践中，深深的体会到了“实践出真知”这句话的真正内含。

　同时在这次实践中，加强了对各种元器件的认识，比如电解电容引脚长的为正极，集成片该如何放置等，同时使更加熟练了焊接技术。还认识到多跟同学交流的重要性，这样不仅可以是自己设计出更好更简洁的电路，而且能使自己少走弯路，分享彼此在实践中中的遇到的问题，还可以使自己学到更多，对问题理解的更加透彻。比如刚开始时自己设计的仿真电路出问题时，通过和他人讨论发现问题出在74LS163 的置数端没有接高电平，并且我也帮别人检查的仿真电路时知道了 74LS153 的输入端口应该注意顺序。

　通过本次实践，我也知道了耐心才能出成绩，坚持才能

　报告文档·借鉴学习 22

　达成目的。在第一遍仿真的时候，我发现自己的电路图出不了答案，但是对自己的思路进行检查发现没有错误。为了防止是接线上的错误，我又做了第二遍，结果依然失败。最终经过四次仿真，多个问题的逐个解决才得到了正确数据。而在焊实际电路板时，我第一次的电路板出现了电源和地之间出现了部分短接，经过多次排查依然查找不出原因。在这样的沮丧下，我只好重新焊过，并且改进自己的方法，最终我才获得了一块成功的交通灯电路板。不得不说，如果不是这份和坚持我想我这两个星期中可能早就放弃了。

　经过这次课程设计我学到了很多东西。社会不断发展的电子产品的实践使我认识到我现在所学的知识还远远不够，在实际应用操作中有些问题还不能解决。所以我要在今后的学习更加努力，学好自己的专业知识以扩充自己，来适应日新月异的社会。

　 六．参考文献

　1．《数字电子技术基础》

　 高等教育出版社 2.《电子技术基础实验教程》

　 湘潭大学出版社 3．《555 集成电路实用电路集》

　高等教育出版社

　报告文档·借鉴学习 23

　4 《TTL 集成电路应用》

　机械工业出版社 附

　录

　附录一 芯片引脚图

　 NE555

　74LS48

　74LS74

　报告文档·借鉴学习 24

　 74LS153

　74LS00

　74LS04

　 74LS08

　报告文档·借鉴学习 25

　附录二 焊接电路板

　报告文档·借鉴学习 26