数电课程设计

2011-2012学年第二学期。

数字电子技术基础课程设计。

学院材料与能源学院

姓名。专业。

班级指导教师陈国鼎

2024年6月 22日

交通灯控制电路设计。

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。

二、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，主干道亮绿灯时间为30秒。而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯，支干道亮绿灯20秒。

3.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。主干道亮黄灯的时候支道亮红灯，同样，支干道亮黄灯的时候主干道亮红灯。

4.主干道和支干道分别设置2组led数码管以倒计时的方式显示当前灯亮的时间。

三、原理电路和程序设计。

1）方案比较。

方案一：用数字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系统的原理框图交通灯控制器。

1）主干道绿灯亮，支干道红灯亮。表示主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。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）主干道黄灯亮，支干道红灯亮。表示主干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，支干道禁止通行。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）主干道红灯亮，支干道绿灯亮。表示主干道禁止通行，支干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）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。表示主干道禁止通行，支干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，并分别用s0、s1、s3、s2表示，则控制器的工作状态及功能如表所示，控制器应送出主、支干道红、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：控制状态信号灯状态车道运行状态s0（00）主绿、支红主干道通行，支干道禁止通行s1（01）主黄、支红主干道缓行，支干道禁止通行s3（11）主红、支绿主干道禁止通行，支干道通行s2（10）主红，支黄主干道禁止通行，支干道缓行ag=1主干道绿灯亮支干道通行bg=1支干道绿灯亮支干道通行ay=1主干道黄灯亮主干道缓行by=1支干道黄灯亮支干道缓行ar=1主干道红灯亮主干道禁止通行by=1支干道红灯亮支干道禁止通行。如表1。

表1图2. 交通控制灯电路设计。

如图1所示为交通控制电路设计方案图，根据概述中的设计思想及方法来实现下图的交通指示灯状态转换图中描述的指示灯的转换及每种状态维持的时间。

2）方案二：用单片机技术来实现交通灯控制采用单片机at89c51来设计并制作，这种方案的硬件较少，基本上设计没什么难度，用单片机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。由于单片机方面的知识还没学，故此方案缺乏知识基础。

综上所述，选择方案一。

4、整体电路（画出必要波形图）；

2）单元电路设计；

1）主控制器。

主控电路是本课题的核心，主要控制30s、20s、5s三个定时器，它的输出一方面经译码后分别控制主干道和支干道的三个信号灯，另一方面控制定时电路启动。主控电路属于时序逻辑电路，可采用状态机的方法进行设计。

主干道和支干道各自的三种灯（红、黄、绿），正常工作时，只有4种可能，即4种状态：

主绿灯和支红等亮，主干道通行，启动30s定时器，状态为s0；

主黄灯和支红灯亮，主干道停车，启动5s定时器，状态为s1；

主红灯和支绿灯亮，支干道通行，启动20s定时器，状态为s2；

主红灯和支黄灯亮，支干道停车，启动5s定时器，状态为s3。

四种状态的转换关系如图5：

图5交通灯控制状态转换图。

本次设计使用2个74ls112jk触发器表达上述四种状态的分配和转换。它的管脚图和逻辑功能图如下：

2）计时器电路。

这些计时器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控器的状态的控制。例如30s计时器应在主控器进入s0状态（主干道通行）时开始计时，同样20s计时器必须在主控器进入s2状态时开始计数，而5s计时器则要在进入s1或s3状态时开始计数，待到规定时间分别使计数器复零。设计中计数器可以采用两个十进制计数器级连成三十进制计数器，为使复零信号有足够的宽度，可采用基本rs触发器组成反馈复零电路。

按同样的方法可以设计出20s和5s计时电路，与30s计时电路相比，后两者只是控制信号和反馈信号的引出端不同而已。

此次设计采用了2个74hc190d计数器级连成三十进制计数器来实现计时，它的管脚图和逻辑功能如下：

3）显示译码驱动电路。

1）信号灯译码电路。

主控器的四种状态分别要控制主、支干道红黄绿灯的亮与灭。令灯亮为“1”，灯灭为“0”，主干道红黄绿等分别为r、y、g，支干道红黄绿等分别为r、y、g，则信号灯译码电路真值表为：

表1信号灯译码电路真值表。

由真值表进一步得到各灯的逻辑表达式，为了实现各灯的逻辑表达，本次设计用了2个74hc08d实现四个与门功能和2个74hc32d实现两个或门功能。

（2）计时显示译码电路。

计时显示实际是一个定时控制电路，当30s、20s、5s任一计数器计数时，在主支干道各自可通过数码管显示出当前的计数值，计数器输出的七段数码显示用bcd码七段译码器驱动即可。设计中，使用了2个74ls48d译码器来实现。它的管脚图和逻辑功能如下：

74ls48d 是由与非门、输入缓冲器和 7 个与或非门组成的 bcd-7 段译码器/驱动器。输出是高电平有效。7 个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的 bcd 数据及其补码至7个与或非译码门。

剩下的与非门和 3 个输入缓冲器作为试灯输入端、灭灯输入/动态灭灯输出端及动态灭灯输入端。该电路接受 4 位二进制编码—十进制数（bcd）输入，并根据辅助输入的状态，将这些数据译成驱动其它元件的码。ls48 有前、后沿自动灭零控制。

当端处于高电平时，试灯可以在任何时刻去进行。电路并有灭灯输入，可用来控制灯亮度或禁止输出。ls48 在应用中可以驱动共阴极的发光二极管或灯缓冲器。

4）时钟信号发生器电路。

555组成的多谐振荡器可以用作各种时钟脉冲发生器，此次设计就是555定时器构成多谐**器，**频率为f=1.43/(r1+2r2)c

电路图如下图：

秒脉冲产生器。

（4）说明电路工作原理；

（5）元件选择。元件购买清单如下：

74ls112d 1

74ls08d 1

74ls32d 1

74ls04d 1

74ls190d 2

74ls48d 2

5101as共阴数码管 2

红黄绿三色 led 6

300欧姆电阻 14

杜邦线、导线若干

万用板 1ne555芯片 1

电容10uf、0.01uf 各1个。

2k电位器 1个

47k欧姆电阻 6个。

4、电路和程序调试过程与结果：

1、根据题目的要求，整个交通灯控制系统需要有2个时间显示器，6个交通信号灯。

2、电路默认把通车时间设为30秒，打开总开关，主干道的绿灯亮；支干道的红灯亮，示波器显示时间为30秒；然后黄灯以每一秒的速度闪亮，主干道的绿灯转换为黄灯，而且黄灯每秒闪一次，其余灯都不变。再过5秒后，电路又转换成预置的20秒，主干道的黄灯转换为红灯，支干车道的红灯转换为绿灯。如此循环下去。

具体时间见下图：

5、总结。本次课程设计让我获益良多，加强了我的动手，思考和解决问题的能力，巩固数字逻辑电路的理论知识，方案总共只用了九个芯片，对1190计数器更加了解，懂得它的功能与其它芯片替换等。使jk触发器从书本上的理论知识联系到实际，让我更加了解它的功能。

还有如何利用555芯片产生秒脉冲。计数器的工作原理。更重要的是如何将逻辑电路灵活运用于实际生活。

我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！

认识**于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。故一个小小的课程设计，对我们的作用是如此之大。

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