交通信号灯电子技术设计报告

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目 录

1 选题背景 .............................................................................................................................. 2

1．1 指导思想 ............................................................................................................... 2 1．2 方案论证 ............................................................................................................... 2 1．3 基本设计任务 ....................................................................................................... 2 1．5电路特点 ................................................................................................................ 2 2 电路设计 .............................................................................................................................. 3

2.1 总体方框图 ............................................................................................................. 3 2.2 工作原理 ................................................................................................................. 3 3 各主要电路及部件工作原理 .............................................................................................. 4

3.1 555多谐振荡器电路 .............................................................................................. 4 3.2 74HC160十分频电路 .............................................................................................. 5 3.3 74HC161计数电路 .................................................................................................. 6 3.4 74HC138 译码器电路 ............................................................................................. 8 3.5 LED 驱动电路 ......................................................................................................... 9 3.6 LED显示电路 .......................................................................................................... 9 4 原理总图 ............................................................................................................................ 11 5 元器件清单 ........................................................................................................................ 12 6 调试过程及测试数据（或者仿真结果） ........................................................................ 12

6.1 通电前检查 ........................................................................................................... 12 6.2 通电检查 ............................................................................................................... 12 6.2.1 NE555单元电路的调试 ................................................................................ 13

6.2.2 74HC160作10分频的电路单元调试 .................................................... 13 6.2.3 74HC161作的状态生成器的调试 .......................................................... 13 6.2.4 74HC138构成的译码器的调试 .............................................................. 13 6.2.5 LED驱动、显示电路 .............................................................................. 13 6.3 结果分析 ............................................................................................................... 13 7 小结 .................................................................................................................................... 14 8 设计体会及今后的改进意见 ............................................................................................ 14

8.1 体会 ....................................................................................................................... 14 8.2 本方案特点及存在的问题 ................................................................................... 14 8.3 改进意见 ............................................................................................................... 14 参考文献 ................................................................................................................................ 15

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正 文

1 选题背景

城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导。交通灯的发展，旨在解决人类交通因需求的日益增多而日益繁重带来的问题，这就要求在车辆日益增多的今天，对道路资源进行有效的管理，避免因无序和抢行而带来的交通阻塞和交通事故。我们基于课设与实际相结合的考虑决定完成这项课程设计题目。 1．1 指导思想

经交通灯工作状态的一个循环为80秒，可以分成16个5秒，而这16个状态可以用4-16线译码器（由两片74HC138构成）对74HC161十六进制计数器输出端的16个状态进行分配来一一表示出来，而这十六个状态之间的变化可以用5秒方波脉冲来进行驱动，再对这十六个状态用门电路进行逻辑组合，输出至六组LED的阴极，对LED进行低电平驱动，以达到预期的效果。 1．2 方案论证

讲电路状态分为16个状态，状态之间的转换用16进制计数器对方波脉冲进行计数来实现，再用译码器对16个状态进行译码，驱动电路则是对译码后的16个状态经过逻辑电路进行组合来实现。

通过分析可以看出这样的设计思路清晰，电路简单，只需少数元件便可以实现。准确性高，不易出故障，而且对以后可能进行的后续电路的增加或调整也比较方便。综合各方面的考虑，该方案完全可行。 1．3 基本设计任务

要求设计一个交通灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每

个入口处设置红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则停止行驶（给行驶中的车辆有时间停在禁行线以外）。具体要求如下：

（１）用红、绿、黄发光二极管作信号指示灯。

（２）主支干道交替允许通行。主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒。 （３）在每次由绿灯亮转换到红灯亮的过程中，要亮5秒钟的黄灯作为过渡。 1．5电路特点

本电路由于当初在设计的时候利用数电中学到的知识进行了简化，并且将80个状态简化为了16个状态，对于LED驱动电路只有四个输入端，使得电路元件大大减少，降低成本，减小电路的复杂程度，也就减小了电路出故障的概率。

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2 电路设计

2.1 总体方框图

图2-1 总体方框图

2.2 工作原理

（1）根据设计指标对交通灯的一个循环（80秒）进行分割，得到16个5秒，具体思想如下表

表2-2-1

（2）对于LED驱动电路的真值表如下：

表2-2-2

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其中Q3、Q2、Q1、Q0表示一个四位二进制数（即74HC161的Q3、Q2、Q1、Q0），它可以表示电路的十六个状态。R1为主干道的红灯、G1为主干道的绿灯、Y1为主干道的黄灯；R2为支干道的红灯、G2为支干道的绿灯、Y2为支干道的黄灯。表中标“1”处表示表示该处对应的LED发光，其余未标的地方表示该处对应的LED不发光。

（3）再用逻辑电路进行组合，连到相应颜色的发光二极管，即可实现预期目标。

3 各主要电路及部件工作原理

3.1 555多谐振荡器电路 （1）电路图

图3-1-1 555引脚图

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图3-1-2 555构成的多谐振荡器电路

（2）工作原理

用555构成多谐振荡器，用以形成0.5秒周期的方波。参数计算如下： 产生的方波的周期为T。

则T=（R1+2*R2）*C2*ln2 （其中“*”号即为乘号）

令T=0.5s则可以尝试配出一组参数，为R1=R2=24kΩ，C2=10uF，C1的值根据经验值为0.01uF。而且在后来用示波器测量其输出的波形时，发现输出的是周期为0.5秒的方波。

3.2 74HC160十分频电路 （1）电路图

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图3-2-1 74HC160引脚图

图3-2-2 74HC160功能图

图3-2-3 74HC160构成的十分频电路

（2）工作原理

因为555电路作多谐振荡器时，产生的方波周期越大，精度越低，故电路中用555产生0.5秒周期的方波，再用74HC160进行十分频，得到所需要的五秒周期的方波。

利用74HC160计数器的“十进制计数”原理，对输入的方波进行十分频。 3.3 74HC161计数电路 （1）电路图

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图3-3-1 74HC161引脚图

图3-3-2 74HC161功能表

图3-3-3 74HC161计数电路

（2）工作原理

用74HC161十六进制计数器对前面过来的周期五秒的方波进行循环计数用以生成十六个状态，体现在Q3 Q2 Q1 Q0这个四位二进制数上，而进位端则闲置未用。

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3.4 74HC138 译码器电路 （1）电路图

图3-4-1 74HC138引脚图

图3-4-2 74HC138功能表

图3-4-3 两片74HC138构成的4-16线译码器

（2）工作原理

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如图，将两片74HC138如图进行连接成为4-16线的译码器，对Q3Q2Q1Q0输入的二进制数进行译码，在两片的Y7~Y0输出，两片的Y7~Y0构成了Z15~Z0一共十六个状态，某状态有效时，输出为低电平。 3.5 LED 驱动电路 （1）电路图

图3-5-1 用各种门电路组合构成的LED驱动电路

（2）工作原理

如图所示，将表2-2-2的真值表用各种门电路的组合逻辑来表达，有效电平为低电平。 3.6 LED显示电路 （1）电路图

图3-6-1 低电平驱动的LED驱动电路

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（2）工作原理

LED电路用低电平进行驱动，当某LED上方为低电平时，LED被点亮。

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4 原理总图

图4-4-1 交通信号灯控制器原理图

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5 元器件清单

表格5-1

6 调试过程及测试数据（或者仿真结果）

为使电路便于调试我们采用分块调试的方法。 6.1 通电前检查

电路安装完毕后，根据信号的流向，经检查电路各部分接线正确，电源、元器件之间无短路，器件无接错现象。 6.2 通电检查

先根据信号流向，对电路进行分块，块与块之间电路暂时截断，便于进行分块测试。

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6.2.1 NE555单元电路的调试

上电，合上开关，用示波器测555的输出脚第3脚，发现输出的是周期为0.5秒的方波脉冲，符合设计要求。

6.2.2 74HC160作10分频的电路单元调试

焊上555单元电路和74HC160单元电路的断点，上电，合上开关，对74HC160的输出脚第15脚用示波器进行测试，测得波形为周期5秒的方波脉冲，而且通过观察示波器，发现方波脉冲精度很高，符合合计要求。 6.2.3 74HC161作的状态生成器的调试

此电路输出的状态由于是随着时间的改变而改变的，所以单独进行测试，在输入端单独给脉冲，由计数器进行计数，再测试输出端Q3Q2Q1Q0的输出电压。发现符合设计要求。 6.2.4 74HC138构成的译码器的调试

合上在信号流向上处于译码器电路之前的那些断点，上电，合上开关，用对译码器电路的十六个输出端进行测试，发现按照预期的设想随着时间Z0~Z15依次有效，符合设计要求。

6.2.5 LED驱动、显示电路

合上所有断点，上电，合上开关，对好秒表，看LED亮的顺序是否符合设计的顺序，以及亮的时间是否符合要求，发现除了上电时第一个状态不稳定以外，一旦进入循环便完全符合设计要求。 6.3 结果分析

经过整个电路的测试，发现一个问题，上电之后的第一个状态本应该是五秒，但是却发现只有3秒左右，经过分析，这是因为C2电容充放电的时候没有经过一整个充放电的状态便进入了下一个状态，经过分析这个是不能避免的，因为我的开关在设计的时候设计为断开时C2电容迅速放电，若要避免此现象，则要使C2电容在上电的时候有一定量的电，而且要十分精确，鉴于本电路除了上电之后的第一个状态时间不对之外，其余状态的时间都十分精确，而且鉴于实际交通灯一旦上电在一般情况下就不会断电，所以根本不会对交通等的工作产生任何的影响，故本电路没有再加入上电时对电容电量的控制电路。

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7 小结

根据实验结果，虽然存在那个上电时第一个状态时间不足的现象，但是一旦进入下一个循环之后便不会再存在这个问题，我们认为这个问题完全不影响交通灯这种持续工作的系统，持续工作的系统一般只会上电一次，即使出现意外需要再次上电，上电后不到五秒便进入完全正常工作的状态，我们便不再对电路进行修正。但是我们可以加入显示电路，对红绿灯进行倒计时，这需要在以后的实验、科技作品中进行尝试。

8 设计体会及今后的改进意见

8.1 体会

通过这次课程设计，让我对数模电上学到的知识有了一次全新而且深刻的认识，我发现，我们这个专业上，仅仅把书本学好是远远不够的，关键还是应用和实践，学得再好，用不到实际上也不行，这次课程设计中，对原本很陌生的知识点和以前不知道的知识有了进一步的理解，而且在帮助其他同学的同时也学到了不少其他方面的知识，总体来说收获还是颇多的。

8.2 本方案特点及存在的问题

本电路特点是电路结构十分简单，但是计时很精确，而且满足所有要求。另外电路存在的问题就是没有剩余时间的显示电路，不能提醒行人、车辆红绿灯的剩余时间。 8.3 改进意见

根据对电路的分析，我们发现，这个电路还可以加上显示模块，可以用逻辑电路对4-16线译码器输出端进行组合，再接到八段数码管显示译码器，显示译码器的输出端接到八段数码管，便可实现红绿灯的正计时。若要实现倒计时，可以换成减法计数器，再配以逻辑电路的支持。这是很容易实现的。

另外如果要应用到实际中，则可以加入一个监控电路。监控电路可以判定是否有人或车闯红灯，在有人、车闯红灯时则激发继电器，继电器可以连接摄像头，拍下闯红灯的人或车。作为交警执法的依据。但是经过初步分析发现这个想法实现起来有难度，需要相关特殊硬件（例如红外光的发射和接收模块）的支持，而且容易造成误判。这将会在以后的学习和实践中加以尝试、改进。

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参考文献

【1】 阎石.数学电子技术基础（第五版）.清华大学电子学教研组.高等教育出版社.2006 【2】 李志健. 数字电子技术基础实验任务书.陕西科技大学教务处.2007 【3】 杨刚、周群.电子系统设计与实践.电子工业出版社.2004 【4】 党宏社.电路、电子技术实验与电子实训.电子工业出版社.2008

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