交通灯控制信号

电子与信息工程学院

课程设计报告

开课学期： 2019-2020学年第二学期 课程名称： 数字电路

项目名称：基于Proteus的交通灯控制器的设计与仿

真

专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 18电信本一班 学 号： 1809108036 姓 名： 谢小凤 指导教师： 罗文浪

2020年6月22号

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目录

交通灯控制器 .................................................................................................................................... 4 1 课程设计任务和要求 .................................................................................................................... 4

1.1 设计任务 .................................................................................................................................. 4 1.2 设计要求

2 设计方案 ..................................................................................................................................... 4

2.1 工作原理 .................................................................................................................................. 4 2.2交通灯控制器方框图 .................................................................................................................. 4 3 器件原理及电路设计 .................................................................................................................... 5

3.1 器件原理 .................................................................................................................................. 5 1秒脉冲产生电路 ........................................................................................................................... 5 2.二极管)显示电路 ......................................................................................................................... 6 3.计时部分电路 ............................................................................................................................... 7 4)主控电路 ........................................................................................................................................ 9 4. 电路仿真及结果分析 ................................................................................................................. 11 5.总系统电路图 ............................................................................................................................... 11 6.心得体会及分析 ........................................................................................................................... 12 7.成绩评定表 .................................................................................................................................. 15

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交通灯控制器

1 课程设计任务和要求

1.1 设计任务

利用数字电路或模拟电路集成芯片，设计一个交通灯控制器，并在电路仿真软件实现相关结果。

1.2 设计要求

(1）在十字路口的两个方向上各设一组红黄绿灯，能够显示十字路口的东西、南北两个方向红、黄、绿灯的指示状态，显示顺序为其中一个方向是绿灯，黄灯，红灯（我们可以假设这个方向是东西），另一方向是红灯，绿灯，黄灯（我们可以假设这个方向是南北）。

(2）设置一组数码管，以计时的方式显示允许通行或禁止通行时间，其中一个方向上绿灯亮的时间为45秒，另一个方向上绿灯亮的时间也是45秒，黄灯亮的时间都是10秒。绿灯转为红灯的时候，要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。并且要求所有的交通灯的状态变化在时钟脉冲上升沿处。

(3）当任何一个方向出现特殊情况，按下手动开关，其中一个方向常通行，倒计时停止，当特殊情况结束后，按下自动控制开关，恢复正常状态。 (4）选作：用两组数码管实现双向到计时显示。

2 设计方案

2.1 工作原理

脉冲信号发生器由定时器555构成。二进制加法计数器由七位二进制加法计数器4024构成。十进制减法计数器由74LS193可逆可预置十进制计数器构成。组合逻辑电路根据其输入输出的逻辑关系后再确定电路芯片。驱动器选用4511。从以上讨论可知，需要对所采用的芯片有比较详细的了解。下 面对以上几种芯片的基本知识和基本特性进行介绍。

2.2交通灯控制器方框图

根据交通灯的工作原理，交通灯控制器的原理框图如图2-1所示。

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图2-1 系统原理框图

3 器件原理及电路设计

3.1 器件原理

1)秒脉冲产生电路

通过555芯片按一定的线路接上不同的电阻和电容就可产生周期不同的方波脉冲，即不同的频率脉冲。课程设计需要秒脉冲,利用2个电容，2个电阻。 脉冲产生：

555定时器是-块常用的集成电路，电路符号如左图所示，8为电源端VCC, 1为公共端GND。所加电源电压范围:4.5V5

表示)，当比较器“+”端电压低于比较器“\"端电压时，比较器输出低电平(其状态用0表示)。G1, G2两个与非门门]构成基本RS触发器，G3为输出缓冲反相器，起整形和提高带负载能力的作用。T为泄放三极管，为外接电容提供充放电回路。利用555定时器设计电路时，主要是考虑如何让2和6的电位发生变化(外接信号或利用电容器的充放电过程实现)而让定时器的输出状态发生变化，而设计成各种具有不同功能的电路。实际555器件如小图所示，有小圆点对应的脚为1脚，依逆时针方向依次为2，3,4，5，6,7,8号脚。

2、555应用:多谐振荡器(产生连续矩形波信号)，电路原理如图所示(4脚为高 电平时，电路振荡，4脚为低电平时，电路不振荡)。开始时，内部泄放三极管由于其基极输入为低电平，是截止的，电源通过R2和R1对电容器C充电，2，6脚电位开始上升，当.上升到2VCC/3时，电路状态发生翻转，内部泄放三极管由于其基极输入为高电平，所以饱和导通，电容器通过R1放电，2，6脚电位又开始下降，直至降到VCC/3，电路状态再次发生翻转，内部泄放三极管截止，电源再次对电容器充电。这样周而复始，输出连续的矩形波信号，由3脚输出。一般取C1为103电容。 二极管)显示电路

红绿灯显示是表示电路所处状态，受到主控电路控制，即主控电路的输出(A和B)决定了主干道和支干道的红绿灯的亮灭情况。 如亮用1表示，灭用0表示，则有，

所以，R=A Y=~AB G=~A~B r=~A y=A~B g=AB 红绿灯显示电路接线如下：

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3.计时部分电路

计时器状态产生模块：

设计要求对不同的状态维持的时间不同,而且要以十进制倒计时显示出来。采用两个74LS1 61完成计时器状态产生模块设计。

45秒倒计时计数器模块示意图

其中，CLK为时钟信号，时钟上升沿有效。EN为使能端，高电平有效。CR为紧急制动信号低电平有效。QL{3..0}是计数低位。QH{3..0}是计数高位。可以用于45秒的倒计时计数。 设计思路:

要以十进制输出，而又有一些状态维持时间超过10秒，则必须用两个74LS161分别产生个位和十位的数字信号。显然，计数器能够完成计时功能，我们可以用74LS161设计，并把的时钟cp接秒脉冲。74L S161计数器是采用加法计数，要想倒计时，则在74LS1 61输出信号必须经过非门处理后才能接入数码管的驱动74LS48，而在显示是以0---9显示计时，故在设计不同模值计数器确定有效状态时，以0000,0001，0010----1111这 些状态中靠后的状态为有效状态。 例如:有效状态1011-1100-1101-1110一.1111 取非0100-001 1-001 0-0001-0000

即4----3---2---1---0实现模5的倒计时。 1.首先对控制个位输出的74LS161设计

按要求对系统的状态不同，个位的进制也就要求不同。利用系统的状态量A,B控制74L S161的置数端D0D1D2D3。当系统处在Gr或Rg状态时，个位的进制是十(模10)，即逢十进- - -,当系统处在Yr或Ry状态时，个位的进制是五(模5)，即逢五进模10时，有效状态为0110，0111,1000，---1111,置D3D2D1D0为0110,

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模5时有效状态为1011，1100，1101,1110, 1111， 置D3D2D1D为1011， 由此有，

D0=D3=~ (~Y~y) D2=~(~G~g) D1=1

当状态为1111时，74LS161 的状态必须跳到进入下一个循环，此时进位输出为1，把它的CO非接入置数端[LD]。

2. 再对控制十位输出的74LS161设计。同设计控制个位输出的74L S161基本类似，用系统状态量A,B控制十位74L S161的置数端D3D2D1D0。当系统处于Gr状态时置D3D2D1D0为1101,当系统处于Yr或Ry时置D3D2D1D0为1111，当系统处于Rg时置D3D2D1D0为1110，有，

D3=D2=1 D1=A+B=~G D0=~A+~B=~g同理我们将CO2非接入置数端[LD]***对一些级联的处理

当计数超过10秒时，个位需向十位进位,此时十位计数，其它时间其保持不变，通过控制十位的CLK端实现这- -功能，个位的.C01非连接十位的CLK端，当个位需进位,即完成一次循环， C01为1，则十位有脉冲,十位开始计数，其他时刻C01=0,十位没有脉冲，十位保持。

设计时把C01,CO2的与接入主控电路的双上升沿D触发器的cp，当完成一次计时， 个位和十位同时完成循环，此时C01=CO2=1,(其它时刻为0) cp出现- -上升沿，触发器计时，即系统跳到下一个状态，计时器开始下一次计时。

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4)主控电路

在设计要求中要实现四种状态的自动转换，首先要把这四种状态以数字的形态表示出来。可以两位二进制数表示所需状态(00-Gr, 01-Yr, 11-Rg, 10-Ry) ,循环状态: (00-01-11-10-00)

数字电路课程中介绍的计数器就是通过有限几个不同状态之间的循环实现不同模值计数，由此设计一模值为4的计数器，其输出(代表不同状态)既可以循环转换，而且能够控制其他部分电路。在课程设计中利用74LS74 (双. 上升沿D触发器)设计模4计数器作为主控部分电路。 主控电路:

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3.2电路设计

1．分析系统的逻辑功能，画出其框图

交通灯控制系统的原理框图如图所示。它主要由控制器、定时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，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器，数码管和二极管的工

作。

2．分析系统的状态变化，列出状态转换表：

根据交通灯系统设计要求，可以用药管有限状态机来实现这个交通灯控制器。首

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先根据功能要求，明确两组交通灯的状态，这两组交通灯总共有四种状态，我们分别用SO、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能;

（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。

（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。

（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。

（4）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。表示主干道禁止通行，支干道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。

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。如下表所示:

4 电路仿真及结果分析

在Proteus7.8中搭建电路，并进行相关仿真。结果和设计的一样。

5总系统电路图

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时序仿真图

从图中可看到首先进入s0状态，此时东西路绿灯亮，南北路红灯亮;计数器计数到40秒时，交通灯控制器进入s1状态，此时东西路黄灯亮，南北路红灯亮;在s1状态计数器又开始计数，计数器计数到10秒后,交通灯控制器状态进入s2,此时东西路红灯亮，南北路绿灯亮;在s2状态计数器又开始计数，计数器计数到40秒后，交通灯控制器状进入s3状态，此时东西路红灯亮，南北路绿灯亮;在s3状态计数器又开始计数，计数器计数到10秒后，交通灯控制器状态进入s0状态，此时东西路绿灯亮,南北路红灯亮，如些循环反复,完成十字交通路口的红绿灯控制。

6、心得体会及分析

课程设计的这两周，当中有苦也有乐，从苦乐中我学到了很多东西。不仅很好的复习了一下数电所学的内容，而且提高了自己的动手实践能力。 第一天看了网上的一些资料，我了解了交通灯所要完成的各项要求和所需的各种器件。接下来就是去图书馆查资料，仔细看了几本讲解交通灯的书，我对所要设计的交通灯有了进一步了解。开始设计电路，一部分并不难，但要把每一部分连在一 起,最终实现要求就挺难的。电路是不允许出现一点错误的，一个管脚连接出现问题，都可能导致整个电路的功能不能实现。因此我们要有认真严谨的科学态度和足够的耐心。当然在课程设计过程中遇到问题是很常见的，但我们需要将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次碰到同样的问题。

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在设计的过程中我也发现了自己的不足之处，对以前所学的知识理解的还不够深刻，掌握的也不够牢固，也是一个查缺补漏的过程。我们查阅了大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，使自己写到了不少知识。总之通过这次的课程设计，我懂得了理论知识与实践相结合的重要性,不仅学到了许多书本上没有的知识，也收获了--定的动手实践能力。

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7、成绩评定表

指导教师评语： 成绩： 指导老师签名：

2020 年6月22日

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