十字路口交通灯的设计与实现毕业设计.doc

1、目录摘要IIAbstractII一 课题要求分析21.1 任务说明21.2 初步思路21.3方案分析2二 电路设计22.1 秒脉冲电路22.2 状态循环模块22.3 计时器模块22.4 置数模块22.5 译码显示模块22.6 总电路图22.7 相关芯片介绍2三 电路仿真结果23.1 秒脉冲电路仿真23.2总电路仿真2四 结论与心得2五 参考文献2摘要交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力减少交通事故。本次课程设计就是以城市交通灯控制系统为背景，主要通过运用学过的数字电路设计的知识完成基础的交通灯基本功能，包括时间的定时和交通灯各种状态之间的转换， 并且要实现通行和

2、禁行的时间的设置。本次设计采用数字电路仿真软件Multisim对所设计的电路进行仿真和测试，并通过观察仿真结果看设计是否符合要求。交通灯通过状态转换，指挥车辆行人通行，保证车辆行人的安全，实现十字路口交通管理自动化，大大保证了城市交通的安全。关键词：城市化 交通灯 状态转换 数字电路仿真 交通安全AbstractTraffic lights are often used for intersection, used to control the car flow, improve the intersection vehicle capacity, reduce traffic acciden

3、ts. This course is designed to city traffic light control system as the background, the basic traffic lights function mainly through the use of learned knowledge based digital circuit design, including the conversion between the timing and traffic lights all time, and to realize the access and no ti

4、me setting. This design using the digital circuit simulation software Multisim is used to simulate and test the circuit design, and by observing the simulation results to see whether the design meets the requirements. The traffic light through state transition, command vehicle pedestrian passage, en

5、sure the vehicle pedestrian safety, realize the automation of crossroads traffic management, can ensure the city traffic safety.Keywords: urbanization Traffic lights State transition Digital circuit simulation Traffic safety21十字路口交通灯的设计与实现一 课题要求分析1.1 任务说明（1）要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行（以红绿灯指示）；变更车道以前，黄灯先

6、亮5秒钟，黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次；两个车道均以减计数方式显示时间，用2位数码管显示。（2）两车道的灯亮时间关系为：甲车道绿、黄、红灯亮的时间分别为m秒、5秒、n秒；乙车道绿、黄、红灯亮的时间分别为n5秒、5秒、m5秒。m和n可以预置。1.2 初步思路（1）可令m=60，n=25，即甲道路绿、黄、红灯亮的时间分别为60秒、5秒、25秒；乙道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、65秒。一个周期为90秒。（2）可用LED模拟交通灯，用七段数码管作为倒计时显示模块。（3）甲乙道路交通灯时序应该符合下图要求：黄灯（5秒）红灯（25秒）绿灯（60秒）图1.1 主车道时序要求绿灯（20秒）黄灯（

7、5秒）红灯（65秒）图1.2 次车道时序要求1.3方案分析图1.2为交通灯控制器的一个参考设计方案，在这一方案中，系统由控制器、定时器、秒脉冲信号发生器、信号灯组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作。秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需要的标准信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。图1.3 参考方案Tl和Ty为定时器的输出信号，St为控制器的输出信号.Tl：表示主车道或次车道绿灯亮的时间间隔，即车辆正常通行的时间间隔。定时到Tl=1，否则Tl=0.Ty：表示黄灯亮的时间间隔，定时到，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

8、定时器开始下一个工作状态的定时。根据实际的交通信号灯，设计一个交通灯信号控制器。甲、乙车道交替通行，甲车道每次放行20秒，乙车道放行60秒，绿灯亮表示通行，红灯表示停止。每次绿灯变红时黄灯先亮5秒。该交通灯控制系统的组成框图如下图1.4所示。状态控制器主要记录交通灯的工作状态，通状过状态译码器点亮相应状态的信号灯，秒信号发生器产生整个定时系统的时间脉冲，通过减法计数器对秒脉冲减计数，达到每一种工作状态持续时间。减法计数器的减进位脉冲使状态控制器完成状态转换，同时减进位根据系统下一个工作状态决定下一次减计数的初始值。减法计数器的状态由bcd译码器译码，数码管显示。最终将整个系统分为秒脉冲模块、状

9、态循环模块、倒计时模块、置数模块、译码显示模块。由于除了秒脉冲模块共用外，甲乙道路的其他模块电路基本相似，只有预置数和红绿灯亮灭顺序不同，因此之后的模块功能说明只以甲道路的部分做说明。图1.4 电路流程图二 电路设计2.1 秒脉冲电路产生时钟脉冲信号的电路有很多种，综合考虑电路的实现简易程度和成本，这里选择由555定时器组成的秒脉冲信号发生器。根据本学期数字电路课程所学的知识，可根据其计算公式，。又根据最终数码管显示为秒倒计时，可知秒脉冲发生器周期T为1s。令c=10F,则，R1=63k。R2=40k，图2.1 秒脉冲信号发生电路图2.2 状态循环模块甲道路状态循环图如下：状态（Q1Q0）主道

10、路倒计时秒数G（绿灯）Y（黄灯）R（红灯）01011601010150011025表2.1 加道路状态循环图因此计数器可选择芯片74LS192，功能如下： 输入输出CR /LD CPU CPD D3 D2 D1 D0Q3 Q2 Q Q01 X X X X X X X0 0 0 00 0 X X a b c da c d b0 1 1 X X X X加计数0 1 1 X X X X减计数表2.2 芯片74ls192真值表图2.2 芯片74ls192引脚图其中p0 p1 p2 p3置数并行数据输入；Q0、Q1、Q2、Q3计数数据输出；MR清零端；LD置数端；TUu-加法计数CP输入;TCd减法计数

11、CP输入；CO进位输出端；BO借位输出端。加减控制方式：控制信号为1时加计数，为 0时减计数。双时钟方式：外部时钟从CP+端输入时加计数，从CP-端输入时减计数。预置功能：所谓预置，就是控制端 =0时，使计数器的状态变成设定的外部输入常数，即QDQCQBQA=DCBA（输入数据）。同步预置方式： =0且下一个时钟有效边沿到来时完成预置。异步预置方式： =0后立即预置数据送入各触发器，与CP无关。复位功能：所谓复位，就是从复位端输入有效信号后，计数器恢复成初始状态（全0或某个常数）。同步复位方式：用复位信号与时钟信号CP配合完成。异步复位方式：用复位信号直接完成，与CP无关。时钟边沿选择：同步计

12、数器一般用上升沿触发，异步计数器一般用下降沿触发。有的同步计数器有两个时钟输入端，既可用上升沿触发，也可用下降沿触发。其它功能：计数器满模值时，产生一个进位输出CO信号或借位输出BO信号，作为标志信号或进位功能扩展。计数控制输入端（P、T），用来控制计数器是否计数。多片计数器级联时，可控制各级计数器的工作。图2.3 循环控制电路如图所示， 1脚和15脚接低电平，使得初始置数00。11脚接高电平，14脚接低电平，4脚接高电平，芯片工作在加法计数状态。当QA、QB输出均为1时，置数端口会变为低电平，芯片进入置数状态，将输入的四位数置到输出端口，而输入端口低两位为00，就会将QA、QB重新置为0，而

13、11脚置数端口因输出的改变又再次被置为高电平，芯片从置数状态重新回到加数计数状态，这样依次循环下去。2.3 计时器模块根据设计要求，交通灯要有一个能自动装入不同定时时间的计时器，以完成甲道路绿灯下60秒、黄灯下5秒、红灯下25秒的不同时间的倒计时任务。该计时器由两片74LS192构成的两位十进制可预置减法计数器完成。图2.4 计时器模块电路 如图所示，U8控制十位计数，U9控制个位计数，两芯片的5脚都接高电平，4脚接脉冲信号，使之工作在减法计数状态。U9的4脚接时钟脉冲，然后开始工作。当U9的输出减小到0000时，再减小1就会在13脚上产生一个下降沿脉冲，因为U9的13脚与U8的4脚相连，就会

14、使U8上的数减小1，形成十进制减法计数。当U8，U9上的数全部都是0000时，此时再减小1，两块芯片的13脚会同时产生下降沿，有一个短暂的低电平变化过程，经或门电路反馈到11脚置数端口，使11脚在短时间内被置为低电平，使U8，U9同时被置数，把输入端口的四位数字（即之前预置好的正确的倒计时秒数）传送到输出端口，之后13脚高电平，11脚置数端口被置为高电平，又重新进入减法计数状态。2.4 置数模块置数的模块选择的是74LS153数据选择器。通过之前的要求得知预置的秒数数字最大为6，换算为BCD码为0110，显然74LS192的四位输出位的最高位始终为0，即可忽略掉最高位，有效输入置数位仅为三位即

15、可。一个74LS153仅有两个输出，需要用三个74LS153芯片来输出BCD码的低三位，每一块芯片分别控制个位和十位的QC、QB、QA。而153的输出选择由状态控制芯片192的两位输出端控制完成。图2.5 芯片74ls153引脚图表2.3 芯片74ls153真值表置数模块电路图：图2.6 置数模块电路三片153芯片的输出控制都为A，B两个端口，而三片的这两个端口同时被状态循环芯片192的低两位输出QB，QA控制，A=QB，B=QA。当QBQA=00时，选通C0为输出，六个输出Y输出相应的电平，取C0为例，U8的1C0高电平，2C0低电平，U9的1C0高电平，2C0低电平，U10的1C0低电平，

16、2C0低电平，则合起来十位输出110，个位输出000，正好是60，则将60预置进显示减数芯片192进行减数计数。同样的原理，为01时，预置数为5，为10时，预置为20秒。之后因为状态控制芯片的循环控制使QBQA重新为00，重新开始计数，所以置数也重新从60开始，再一次进行循环预置数。2.5 译码显示模块仿真软件里有自带译码器的四线七段显示数码管，因此仿真时只需将四线七段数码管直接连接到74LS192的输出端即可。但实际上自带译码器的数码管并不常见，因此买到的是单独的七段显示数码管，所以还需要增加译码器来完成数字的显示。本次设计使用的是七段共阴数码管，译码器选用了74LS48译码器。下面是仿真中

17、使用的自带译码器的数码显示管构成的显示模块。图2.7 译码器显示电路与此同时，还要显示红绿灯的亮灭，本设计中红绿灯的亮灭与状态控制模块相连，经仿真测试，接通电源后，192先输出的是0001，所以其循环为011000，由于二极管是共阳的，所以灯在低电平状态亮，在高电平状态灭，所以可画出如下对应状态图：状态（Q1Q0）甲道路G（绿灯）Y（黄灯）R（红灯）010111010100110表2.4交通灯状态转换表可列出方程：G=/Q0, Y=/Q1, R=Q0+Q1. 图2.8 交通灯电路图三个LED显示灯阳极接VCC，U10B接控制模块QA输出，U10A接控制模块QB输出。由此可完成对红绿灯亮灭的控制

18、。2.6 总电路图图2.9 总电路图2.7 相关芯片介绍2.7.1 与非门（74ls00D），或门（74ls32）图2.10 74ls00D/74ls32引脚图A. B为输入端，Y为输出端。2.7.2 非门74ls04图2.11 74ls04引脚图A为输入端，Y为输出端2.7.3 译码器74ls48在实际电路中，七段数码管不能直接和74ls192芯片相连接，需要通过译码器74ls48桥接。图2.12 74ls48引脚图其中，A B C D为输入端，a,b,c,d,e,f,g分别接数码管的对应管脚。74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（YaYg）端外，7448还引

19、入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能： （1）7段译码功能（LT=1，RBI=1）在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA=0000外，RBI也可以接低电平。 （2）消隐功能（BI=0）此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表1倒数第3行，无论LT和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。

20、该功能主要用于多显示器的动态显示。 （3）灯测试功能（LT= 0）此时BI/RBO端作为输出端， 端输入低电平信号时，表1最后一行，与 及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。三 电路仿真结果3.1仿真软件Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无

21、需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench）公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自

22、己的需要加以选择。界面由多个区域构成：菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。3.1 秒脉冲电路仿真图3.1 秒脉冲电路图3.2 秒脉冲电路仿真结果 3.2总电路仿真图3.3 初始电路状态图3.4 第一次状态转换图3.5 第二次状态转换图3.6 第三次状态转换状态一：甲道路为绿灯，倒计时为60秒，乙道路为红灯，倒计时为65秒状态二：甲道路为黄灯，倒计时5秒，乙道路为红灯，倒计时为5秒。状态三：甲道路为红灯，倒计时25秒，乙道路为绿灯，倒计时为20秒。状态

23、四：甲道路为红灯，倒计时5秒，乙道路为绿灯，倒计时5秒。经过状态四回到状态一，由此产生一个循环，完成红绿灯的所有功能。3.3 元件清单元件序号型号数量备注174LS1926计数器274LS484四输入红色数码管374LS321或门474LS041非门574LS001与非门674LS1531数据分配器7发光二极管6模拟交通灯85101AS4数码管9电阻62k,40k2电阻四 结论与心得经过一周的努力，我终于完成关于交通灯控制电路的电子课程设计，我积累了许多实际操作经验，已初步掌握了数电的应用技术，以及数字电路的知识和有关器件的应用，我深刻体会到了数子电路技术对当今现代社会的重要作用。 经过这次设

24、计，我学会了许多东西，学会了严密的思考，构想及怎样把计划付诸于实际行动之中。同时与社会的不断高速发展的步伐相比，我认识到自己所学的知识和技能还远远不足。在这次课程设计中，我学会了如何有效的利用网络资源及图书馆的藏书，找到了几个很不错的专业网站，为以后的查阅专业方面的信息和相互之间的交流打下了坚实的基础，学会了如何看电路图，识别电路图，提高了自己的专业技能，同时也培养了自己独立解决实际问题的能力，也培养了自己认真和严谨的科学态度，收到了很大的启发，为以后的工作积累了些宝贵的经验。五 参考文献1 姚福安 主编. 电子电路设计与实践. 山东科技出版社2 祁存荣 主编. 电子技术基础实验. 武汉理工大学出版社3 粱宗善 主编. 电子技术基础课程设计. 华中理工大学出版社4 康花光 主编. 电子技术基础数字部分. 高等教育出版社5 刘可文 主编 数字电子电路与逻辑设计 科学出版社