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通灯控制电路设计

8

课程设计成果说明书

题目：

交通灯控制电路设计

学生姓名：

学号：

学院：

班级：

指导教师：

浙江海洋学院教务处

年月日

浙江海洋学院课程设计成绩评定表

2013—20014学年第2学期

设计

题目

通灯控制电路设计

完成

期限

自2014年4月28日至2014年5月20日共4周

设

计

依

据

自上而下法

（1）明确所要设计系统的逻辑功能；

（2）确定系统方案与逻辑划分；

（3）采用某种算法描述系统；

（4）设计控制器和处理器，并组合成所需要的数字系统。

设

计

要

求

及

主

要

内

容

设计一个交通灯控制电路。

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30s、支干道20s。

设计30s和20s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，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外，设置5s计时显示电路。

参

考

资

料

[1]康华光.电子技术基础模拟部分.高等教育出版社，

[2]康华光.电子技术基础数字部分.高等教育出版社，2006.1-430

[3]刘明丹.基于数字电路对交通灯控制的研究与设计.实验技术与管理.

[4]任中民.交通灯数字控制系统的电路设计，

[5]陈宗梅.交通灯控制系统电路设计.重庆职业技术学院学院

指导教

师签字

日期

通灯控制电路设计

（东海科学技术学院机电系浙江舟山316000）

摘要

本文着眼于目前普遍应用在城市道路上的交通灯控制系统，从课程设计的题目要求出发，设计了一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路。

首先进行交通灯状态变换的分析和交通灯总体框架的设计，接着提出了2种电路设计方案，通过优劣比较后选定了方案2：

先设计让倒计时显示器按规律运行的电路，再通过倒计时电路的信号来控制交通灯按4种状态循环变换。

往555定时器输入工作电压电流，4Hz方波脉冲由555定时器产生，再由74LS193实现4分频，最终输1Hz的脉冲信号；用两块74LS193实现倒计时，一块显示十位，一块显示个位，用2个D触发器74HC74

实现30s，20s，5s时间的转换；利用倒计时电路控制4个状态。

最后通过74LS138和相应的逻辑门实现对交通灯亮灭的控制。

关键字：

交通灯控制电路proteus仿真电路设计

目录

1设计任及指标.....................................................1

2交通灯控制电路分析...............................................1

2.1交通灯运行状态分析..............................................1

2.2电路工作总体框图................................................2

2.3方案比较........................................................2

3交通灯控制电路设计...............................................3

3.1电源电路........................................................3

3.2脉冲电路.......................................................3

3.3分频电路.......................................................4

3.4倒计时电路......................................................5

3.5状态控制电路....................................................6

3.6灯显示电路......................................................7

3.7总体电路图......................................................8

4实验数据和误差分析................................................9

5课程设计的收获、体会和建议........................................9

6参考文献..........................................................9

7附录.............................................................10

1设计任务及指标

1.1设计目的

1.掌握交通灯控制电路的设计、组装与调试方法。

2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法。

1.2设计任务与要求

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30s、支干道20s。

设计30s和20s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，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外，设置5s计时显示电路。

2交通灯控制电路分析

2.1交通灯运行状态分析

交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。

一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。

每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。

交通灯的运行状态共有四种，分别为：

状态0：

东西方向车道的绿灯亮，车道，人行道通行；南北方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行。

状态1：

东西方向车道的黄灯亮，车道，人行道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；

状态2：

东西方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道，人行道通行；

状态3：

东西方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道，人行道缓行；

4种状态循环往复，并且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。

交通灯电路的具体运行状态框图如图2.1（人行道交通灯）所示:

图2.1交通灯运行状态分析图

2.2电路工作总体框图

交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图2.2所示，有电源电路，脉冲电路，分频电路，倒计时电路，（交通灯）状态控制电路，灯显示电路。

电源→脉冲电路→分频电路→倒计时电路→显示器

↓

状态控制电路

↓

灯显示电路

图2.2交通灯控制电路功能模块框图

2.3方案比较

从交通灯控制电路功能模块框图可知在倒计时电路，状态控制电路，灯显示电路这三块电路产生设计分歧。

所以实现交通灯控制电路可以有2种方案：

（1）先设计出让交通灯按4种状态循环变换的灯显示电路，再通过灯的状态控制倒计时显示器的显示的功能；

（2）先设计让倒计时显示器按规律运行的电路，再通过倒计时电路的信号来控制交通灯按4种状态循环变换；

方案1，2均符合设计的要求，但通过具体实践和分析方案1显示电路需要比较多的芯片，其电路不是太复杂，但是过程比较繁琐。

而方案2让显示电路来控制灯的发亮，这样显示电路就不受其他信号的影响，并且通过显示电路来控制交通灯的状态变换比较容易。

综上所述，选择方案2来设计具体的电路。

3交通灯控制电路设计

3.1电源电路

电源电路主要由整流、滤波、稳压三部分组成，用于供给数字电路的工作电源。

整流部分由变压器与整流桥KBP210G组成。

220V、50Hz的交流输入经过变压器之后，输出9V、50Hz的交流电压。

该电压输入整流桥，整流桥由四只整流二极管接成电桥的形式组成。

整流桥输出8.1V的直流电压。

滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，由1mF的电容组成电容滤波电路。

电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小，适合负载电压较高，负载变动不大的场合。

稳压电路用于稳定电压的输出，由三端集成稳压器L7805和电容组成。

C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C4用于减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。

图3.1稳压电源

本次设计为了保证设计的精简与绘图的简洁，直接用8.1V直流电源代替

3.2脉冲电路

利用555定时器为主组成多谐振荡器，输出4Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。

555定时器的原理图如图3.2所示，功能表如表1所示：

图3.2555定时器原理图

表1555定时器功能表

输入输出

阀值输入Vi1

触发输入Vi2

复位Rd

输出V0

放电管T

×

×

0

0

导通

<2Vcc/3

1

1

截止

>2Vcc/3

>Vcc/3

1

0

导通

<2Vcc/3

>Vcc/3

1

不变

不变

组成的脉冲电路如图3.3所示：

图3.3脉冲电路

根据功能表和电路图计算如下：

tpL=R2Cln2≈0.7R2C

tph=（R1+R2）Cln2≈0.7（R1+R2）C

f=1/（tpl+tph）≈1.43/（（R1+2R2）C）

取R1=10kW，R2=10kW，C=1.6uF。

即可实现输出4Hz的矩型方波。

值得注意的是，在输出端接上了一个开关，可以控制系统工作的开始和暂停。

3.3分频电路

分频电路利用计数器74LS193来实现，根据上面计算取4分频，即输出为2Q端，电

路如图3.4所示：

→

3.4倒计时电路

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s减1的计数方式工作，直至减到数为5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。

根据题目的要求南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30s、支干道每次通行时间为20s。

也就是一个循环是50s，如此先显示30s后显示20s倒计时，然后再显示30s倒计时，以此类推。

设计时采用两块74LS193，一块是显示十位，一块是显示个位。

个位接成十进制，从9开始倒计时，当到达0时，向高位发出一个借位信号，再继续从9倒计时。

一开始使十位数置数为3，二进制为0011，个位数为0，二进制为0000，此时个位产生一个借位信号给十位的脉冲输入端，十位的74LS193芯片倒计时一次，结合个位的设置，电路从30开始倒计时。

当主车道绿灯亮了25s，倒计时也已经数到了5了，此时，个位显示5，十位显示0，主车道的绿灯熄灭，主车道的黄灯开始倒计时闪亮5s，当倒计时到0后，芯片74LS193发出一个借位信号，向高位借数，但是高位已经是0了，按照要求此时十位应该是从0翻转2，即二进制0010，为了实现这功能，通过研究十位的二进制数发现，十位的二进制是从0011、0010、0001到0000计数完，翻转为二进制0010，然后从0010、0001到0000倒计时，当到0000后就结束一个循环，又从0011开始新的一个循环。

从二进制0011和0010两个不同的预置数，发现可以用1个D触发器74LS74接成T触发器并把Q端接至十位倒计时的最低位来完成这个功能。

高位产生借位信号时将Q端的信号置入，当这个借位信号（低电平）消失后，产生一个上升沿的脉冲信号，使T触发器翻转然后保持，下一个借位信号来时就把此时的Q值置入（此时Q值为原来的非，即由0变1或由1变0），然后翻转。

通过以上置数方式可实现0011和0010的交替置入。

另外，通过在特定时刻（倒计时高位由0000变为0010后）对T触发器进行清零，可实现主次干道通行时间的调整。

最后将电路的倒计时接到译码器74HC4511，再接到共阴极数码显示管上显示十进制数字。

据此画出倒计时电路如图3.5所示：

图3.4倒计时电路

3.5状态控制电路

如图，用倒计时控制灯的变化，先将图示状态0、1、2、3编码为00、01、10、11，当倒计时为30、20、5的时候产生一个信号给状态转换的电路，而这个信号是电平信号的话就很难实现，所以又用了边沿触发，此时用计数器表示状态，取其低两位的计数态00、01、10、11为灯的状态，这样的话，来一个边沿信号就能使计数器加一，实现上述四状态转换。

画出状态控制电路信号转换表如表2所示：

表2状态控制电路信号转换表

高位

低位

状态转换信号

Q7Q6Q5Q4

Q3Q2Q1Q0

CP（↑）

0011

0000

↑

0010

0000

↑

0000

0101

↑

由表得出CP（↑）的表达式：

电路图如图：

图3.5状态控制电路

3.6灯显示电路

首先要把控制的脉冲接入计数器74LS193的非减数的脉冲端，因为脉冲主要有四个，四个为一个循环，只取计数器的低位两位即可，除了让计数器工作的接入端需要接电平外，其他端都不用接，再将计数器的低两位接入译码器74LS138的低位两端，从译码器输出四位0y、1y、2y、3y信号，低电平有效，每一种低电平表示一种状态，用1G、1Y、1R表示主干道的绿灯、黄灯、红灯，用2G、2Y、2R表示支干道的绿灯、黄灯、红灯，得出状态

表如表3所示。

由表得个各个灯的表达式：

为了让黄灯能每s闪亮一次，可以在黄灯那里加入一个与门，把黄灯发亮的信号当成是与门的开通信号，与门的另一端接入时间脉冲，那么黄灯就可以实现每s闪亮一次的功能了。

画出灯显示电路如图3.7所示：

图3.6灯显示电路

3.7总体电路图

根据上面各功能电路的设计整合，用proteus仿真软件画出总体电路图如3.8所示：

图3.7交通灯控制电路

4实验数据和误差分析

1十字路口交通灯转换数据统计:

表5交通灯转换数据统计表

次数

主干道

支干道

20次

绿→黄

正确

黄→红

正确

红→绿

正确

绿→黄

正确

黄→红

正确

红→绿

正确

结论：

干道交通灯转换无问题

2人行道交通灯转换数据统计：

表6人行道转换数据统计表

次数

主干道

20次

绿→闪

正确

闪→红

正确

绿→红

正确

结论：

人行道交通灯转换无问题。

3调试中发现倒计时的过程中，从20倒计时至00，再变为30或是从30倒计时至00，再变为20，都有一瞬间有短暂的加快计数状态，本来是一秒倒计一次，但实际上可能是0.7s左右。

结论：

这样的误差很小，不影响整个系统的功能。

5课程设计的收获、体会和建议

感谢学校给我们锻炼的机会，在组员们的努力下，和同学们的互相帮助，互相启示，最终设计出电路来，非常感谢在过程中帮助过我们的每一个人！

在大二的上学期，我们学习了数字电子电路和模拟电子电路，对电子技术有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。

通过这次交通灯的课程设计，我们才把学到的东西与实践相结合。

从中对我们学的知识有了更进一步的理解。

在此次的红绿灯电路设计过程中，我们更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法，同时也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。

虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。

设计本身并不是有很重要的意义，而是对待问题时的态度和处理事情的能力。

设计的过程，设计的思想和设计电路中的每一个环节，电路中各个部分的功能是如何实现的。

各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。

同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。

整个课程设计过程我们都认真地参与并完成了，对此，我们总结了以下几点：

第一，五人一组，既加强了我们的动手能力，又让我们学会了团结一致，共同合作才能研究出最好的方案。

我们将理论联系实际，在交流中取得进步，从问题中提高自己。

第二，本次课程设计加深了我对数字电子技术的进一步深入理解。

更加熟悉了proteus仿真的使用，为我以后更好地运用单片机，进行高级电路设计和仿真及制作，奠定了良好的基础。

第三，通过这次课程设计，使我受益颇多。

了解到课程实习设计是开端，连接是关键，测试是必须。

既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片的使用。

在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。

同时，也培养了我们认真严谨的态度。

6参考文献

[1]康华光.电子技术基础模拟部分.高等教育出版社，2006.

[2]康华光.电子技术基础数字部分.高等教育出版社，2006.

[3]刘明丹.基于数字电路对交通灯控制的研究与设计.实验技术与管理.2005，

[4]任中民.交通灯数字控制系统的电路设计，2005：

[5]陈宗梅.交通灯控制系统电路设计.

附录原件清单

元器件

数量

开关

3

发光二极管

10

2位共阴极数码管

2

14脚管脚

9

16脚管脚

7

24脚管脚

2

8脚管脚

1

可调电阻（10K）

1

555计时器

1

74LS193

4

74LS04

4

4511

2

74LS00

2

74LS74

1

74LS138

1

74LS32

1

74LS20

1

导线电阻电容

若干

1.问：

黄灯的闪烁如何实现？

答：

通过555定时器实现输出4Hz的矩型方波，然后接入分频电路。

在黄灯那里加入一个与门，把黄灯发亮的信号当成是与门的开通信号，与门的另一端接入时间脉冲，那么黄灯就可以实现每s闪亮一次的功能了。

2.问：

如何实现主、支路的红绿灯倒计时循环？

答：

设计时采用两块74LS193，一块是显示十位，一块是显示个位。

个位接成十进制，从9开始倒计时，当到达0时，向高位发出一个借位信号，再继续从9倒计时。

一开始使十位数置数为3，二进制为0011，个位数为0，二进制为0000，此时个位产生一个借位信号给十位的脉冲输入端，十位的74LS193芯片倒计时一次，结合个位的设置，电路从30开始倒计时。

当主车道绿灯亮了25s，倒计时也已经数到了5了，此时，个位显示5，十位显示0，主车道的绿灯熄灭，主车道的黄灯开始倒计时闪亮5s，当倒计时到0后，芯片74LS193发出一个借位信号，向高位借数，但是高位已经是0了，按照要求此时十位应该是从0翻转2，即二进制0010，为了实现这功能，通过研究十位的二进制数发现，十位的二进制是从0011、0010、0001到0000计数完，翻转为二进制0010，然后从0010、0001到0000倒计时，当到0000后就结束一个循环，又从0011开始新的一个循环。

从二进制0011和0010两个不同的预置数，发现可以用1个D触发器74LS74接成T触发器并把Q端接至十位倒计时的最低位来完成这个功能。

高位产生借位信号时将Q端的信号置入，当这个借位信号（低电平）消失后，产生一个上升沿的脉冲信号，使T触发器翻转然后保持，下一个借位信号来时就把此时的Q值置入（此时Q值为原来的非，即由0变1或由1变0），然后翻转。

通过以上置数方式可实现0011和0010的交替置入。

另外，通过在特定时刻（倒计时高位由0000变为0010后）对T触发器进行清零，可实现主次干道通行时间的调整。

3：

如何产生4HZ的方波？

答：

用555计时器，计算：

tpL=R2Cln2≈0.7R2C

tph=（R1+R2）Cln2≈0.7（R1+R2）C

f=1/（tpl+tph）≈1.43/（（R1+2R2）C）

取R1=10kW，R2=10kW，C=1.6uF。

即可实现输出4Hz的矩型方波