交通灯课程设计报告

　目

　录

　一、设计目的 为了熟悉××课程,学习 proteus 软件的使用，以及锻炼自主动手能力能力，掌握多功能数字钟的工作原理，掌握基本逻辑门电路、译码器、数据分配器、数据选择器、数值比较器、触发器、计数器、锁存器、555 定时器等常用数字电路的综合设计方法，熟悉用 Proteus 软件进行数字电路仿真设计的方法。

　二、设计要求和设计指标 （1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。

　（2）当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。

　（3）主支干道交替允许通行，主干道每次放行 25s、支干道 25s。设计 25s 和 25s 计时显示电路。

　（4）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮 5s 的黄灯作为过渡，设置 5s 计时显示电路。

　三、设计内容 本交通灯设计主要由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路组成。秒脉冲发生器由NE555 产生脉冲，定时器由 74LS160 实现，控制器由 74LS153 和 74LS74 组成，译码电路采用 74LS48和七段数码管来显示。控制器通过 ST 信号对定时器进行控制，从而显示红黄绿灯的转换。设计分析如下：

　（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。

　3.1 数字钟电路工作原理 用数电电子技术来实现交通灯控制：

　 交通灯控制系统的原理框图如图 1-1 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 1-1 系统的原理框图 3.1.2 秒脉冲发生器

　秒脉冲发生器由 NE555 电路及外围电路组成，其中 R8=15K、R9=68K,C3=10uF 的电阻电容值决定了脉冲宽度。既 T=(R8+2R9)C2ln2 当 T=1S，即可凑出 R8、R9、C3 其中 C3=0.01uF 是为了保持输出的波形的稳定。如图 1-4 所示， R9=68K、C3=10uF 组成一个串联 RC 充放电电路，在 NE555的 7 脚上输出一个方波信号，C3 上得到一个三角波。此三角波送到 NE555 的 2 脚输入端。由 NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持 7 脚上的方波信号和 3 脚上的输出方波。

　图 1-4

　 秒脉冲发生器原理图 秒脉冲还可以由芯片 CD4060 和 74LS74 及其外围电路构成如图 1-4-4，该电路选用石英晶体结构成振荡器，在经过分频电路得到秒脉冲。振荡器的频率越高，计时精度越高。如果精度要求不高也可以采用集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器以及由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。因此，该设计选着由集成电路定时器 555 与 RC 组成的多谐振荡器来产生秒脉冲。

　图 1-4-4

　石英晶体和分频器构成的秒脉冲发生器 3.1.3 定时器

　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，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，计数器从零开始进行增 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 74LS160 进行设计较简便。74LS160 是 10 进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。74LS160 功能表如表 4-1 所示。

　表 4-1 秒脉冲 发生器 支干道 信号灯 主干道 信号灯 定时器 控制器 译码器

　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 表中 RD’是低电平有效的同步清零输入端，LD’是低电平有效才同步并行置数控制端，EP、ET是计 图 1-3 交通灯的 ASM 图数控制端，CO 是进位输出端，D0～D3 是并行数据输入端，Q0～Q 3是数据输出端。设计如图 1-5 图 1-5

　交通灯定时器 其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲 CLK 分别送给两个 74LS160 的清零端 9 处。如图所示：输入端分别接地.。U1 的 7 和 10 由 U2 的 11、14 经过与门相与后相连。.即：只有当时 11、14 处产生一个高电平脉冲时才能触发 U1 中的 14 产生脉冲。当 U13C74LS04 的 ST 信号分别送给 U1和 U2 的 LOAD。就可以得到 TY 和 TY 非是秒脉冲的 5 倍；TL 和 TL 非的结果是秒脉冲的 25 倍。

　除此，还可以用 74LS163 来实现这个定时器。但是由于该芯片不是十进制的计数器，因此在进位时要加上一个与门，设计如下图 1-5-5。因为该电路与 1-5 的定时电路多用了一个与门，因此不选用。

　图 1-5-5

　由 74LS193 构成的定时电路 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。列出控制器的状态转换表，如表 1-6 所示。选用两个 D 触发器 74LS74 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，就可以列出了状态转换信号 ST。

　表 1-6 控制器状态转换表 根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将 Q 1 n+1 、Q 0 n+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 1-7 所示。图中 R、C 构成上电复位电路。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。

　图 1-7

　交通灯控制器 其原理为：

　CLK 分别送给 U6A 和 U6B 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。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。

　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 1-8 所示。表中 A、B 代表甲、乙车道。

　表 1-8

　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

　 0 0 0 1 1 0 0 1

　 1 0 0 1 0 1 0 由秒脉冲发生器产生了周期性变化的 CLK 脉冲，一部分送给了定时器的 74LS160 芯片，另一部分送给了控制器的 74LS74 芯片。在脉冲 ST 同时加到定时器 74LS160 芯片的情况下，通过芯片74LS10 将会输出 TY、TY 非；TL、TL 非。即 TY 和 TY 非放大的结果是秒脉冲的 5 倍；TL 和 TL非放大的结果是秒脉冲的 25 倍。前者输出的信号是后者的 1/5。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。电路图设计如图1-9 图 1-9 译码器部分原理图

　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 1-9 图 1-9

　由 74LS48 和数码管组成的电路 3.2 仿真结果与分析

　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。

　仿真结果如下：

　四、本设计改进建议 交通灯的状态转换和计时时间的显示，基本能实现甲、乙道路直行的显示功能。但交通灯中没有右转灯，用的器材太多，计时显示不是倒数计时。

　五、总结（感想和心得等）

　开始拿到题目的时候，不知道怎么去做,因为自己对这门课的设计都不是很会，对很多器材的功能都不是很清楚，所以做得特别认真。从收集资料到设计电路再到仿真一共用了三天的时间。连接仿真电路一共用了一天多的时间才做好。

　 通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。现在设计已经做好了，虽然花了很多的时间，但学到了很多东西。做课程设计的时候,自己把整个书本都看了几遍，再加上查阅相关资料和询问老师及同学，增强了自己对知识的理解，很多不是很懂的问题现在都已经一一解决了。在课程设计的过程中，我想了很多种方案，对同一个问题(像计数器的接法)都想了很多种不同的接法，最后还是采取了最后选择的这种方法进行连接。熟悉了仿真软件的使用，培养了我对数字集成电路应用方面的综合实践技能，掌握综合运用理

　论知识以解决实际问题的能力。通过电路设计、安装、调试、整理资料、答辩等环节形成独立思考问题的能力，并培养了我的创新能力和自主学习的能力：如查阅资料、懂得如何根据需要选择器件等。

　六、主要参考文献 [1]《数字电子技术基础教程》 ，阎石 主编 ，清华大学出版社

　[2]

　康华光. 电子技术基础. 北京：高等教育出版社，1999 年 [3]

　罗杰等编. 电子技术基础试验. 北京：高等教育出版社，2008 年

　[4]

　金唯香等编. 电子测试技术. 长沙：湖南大学出版社，2004 年 七、附录 总原理图如下所示：