电子技术课程设计

课题：十字路口交通管理器

系    别：  电气与电子工程系

专    业：   

姓    名：  

学    号：  

20##年06月21日

一、指导教师评语（根据学生设计报质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。

二、评分

课程设计成绩评定

 

             

摘要：设计一个十字路口的交通灯控制电路，实现东西方向车道和南北方向车道两条交道路上的车辆交替运行的控制，每次通行时间都设为6~45秒。时间可设置修改。在绿灯红灯亮前，要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道；黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。方向南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显（采用倒时的方法）。同步设置人行横道红、绿灯指示。

关键词：交通灯  设计原理与参考电路  过程与效果分析

交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。以下就交通灯控制系统的电路原理、设计和实验调试等问题来进行具体分析讨论。

设计原理与参考电路

1、交通灯控制系统的原理如下：

技术指标与要求

状态1：主干道方向通行，支干道方向禁止通行，历时1min。

状态2：主干道方向禁止通行，支干道方向仍然禁止通行，历时3s。

状态3：主干道方向禁止通行，支干道方向通行，历时30s。

状态4：主干道方向仍然禁止通行，支干道方向禁止通行，历时3s。

2、              方案

选用JK触发器，设状态编码为：S0=00   S1=01   S2=11   S3=10，其输出为Q1 Q0，则其状态表为：

表1  状态编码与信号灯关系表

图1电路接法图

3、              倒计时计数器

十字路口要有数字显示，作为倒计时提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1，计数方式工作，直至减到数为“3”和“０”，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。在倒计时过程中计数器还向译码器提供模3的定时信号T3和模0的定时信号T0。

作G=0时的卡诺图：

 

    00      01      11       10

 

倒

计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。

计数器选用集成电路74190进行设计。74190是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能、保持功能。74190没有专用的清零输入端，但可以借助QA、QB、QC、QD的输出数据间接实现清零功能。

表2  74190的状态表   

现选用两个74190芯片级联成一个从可任意设定时间00~99倒计至00的计数器，其中作为个位数的74190芯片的CLK接秒脉冲发生器（频率为1），再把个位数74190芯片输出端的QA、QD用一个与门连起来，再接在十位数74190芯片的CLK端。当个位数减到0时，再减1就会变成9， 0（0000）和9（1001）之间的QA、QD同时由0变为1，把QA、QD与起来接在十位数的CLK端，此时会给十位数74190芯片一个脉冲数字减1，相当于借位。具体连接方法如图2：

图2 计数器连接图

信号LD由两个芯片的8个输出端用或门连起来，决定倒计时是置数，还是计数。工作开始时，LD为0，计数器预置数，置完数后，LD变为1，计数器开始倒计时。当倒计时减到数00时，LD又变为0，计数器又预置数，之后又倒计时，如此循环下去。

 图3  预置数功能说明图

预置数（即车的通行时间）功能：如图3所示，８个开关分别接十位数74190芯片的D、C、B、A端和个位数74190芯片的D、C、B、A端。预置数的范围为0～99。假如把通行时间设为25秒，就像图1的接法，H接0，J接0，K接1，L接0，8接0，4接1，2接0，1接1。（接电源相当于接1，接地相当于接０）

                                图4 译码器

向译码器提供模5的定时信号T5和模0的定时信号T0：

T0表示倒计时减到数“00”（也即绿灯的预置时间，因为到00时，计数器重新置数），T0=1，此时T0给译码器一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。接法为：把两个74190计数器的8个输出端用一个集成的八输入一输出或门连起来。

T5表示倒计时减到数“05”时。T5=1，此时T5给译码器一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯的变为黄灯，红灯的不变。接法为：当减到数为“03”（0000  0011）时，把十位计数器的输出端QA、QB、QC、QD连同个位计数器的输出端QB、QD用一个或非门连起来，再把这个或非门与个位计数器的输出端QA、QC用一个与非门连接起来。具体连接方法如图4所示。

要求黄灯每秒闪一次，用一个频率为1的脉冲一端与控制黄灯的输出信号的JK触发器连接起来，另一端再接到黄灯。

整个交通灯控制系统的布局黄灯闪烁控制

如图5所示

图5  交通灯控制图

过程与效果分析

1、根据题目的要求，整个交通灯控制系统需要有4个时间显示器，28个交通灯。我在这里共接了6个时间显示器，其中4个用于交通倒计时，另外2个用于显示当前置数

                                 图6  模拟输出界面

2、点击启动按钮,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60秒，打开开关后，主干道方向绿灯亮，“东来西往”的行人车辆都可自由通行；支干道方向车道的红灯亮，南来北往的行人车辆皆禁止通行。时间显示器从预置的60秒，以每秒减1，减到数3时，主干道方向车道的绿灯转换为黄灯，而且黄灯每秒闪一次，其余灯都不变。减到数1时，1秒后显示器又转换成支干道预置的30秒，以每秒减1，减到数3时，支干道方向车道的绿灯转换为黄灯，而且黄灯每秒闪一次，其余灯都不变。减到1时主干道绿灯亮，如此循环下去。

3、修改通车时间为其它的值再进行仿真（时间范围为0~99秒），效果和上面差不多，主干道方向车道的绿灯亮，时间倒计数3，车灯进行一次转换，到0秒时又进行转换，而且时间重置为预置的数值，如此循环。

开始拿到题目的时候,还不知道怎么去做,因为自己对这门课的一般设计都不是很会.对很多的芯片的功能都不是很清楚。

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,自己感觉还是比较好的,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,增强了自己对知识的理解,很多以前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,运用不同的芯片进行了比较,最后还是采取了上面的方法进行连接.在连线过程中,经常会遇到一些问题,比如接错线,无意中删除了一些线等,使自己感觉到有点点的力不从心.从开始做课程设计那天起,脑中天天都想着同样的问题,怎么去接线,怎么去把电路弄得更加简单,怎么别人更容易看懂.但似乎时间过得真的很快,我用了好几天才把它完全弄完,完成后,心里有一种说不出的高兴.

这次课程设计之后,使我明白了,做任何事情都要认真仔细,不然的话,你会花更多的时间才会做好.课程设计有利于提高我们的动手能力,能把我们所学的书本知识运用到实际生活中去.同时也丰富了我们的业余生活,提高我们对知识的理解能力。

参考资料

[1] 电子电工技术试验

[2] 余孟尝.《数字电子技术基础简明教程》

[3] 毕满清.《电子技术实验与课程设计》

[4] 阎石.《数字电子技术基础》

 

第二篇：数电交通灯课程设计

自动化课程设计  交通灯

目录

1 设计目的………………………………………………………4

2 设计思路………………………………………………………4

3 设计过程………………………………………………………4

3.1方案论证……………………………………………………4

3.2电路设计……………………………………………………6

3.2.1秒脉冲发生器………………………………………………………6

3.2.2定时器………………………………………………7

3.2.3控制器………………………………………………9

3.2.4译码电路……………………………………………10

3.2.5显示部分……………………………………………11

3.2.6总原理图……………………………………………12

4系统调试与结果………………………………………………12

5主要元件………………………………………………………12

6 结论……………………………………………………………13

7设计心得体会…………………………………………………13

8 附录……………………………………………………………13

  8.1总原理图……………………………………………………13

  8.2 PCB图………………………………………………………14

9参考文献…………………………………………………………14

交通灯控制电路

摘要：交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车辆的流量，提高交叉路口车辆的通行能力，减少交通事故。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。

关键字：交通灯  控制器  秒脉冲发生器  定时器  译码器

1 、设计目的

（1）熟悉集成电路的引脚安排。

（2）掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。

（3）了解面包板结构及其接线方法。

（4）了解数字交通灯控制电路的组成及工作原理。

（5）学会用仿真软件对设计的原理图进行仿真。

（6）熟悉数字交通灯控制电路的设计与制作。

2、设计思路

（1）设计秒脉冲发生器

（2）设计交通灯定时电路

（3）设计交通灯控制电路

（4）设计交通灯译码电路

（5）设计交通灯显示时间电路

3 设计过程

3.1方案论证

方案一   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

交通灯控制器的ASM 如图1-3所示

　　（1）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）乙车道黄灯亮，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，乙车道绿灯亮。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1、2所示，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，并作如下表1-2规定：

表1-2

由此得到交通灯的ASM图，如 图1-3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（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。

图1-3  交通灯的ASM图

方案二  用单片机技术来实现交通灯控制

        用单片机技术来来实现交通灯控制是最容易实现的，而且该电路可靠性也很高，但是这是要求设计者要有单片机编程的基础上才能完成设计。由于本人单片机编程基础不是很好，所以选用了数字电子技术来实现交通灯控制。

3.2．单元电路的设计

3.2.1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

3.2.2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

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3.4.5.6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

3.2.3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。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。

3.2.4译码电路

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

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

3.2.5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1-9

            图1-9  由74LS48和数码管组成的电路

4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。

5主要元件

集成电路：NE55—1片  74LS160—2片 74LS08—2片 74LS04—2片 

74LS153—2片 74LS74—2片  74LS48—2片 5106AS—2片

74LS20—1片（74LS04芯片含有4个非门，08、20芯片同上）

电阻： 200欧姆—9个 15K欧姆—1个  68K欧姆—1个   

电容： 0.01uF—1片  10uF—2片

其他：发光二极管—6个

6、结论

1、能实现的功能

    交通灯的状态转换和计时时间的显示，基本能实现甲、乙道路直行和转弯灯的显示功能。

2、不足之处

    交通灯中没有右转灯，用的芯片太多。

7、设计心得体会

开始拿到题目的时候，不知道怎么去做,因为已经有半年没看数电了，自己对这门课的设计都不是很会，对很多的芯片的功能都不是很清楚，而且还要带一个专升本的同学去做这个设计，所以做得特别认真。从收集资料到仿真在到做实物一共用了半个月的时间。在做PCB板的时候，花了很长的时间去布线，由于芯片太多，线很乱不得不手动布线，一共用了一天的时间才做好。

   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,但是控制器控制信号灯不是很好。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，增强了自己对知识的理解，很多以前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，运用不同的芯片进行了比较，最后还是采取了上面的方法进行连接。

8 、附录

8.1总原理图1-10和1-11（如下）

                     图1-10   仿真图一

                   图1-11  仿真图二

8.2 PCB图

9、参考文献

[1] 康华光. 电子技术基础. 北京：高等教育出版社，1999年

[2]罗杰等编. 电子技术基础试验. 北京：高等教育出版社，20##年

[3] 金唯香等编. 电子测试技术. 长沙：湖南大学出版社，20##年

[4] 阎石. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，20##年