《电子技术》课程设计报告
题 目 简易交通信号灯控制器 学院（部） 专 业 班 级 学生姓名 学 号
6 月 18 日至 6 月 22 日 共 1 周
指导教师（签字）
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摘要
交通运输是国家经济发展的动力，日常出行也是我们生活中不可或缺的一部分。在确保十字路口的交通秩序工作中，信号灯扮演了极其重要的角色。交通信号控制系统是用来自动控制十字路口红黄绿三色的电子系统。
交通灯简易交通信号灯控制器利用555秒脉冲发生器提供秒脉冲CP信号，为计数器提供工作频率。计数器由两块74LS190级联构成八位二进制，实现倒计数；显示电路由两个十六进制数码管构成，可以显示00-99之间的数字；控制电路由74LS161构成的循环电路控制三种灯的开关；置数电路由相应数量的74LS465与74LS138译码器构成置位电路使得主干道在45-0秒为绿灯，5-0秒时为黄灯，30-0秒时为红灯，相应的次干道与主干道相配合，在50-0秒时为红灯，在25-0秒时为绿灯，在5-0秒时为黄灯，通过共用CP脉冲，实现对主干道与支干道交通信号灯的联合控制。
关键字
根据设计原理，系统的关键字有以下几个： 交通信号灯 秒脉冲 递减计数 分时置数 控制器
2
目录
1. 课题名称以及设计要求…………………………………………………4
1.1课题名称……………………………………………………4
1.2设计要求……………………………………………………4
2. 系统概述…………………………………………………………………4
2.1总体方案的选择………………………………………………4 2.2系统总体结构框架……………………………………………5 2.3系统基本工作原理……………………………………………6
3. 单元电路设计与分析……………………………………………………7
3.1 秒脉冲发生器单元……………………………………………7 3.2倒计数以及显示单元…………………………………………8 3.3 信号灯控制单元………………………………………………9 3.4 顺序定时置数置数单元………………………………………10 3.5 黄灯闪烁以及蜂鸣提示单元…………………………………12
4. 系统仿真…………………………………………………………………13
4.1仿真说明……………………………………………………13 4.2 仿真示意图…………………………………………………14
5. 系统综述以及总体电路图………………………………………………15
5.1系统综述……………………………………………………15 5.2 总体电路图…………………………………………………17
6. 结束语……………………………………………………………………18 7. 元件明细表………………………………………………………………18
7.1 元件明细列表………………………………………………18 7.2 元件说明……………………………………………………19
8. 参考文献……………………………………………………………………19 9. 收获体会与总结……………………………………………………………20 9.1收获体会……………………………………………………20 9.2问题反思以及对未来交通信号控制的思考……………………20
3
10. 鸣谢…………………………………………………………………………21
一． 课题名称以及设计要求
1.1 课题名称
简易交通灯信号控制器 1.2 设计要求
简易交通信号灯控制，主要实现功能如下：
1. 定周控制：主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒； 2. 每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡； 3. 分别用红、黄、绿色发光二级管表示信号灯； 4. 设计计时显示电路。 功能扩展：
1. 黄灯亮的时候伴随黄灯闪灯和蜂鸣提示；
2. 考虑到主干道与次干道车流量的变化，为了人性化的控制交通信号灯，可
以自由设定主干道和次干道各个信号灯的亮变时间，在0-99范围内变化。
二． 系统概述
2.1 总体方案的选择
经过我们上网查资料以及在图书馆借阅相关的领域知识，我们得出以下三种可以实现本次课设目的的方案，方案如下：
方案一：由主控制电路和秒脉冲发生器组成，其中主控制电路包括：主控制器、清零装置、驱动装置、信号灯装置及一些逻辑门。主控制器中采用两块74LS290二-五-十进制来实现八十进制计数器。秒脉冲发生器由555秒脉冲发生器负责提供脉冲信号。接通电源瞬间，清零装置将主控制器清零，紧接着，主干道绿灯和支干道红灯打开，其余主、支道灯关闭。秒脉冲传送到控制器，主控制电路在45s到，50s到，75s到，80s到分别产生翻转信号，从而改变 主、支道绿、黄、红灯的开闭持续时间，继而实现交通信号灯控制。
方案二：由定时器NE555构成的多谐振荡器产生秒脉冲，两块74LS192芯片级联成61进制倒计时器，计时器输出的数据通过两块74LS48译码器和两块七段数码管显示出来。由倒计时器与逻辑门构成定时器，在每隔55秒或5秒输出一个脉冲，触发状态控制器工作。状态控制器控制着信号灯的转换。
4
方案三：主要有秒脉冲产生模块，倒计时模块，控制信号灯模块，定时置数模块构成。秒脉冲产生模块采用555定时器构成的多谢震荡器产生周期为一秒的脉冲，提供给计数器工作，达到计时的目的；倒计时模块采用两片74LS190级联构成一个倒计时计数的电路，通过使用来自秒脉冲的CP脉冲以及定时置数模块的置数功能，来完成倒计时并且实时显示在LED数码显示器上；控制信号灯模块，接收来自计数模块倒计时为零时的信号，通过74LS161的循环计数功能，配合相应的门电路完成三种信号灯之间的交替亮灭；顺序置数模块采用三片74LS465以及74LS138译码器组成，接收信号灯亮灭的信号来实现对计数器的置数。
方案三的思路比较清晰，里面的元器件自己在课堂上都比较熟悉，而且有很大的发挥空间，可以增加一些比较华丽的功能模块，综合以上，我们最终选择了方案三来作为我们本次系统设计的最终方案。 2.2 系统总体结构框架
简易交通信号灯控制系统主要有以下几个重要的模块够构成：1.秒脉冲产生模块2.倒计时及显示模块，3.信号灯控制模块，4.顺序置数模块，5.功能扩展模块（黄灯闪烁以及蜂鸣报警）；
本系统的总体结构框架如下图所示：
秒脉冲产生 支干道信号灯控制 信号灯控制电路 黄灯闪烁及蜂鸣器 主干道信号灯控制 黄灯闪烁及蜂鸣器 倒计时计数以及显示 信号灯控制电路 时间控制配合定时顺序置数电路 5 倒计时计数以及显示 定时顺序置数电路
图2.1系统的总体结构框架图
2.3 系统基本工作原理
本系统采用主干道和支干道分开实现功能，但又相互配合的思路，用时间的相关性将主干道与支干道的信号灯的亮灭相联系起来。
根据系统的要求：主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒；每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡；则其时间循环图如下所示：
图2.2 主干道时间循环图
支干道循环时间
图2.3 支干道时间循环图
对于其中一条干道，系统的工作流程图如下所示：
提供三种灯转换的信号 顺序置数对计数器置数
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绿灯45秒 黄灯5秒 主干道循环时间 红灯30秒 红灯50秒 绿灯25秒 黄灯5秒 秒脉冲产生秒脉冲信号 提供一秒的CP脉冲信号 倒计时工作及显示显示 提供倒计时到零的信号 信号灯控制三种灯亮灭 提供三种预置数 闪黄灯和蜂鸣器报警
图2.4系统工作信号流程图
系统工作原理如下：初始状态，对于主干道，计数器预置数45秒，在CP脉冲的作用下开始进行倒计时，当倒计数至零时，可以对信号灯控制电路产生一个上升沿的单脉冲，该脉冲将作为74LS161的脉冲输入，完成一次计数，实现对绿灯，黄灯和红灯的亮灭的控制，此时红灯亮，当三种信号灯完成一次状态变化时，将变化的信号传送给74LS138译码器，由该译码器选中相应的74LS465预置的倒计时数，并将该倒计数置给计数器74LS190，完成一次工作循环，然后是5秒的黄灯，最后是30秒的红灯。对于支干道而言，循环时间是50秒，25秒，5秒，其具体的循环过程与主干道一致。
三． 单元电路设计与分析
3.1秒脉冲发生电路
秒脉冲发生电路是该系统的时间动力，提供计数器的工作时钟频率，从而完成倒计数模块信号传递。
秒脉冲发生电路时由555定时器构成的多谐振荡器。因为控制系统是以秒作为单位，所以用秒脉冲发生器且对信号的精度要求不高，故选用555定时器构成。其工作原理图如下所示：
产生CP秒脉冲
图3.5 555秒脉冲发生器
555定时器周期计算：
7
T1＝（R1＋R2）Cln2=0.7(R1＋R2）C T2=R2Cln2=0.7R2C
T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C
555定时器组成的秒脉冲Cp的周期为1s，即T=1，所以可设置参数 R1= 57.72k R2=28.86k C=10uF Cf=10uF
说明：在电路仿真的过程中，为了保证仿真的准确性，该模块产生的脉冲信号可以由信号发生器来代替。
3.2倒计数以及显示单元
十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们更直接准确地把握时间。具体工作方式为：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，直到减到数为“0”，产生一个标志信号，控制十字路口绿、黄、红变换，一次工作循环结束，进入下一个某方向的工作循环。
倒计时的显示由四输入的DCD—HEX数码显示，显示计数器的输出值。
有多种减法计数器可供选择，例如74190，74191，74192，74193等等。在这里，计数器我们选用集成电路74190进行设计，是比较简便的。通过两种接线我们来实现倒计时计数器，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的输入数据间接清零功能。功能表如下：
表3—1 74190的功能表
CTEN D/U CLK LOAD A B C D QA QB QC QD A B C D 减计数 加计数 0 0 0 0 0 0 1
1 0 0 1 1 1
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图3.6 74LS190的管脚图
要实现45s/25s/5s的倒计时，需要选用两个74190芯片级联成一个从99倒计到00的计数器。两片计数器之间采用异步级联的方式，利用个位计数器的借位输出脉冲（RCO′）直接作为十位计数器的计数脉冲（CLK），个位计数器输入秒脉冲作为计数脉冲。选用两只带译码功能的七段显示数码管实现两位十进制数的显示。D1﹑C1﹑B1﹑A和D0﹑C0﹑B0﹑A0是十位和个位计数器的8421BCD码置数输入端。由74LS190的功能表可知，该计数器在零状态时RCO′端通过或门控制两片计数器的控制端LOAD′（低电平有效），从而实现了计数器减计数至“00”状态瞬间完成置数的要求。通过8421BCD码置数输入端，可以选择100以内的数值，实现0~100秒内自由选择的定时要求。
其电路连接图如下所示：
图3.7倒计数以及显示单元电路图
分析：
每当该模块的计数到01时候，通过或非门的连接可以得出以下的输出信号：
即，未倒计数至01时信号输出低电平，当计数至01时，产生高电平，由此过程产生一个上升沿的单脉冲，该脉冲传送至下个模块：信号灯控制芯片：74LS161，作为该芯片的工作时钟。 3.3 信号灯控制单元
信号灯控制模块，当相应的倒计时到00时，完成信号灯的转换，用于标示交通路口的通行状态。
本模块采用74LS161芯片，配合相应的门电路完成三种信号灯的轮流转换。
在本系统中，通过反馈清零法，使该计数器工作在0000-0001—0010三个状态循
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环每次接收到来自倒计数的一个脉冲，该计数器进行一次计数。
G（1,0）=绿灯（亮，灭），Y（1,0）=黄灯（亮，灭），R（1,0）=红灯（亮，灭）；则其相应的表达式为： 对于主干道：
G（0）=QA+QB；Y（1）=QA；R（1）=QB； 对于次干道：
R（0）=QA+QB；G（1）=QA；Y（1）=QB； 其中，74LS161真值表如下表3-2所示：
表3-2 74160的功能表
CP RD LD EP ET ABCD QAQBQCQD X X X X A B C D X X X X X X X X X X X X 0 0 0 0 A B C D 保持 保持 加计数 X 上升沿 X X 下降沿 0 1 1 1 1 说明：
X 0 1 1 1 X X 0 X 1 X X X 0 1 该模块接受的信号来自倒计时计数电路的上升沿脉冲，传出的信号000-001-010三个信号，传送至定时预置数模块。则该模块的电路图如下所示：
图3.8信号灯控制单元
3.4 顺序定时置数单元
因为数码管每次显示的时间是从不同时间基点开始的（主干道45、5、30，支干道
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50、25、5），所以必须要有一个顺序定时置数单元，来控制当某一个数码管显示“0”后，下一步要从哪个数字开始倒计时。在这里可以选择74465来实现这一功能。
每个干道选用三片74465组成按顺序定时置数的控制电路，三片74465输入端分别
以8421BCD码的形式由按键设定主、支干道的通行时间和黄灯亮的时间。输出端按照高、低位对应关系并联并按照Y8~Y1由高到低排列后，接到倒计时计数器的置数输入端。三片74465的选通控制端分别有对应状态的上一状态选通（低电平有效），从而完成对倒计时计数器的预置数。每一组的三片74465中任何时刻只能有一片选通，其他两片输出端均处于高阻态。这样就完成了顺序定时置数的功能。 其中，74465的功能表如下表所示：
图3.8 74465的功能表
倒计时计数器与信号灯转换器的配合主要靠顺序定时置数控制电路。根据系统的设计要求，主干道的绿灯亮的时间是45秒，可以为第一个74465设置为01000101，黄灯亮的时间是5秒，则给第二个74465设置为00000101，红灯亮的时间是30秒，则要给第三个74465预置为00110000；支干道的红灯亮的时间是50秒，可以为第一个74465设置为01010000，绿灯亮的时间是25秒，则给第二个74465设置为00100101，黄灯亮的时间是05秒，则要给第三个74465预置为00000101，他们的顺序由74LS138译码器来控制，74LS138的功能表如下表2-3所示。
表2-3 74LS138的功能表 控制输入 译码码输入 输出 Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8 11111111 11
S1 S2+S3 A2A1A0 X 1 XXX
0 X 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 XXX 000 001 010 011 100 101 110 111 11111111 01111111 10111111 11011111 11101111 11110111 11111011 11111101 11111110 74LS138译码器接收来自三个信号灯变化状态时的电平高低变化，如对主干道来说，绿灯时为000，黄灯时001，红灯时010，经74LS138译码器译码后分别选中第一第二第三片74465，进而可以给倒计时电路预置初始的倒计时数。
在设计该电路模块的时候，为了方便以后调节时间，特别采用可以调节定时时间的拨码开关来控制所置的数，定时预置数功能模块的电路图3.9如下所示：
图3.9 定时预置数功能模块电路图
说明：该电路的信号来源来自于信号灯的控制电路，输出的为倒计时电路提供与预置数，完成控制相应灯的闪亮时间。 3.5 黄灯闪烁以及蜂鸣提示单元
我们要求黄灯点亮的时候，黄灯进行闪烁，用于提醒交通通过者，故用一个频率为1Hz的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接至黄灯，即可实现黄灯闪烁的效果！ 同时将黄灯的输出信号接给蜂鸣器，即可在黄灯闪烁的同时使蜂鸣器发出声响！提醒
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路人：黄灯亮了，请等一等！
如下为黄灯闪烁以及蜂鸣提示单元电路图：
图3.10黄灯闪烁以及蜂鸣提示单元电路图
说明：该电路模块的信号来源有黄灯的点亮信号控制，配合相应的频率发生器，实现闪烁与蜂鸣报警的功能。
四． 系统仿真
4.1 仿真说明
对于该电路的整体仿真，说明如下： 1.
初始化时主干道绿灯开始亮，时间为45秒，此时次干道红灯亮，时间是50秒；当主干道倒计时完成时，黄灯闪烁并且蜂鸣报警，此时次干道的红灯仍然亮，时间剩余5秒；当主干道的黄灯闪烁时间到零的时候，主干道的红灯点亮，时间是30秒，次干道的绿灯点亮，时间是25秒；当次干道的时间为零时候，其黄灯点亮闪烁并且蜂鸣报警，此时，主干道的红灯仍然点亮，时间是5秒。 2.
为了便于电路的仿真准确性，秒脉冲发生装置用信号发生器来代替，便于电路的布局，增加了电路仿真的准确性。
4.2 系统仿真示意图
1.循环过程一：初始化时，主干道显示时间45秒，亮灯绿灯，次干道显示50秒时间，亮红灯，确保主干道上正常通行，次干道上禁行，其仿真结果如下图4.1
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所示：
图4.1 循环过程一初始化电路显示仿真图
2.循环过程二：主干道显示时间5秒，亮灯黄灯，次干道显示5秒时间，亮红灯，确保提醒主干道上注意“等一等”，次干道上禁行，其仿真结果如下图4.2所示：
图4.2 循环过程二电路显示仿真图
3.循环过程三：主干道显示时间30秒，亮灯红灯，次干道显示25秒时间，亮绿灯，确保次干道上通行，主干道上禁行，其仿真结果如下图4.3所示：
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图4.3循环过程三电路显示仿真图
4.循环过程四：主干道显示时间5秒，亮灯红灯，次干道显示5秒时间，亮绿灯，确保提醒次干道上注意“等一等”，主干道上禁行，其仿真结果如下图4.4所示：
图4.4循环过程四电路显示仿真图
仿真说明：以上四个过程将完成该系统的一个循环，如果没有人为的干涉，该系统将沿着这样的循环一直进行下去；考虑到实际的情况并非总是主干道上的车流量大，可以进行人为的干预，即通过改变定时预置树模块的预置数，重新设置主干道和次干道的时间分配，达到人性化的工作状态。
五． 系统综述以及总体电路图
5.1 系统综述
本系统的设计，主要的特色在于将主干道和次干道的控制进行部分分开，即分开进行控制，同时，他们两个有紧密的联系，通过公用秒脉冲信号，用时间的联系将两者紧密的结合起来。
所设计系统通过将555多谐振荡器产生的秒脉冲，该脉冲信号传送至倒计时电路，该
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电路进行倒计时并且将时间显示，显示到00时的信号传送至信号灯控制电路，由该电路控制信号灯进行有规律的交替的变化，变化瞬间产生的各个信号灯的电平状态传送至定时置数电路，由该电路完成对倒计时电路的置数功能，从而形成一个干道完整的循环。
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5.2总体电路图
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六． 结束语
到这里，本交通信号灯的控制系统基本介绍完毕，该信号灯控制系统完整的完成了预期的目的：1. 定周控制：主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒；
2. 每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡； 3. 分别用红、黄、绿色发光二级管表示信号灯； 4. 设计计时显示电路。
同时为使该系统更加的人性化，增加其面对多种情况的应对策略，出色的完成了一些附加的功能，主要有：1.黄灯亮的时候伴随黄灯闪灯和蜂鸣提示；2.考虑到主干道与次干道车流量的变化，为了人性化的控制交通信号灯，可以自由设定主干道和次干道各个信号灯的亮变时间，在0-99范围内变化。
本系统的一大特色之处是，将主干道与次干道的控制既进行了部分分开，避免了之
间的相互干扰，同时也便于分开进行控制，此外又将两条干道进行时间的紧密联系，确保该信号灯控制系统，可以按照需要无误的完成其指挥交通的功能。
七． 元件明细表
7.1 元件明细列表 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 名 称 74LS190D 4002BD_5V 74LS465N 7404N 74LS00D 74LS161 4001BD_5V 74LS138 BUZZER SWITCH DCD_HEX 型号参数 74LS系列 CMOS_5V, 74LS系列 74STD 74LS系列 74LS系列 CMOS_5V 74LS系列 1000HZ 单开双掷 ORANGE 表7-1 元件明细列表
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数量 4 5 6 4 2 2 2 2 2 48 4 备注 计数器 四输入或非门 选通芯片 非门 两输入与非门 计数器 两输入或非门 3-8译码器 蜂鸣器 开关 数码显示
图7.1 由multisim输出的元件清单图
7.2 元件说明
1. 74LS190D为倒计时模块的倒计时芯片，本系统中一共是用了4个； 2. CMOS_5V,4002BD_5V为四输入的或非门，一共使用了5个； 3. 74LS465N为定时置数模块的预置数芯片，一共使用了6个； 4. 74STD,7404N为单输入的非门，本系统一共使用了4个； 5. 74LS00D为两输入的与非门，本系统一共使用了2个；
6 74LS161为计数器，用于控制信号的的转换，本系统一共使用了2个； 7. CMOS_5V,4001BD_5V为两输入的或非门，系统一共使用了2个； 8. 74LS138为3-8译码器，用于选择置数的定时预置数，一共使用了2个； 9. 1000HZ的蜂鸣器使用率两个，用于控制黄灯是的蜂鸣报警； 10 预置数的开关选择，根据需要一共使用了48个；
11. 四输入的数码显示管DCD_HEX，一共使用了4个，显示主干道和次干道
上的时间。
八． 参考文献
[1]王连英主编. 基于Multisim10的电子仿真实验与设计. 北京市：北京邮电大学出版社，2009.08
[2]林涛主编.楚岩,田莉娟，林薇编著.数字电子技术.北京：清华大学出版社，2006
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（2007重印），2006年6月第一版
[3]袁宏，李忠波 等著.电子设计与仿真技术.北京：机械工业出版社，2010.4 [4]刘福太主编.梁发麦、魏书田、林洪文编著.红版电子电路.北京:科学出版社,2007 [5]刘修文编著.实用电子电路图集.中国电力出版社.北京.2006.3
九． 收获体会与总结
9.1收获体会
通过这次的数字电子技术课程设计实验，我学到了许多之前课堂上没有的实践性的东西，同时也真正的体会到了数字电路的神奇之处。在整个课程设计的过程中，我学到的不仅是书本上的知识理论，通过查阅资料，我更加明白了交通信号控制方面的一些前沿发展，增长了自己的见识，也学会了通过在图书馆查阅书籍和上网查询一些有用的知识。
在此次课程设计中，对于简易交通指示灯，我们采用的方案也许不是最佳的，但是这是我们努力的成果。在计数电路和显示电路方面也可以用更方便的集成电路来替代，但由于时间紧迫，我们没有完成。本次课程设计促使我们开动脑筋想出自己的方案, 巩固和加强《模拟电子技术》 、《数字电子技术》课程的理论知识。不仅使我们知道课本上知识的原理,也使得我们对各种方案有进一步的理解并进行选择。在做设计之前我们在图书馆找了大量的资料，并从中得到启发进一步得出自己的总体方案，我们对方案进行了分块，对单元电路也做了详细的介绍。同时我们也进一步熟悉并掌握了Multisim软件的应用，对所设计电路进行了仿真，由于时间的限制在设计的某些方面设计的还不理想。
总之，这次的数电课程设计让我学到了好多，更让我体会到了做一件事要有毅力，更要肯动脑筋，多想方法，你会收获颇多的。 9.2 问题反思以及对未来交通信号控制的思考 问题反思
1.我们设计的仅仅是交通信号控制的干道信号控制，没有涉及到人行道等的信号控制，功能并非是完善的。
2.精确度方面，我们设计的秒脉冲产生模块，经测试并非精确至一秒，存在时间的误差，这与我们的设计简单性可能有关，并非将诸多的因素考虑完全。 3. 各器件都有延时，可能会对电路有影响，实际应用中存在偏差，这与我们元器件的选取有一定的关系。
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十． 鸣谢
在这里，要首先感谢我们指导老师杨老师，杨老师非常的负责，为人和善，帮助我们解决了许多我们难以解决的问题；还要感谢我们组的两名成员,这个系统的设计与实现是我们团队合作的结果，我们在辛苦查阅资料的过程中锻炼了自己的能力，更加明白了团队合作的重要性；还另外要感谢其他同学的热心帮助，在遇到有些问题的时候，同学们也给了我们很大的帮助，给我们提供了一个更为开阔的思路。
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评 语
评审人:
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