十字路口交通灯课程设计报告利用数字电路的

数字电路关于交通灯的课程设计

江苏师范大学物电学院

课程设计报告

课 程 名 称： 电子线路课程实训 题 目：十字路口交通管理控制器的设计 专 业 班 级： 10物41 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 10224012 日 期： 2012年6月20日 指 导 教 师： 王立巍

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说明： 1、报告中的第一、二、三项由学生在课程设计开始前填写，由指导教师 指导并确认签字。 2、学生成绩由指导教师根据学生的设计情况给出各项分值及总评成绩， 并填写成绩评定表。 3、所有学生必须参加课程设计的答辩环节，凡不参加答辩者，其成绩一 律按不及格处理。答辩小组成员应由 2 人及以上教师组成。答辩后学 生根据答辩情况填写答辩记录表。 4、报告正文字数一般应不少于 3000 字，也可由指导教师根据本门课程设 计的情况另行规定。 5、平时表现成绩低于 6 分的学生，取消答辩资格，其该课程设计成绩按 不及格处理。 6、课程设计完成后，由指导教师根据完成情况写出总结。 7、此表格式为徐州师范大学物理与电子工程学院提供的基本格式，指导 教师可根据本门课程设计的特点及内容做适当的调整。

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一、课程设计目的、任务和内容要求：在现代城市中，随着人口和汽车的急剧增长，市区交通日益拥挤，要是没有红 绿灯作为指挥工具，恐怕川流不息的汽车就会由于混乱而造成严重阻塞。因此，交 通灯是交管部门管理城市交通的重要工具之一。 本课程设计的任务就是设计一个交通灯的控制系统。鼓励学生在熟悉基本原理 的前提下，与实际应用相联系，提出自己的方案，完善设计。 具体设计任务如下： 1.熟悉交通灯的工作原理； 2.写出交通灯控制器的设计方案； 3.用硬件加以实现； 4.写课程设计报告。 设计要求： 设计一个主干道和支干道十字路口的交通灯控制电路。 要求： 1.主道路绿、红灯亮的时间分别为 45 秒、25 秒； 2.次道路绿、红灯亮的时间分别为 25 秒、45 秒； 3.主、次道路时间指示采用倒计时制，用 2 位数码管显示。

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指导教师签字：

年 月 日

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江苏师范大学物理与电子工程学院课程设计报告

目 录

摘要.....................................................................Ⅱ Abstract.................................................................Ⅱ 1 课题背景................................................................1 1.1 课程性质.............................................................1 1.2 课程目的.............................................................1 1.3 设计要求.............................................................1 2 设计方案简述............................................................2 2.1 系统总体框架图.......................................................2 2.2 整体设计思路.........................................................2 3 详细设计................................................................3 3.1 秒脉冲发生器模块.....................................................3 3.2 计数器模块...........................................................6 3.3 译码器与显示模块.....................................................8 3.4 红绿灯控制模块...................................................... 10 3.5 控制电路模块........................................................ 11 4 设计结果与分析......................................................... 12 4.1 仿真调试............................................................ 12 4.2 故障分析............................................................ 13 4.3 设计结果............................................................ 14 5 实验中的不足与改进..................................................... 15 6 总结................................................................... 16 参考文献................................................................. 17 附录一: 总原理图及元件清单............................................... 18 附录二：实物图........................................................... 20 答辩记录表............................................................... 21 成绩评定表............................................................... 22 课程设计总结............................................................ .23

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摘 要

本文介绍了一款基于74系列芯片的十字路口交通管理控制器的设计，根据指导老师要求的电路功能，详细讲述了从使用电脑Multisim仿真技术设计，到独立完整的设计电子电路的过程，并简单阐述了设计的基本原理和面对不同时间倒计时的转换、红绿灯定时交替亮灭等问题的解决方案。

关键字：74系列芯片；交通管理；Multisim仿真技术；倒计时

Abstract

This paper describes the design of intersections traffic management controller based on a series of 74 chip. According to the instructor functionality of electronic design ,detail from using computer simulation technology of Multisim, To the independent and complete process of designing electronic circuits, and simply set out the basic principles of design and solutions of issues such as conversion of different time countdown and traffic light timing alternating light and death.

Keywords: a series of 74 chip; traffic management; simulation technology of Multisim; countdown

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1 绪论

1.1 课程性质

电子线路课程设计。

1.2 课程目的

在着重基础、注重前沿的前提下，促进电子信息类专业和课程的建设，促进教学改革，在教学中注重培养大学生的创新能力、动手能力；加强科学研究和工程实践素质的训练，提高学生对实际问题进行设计、制作的综合能力；吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件；为后续的毕业设计和在今后工作岗位上独立开展科学研究打下良好基础。

1.3 设计要求

(1) 主道路绿、红灯亮的时间分别为45秒、25秒； (2) 次道路绿、红灯亮的时间分别为25秒、45秒；

(3) 主、次道路时间指示采用倒计时制，用2位数码管显示。

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2 设计方案简述

2.1 系统总体框架图

图2-1 系统总体框架图

2.2 整体设计思路

根据十字路口交通管理控制器的设计要求，可以确定该控制器系统应包括秒脉冲发生器模块、计数器模块、译码显示模块、红绿灯控制模块和辅助时序控制模块等5个基本模块组成。其中计数器模块和灯控模块是系统的主要组成模块。各模块的功能如下：

1、秒脉冲发生器模块：产生稳定的1Hz时钟脉冲。 2、计数器模块：主要功能为倒计时。 3、译码显示模块：显示倒计时的时间。

4、红绿灯控制模块：控制主次干道红绿灯定时交替亮灭。

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3 详细设计

3.1 秒脉冲发生器模块

3.1.1 NE555功能介绍

本设计中，秒脉冲发生器单元是以LM555CN芯片为主体的振荡器。

555定时器主要是通过外接电阻R和电容器C构成充、放电电路,并由两个比较器来检测电容器上的电压,以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲波形产生和整形电路。图2是NE555的内部功能原理框图,图2是内部管脚图:

图3-1 内部原理框图

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图3-2 引脚图

Pin 1：地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地；

Pin 2：这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC；。

Pin 3：当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA；

Pin 4：一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用；

Pin 5：这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率； Pin 6： Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作；

Pin 7：这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗；

Pin 8：这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。

3.1.2 用555定时器构成多谐振荡器

用555定时器构成多谐振荡器电路如图3-3(a)所示。电路没有稳态，只有两个暂稳态，也不需要外加触发信号，利用电源VCC通过R1、R2和R3向电容器C1充电，使Uo逐渐升高，升到2VCC/3时，Uo跳变到低电平，放电端D导通，这时，电容器C1通过电阻R2和D端放电，使Uc下降，降到VCC/3时，跳变到高电平，D端截止，电源VCC又通过和向电容器C1充电。如此循环。振荡不停，电容器C1在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电，输出连续的矩形脉冲，

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其波形如图3-3(b)所示：

(a) (b)

图3-3 555定时器构成的多谐振荡器及其波形

其频率有R1、R2、R3、C1、C2决定，计算公式如下:

TPH＝0.7*(R1＋R2＋R3)*C TPL＝0.7*(0.5*R3+R2)*C

T＝TPH＋TPL＝0.7*(R1＋2R2+1.5R3)*C

根据要求，该系统中要使555构成的多谐振荡电路产生1Hz的脉冲，因此，令R1=47k，R2=2k，R3=47k，C1=10uF, 得到周期T=0.7(47+2×47+1.5×2)10×10-6 =1Hz。即按照图3-3(a)连接的电路就可以产生1Hz的方波脉冲。下图为仿真图:

图3-4 555定时器构成的多谐振荡器

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3.2 计数器模块

计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用来对脉冲进行计数，还常用做数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能。本系统中，选用74LS190来实现要求的减法计数功能。

3.2.1 74LS190D的主要功能

其功能表为：

表3-1 74LS190D功能表

74LS190D是同步可逆十进制计数器，由功能可知，当LOAD、U/D引脚接高电平，CLK引脚有脉冲时，74LS190D开始减法计数。74LS190D的置数是异步的，当LOAD引脚接高电平，不管CLK的状态如何，输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（D0～D3）相一致的状态。而当CLK引脚无脉冲时，无论是加计数还是减计数，都保持原计数。

图3-5 74LS190D引脚图

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3.2.2 74LS190D的功能设置

根据设计的要求，结合74LS190D芯片的功能和引脚图，设置一个45s、25s交替倒计时的减法计数器。

设计思路：实验中使用两片74LS190芯片，A芯片控制十位数，B芯片控制个位数。倒计时为25和45，B芯片在置数时由于都是5，所以将其的DCBA端分别接0101，即DB接电源负极，CA接电源，从而使置数端为低电平时置数为5； A芯片在置数时由于为4和2之间跳转，4的二进制码为0100,2的二进制码为0010，发现4和2的变化，可以看为CB之间10到01的变化，因而CB可以分别接在D触发器的Q端和Q’端，将D端与Q’端相接使得每次clk端出现上升沿时Q与Q’互相跳转，即可实现CB的10与01的跳转，即实现了45与25的跳转，clk端的信号来自A芯片的max/min端。

置数端信号来自两方面，一个为自锁开关还还有一个来自倒计时本身，当倒计时到00后，产生一个置数信号，因而设置了与非门，在按键按下时产生一个低电平，或是倒计时到00后产生一个低电平，此时与非有一个为0，与非后即为高电平，在使用一个与非门将高电平变成低电平从而送到置数端（load），而在实际操作过程中，发现数字跳到01时00与置数是同时进行的因而看不到00，从而想了另一个方案，因为十位0后为9（1001），利用D端出现的这个高电平触发置数的信号，使得出现99与置数是同时进行的，因而在实际操作中看不到99，现象为出现00后，产生置数，从而解决了问题。

图3-6 计数器模块主电路图

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3.3 译码器与显示模块

译码器与显示模块有两片74LS48N芯片和4个共阴数码管组成。 74LS48是BCD码到七段码的显示译码器，它可以直接驱动共阴极数码管，显示器采用SEVEN_SEG_COM_K共阴极数码管。74LS48的功能表如下：

七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。 它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下：

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灭灯输入BI/RBO

BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI＝0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a～g均为0，所以字形熄灭。

试灯输入LT

当LT＝0时，BI/RBO是输出端，且RBO＝1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1,显示字形8。该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。

动态灭零输入RBI

当LT＝1，RBI＝0且输入代码DCBA＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与BCD码相应的字形0熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。

动态灭零输出RBO

BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT＝1且RBI＝0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT＝1且RBI＝1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。

对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，而对其它输入代码则仅要求LT＝1，这时候，译码器各段a～g输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求。

图3-7是74LS48N的外部管脚图：

图3-8是七段共阴极数码管管脚图：

图3-7 74LS48N管脚图

图3-8 七段共阴极数码管管脚图

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由于数码管显示需要较大的功率，因此，在设计中要加上一个阻值大约为160欧的电阻，主要的作用为将点位拉高，提高输出功率。 图3-9为译码器与显示模块主电路图：

图3-9 译码器与显示模块主电路图

3.4 红绿灯控制模块

设计思路：主干道与次干道的红绿灯正好相反，即主干道绿灯时次干道为红灯，主干道红灯时次干道为绿灯，因而可以将主干道的红灯与次干道的绿灯的负极连在一起，主干道的绿灯与次干道的红灯的负极连在一起。

在电路按下开关进行置数和触发器清零时，D触发器的Q端为0，Q’为1，即置数为25，所以主干道为红灯，将其负极接在另一D触发器的Q端，主干道的绿灯的负极接在Q’端。

当倒计时到00时，让个位的abcd与十位的abcd的8个数据端一起或运算，因为想要在重新置数时即在25和45时红绿灯发生跳转，而使用的D触发器为上升沿触发，所以使用一个非门进行取反是得产生一个延时的效果，因而使重新置数与红绿灯跳变同时进行。

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图3-10 红绿灯控制模块主电路图

3.5 控制电路模块

控制部分由四个与非门组成，目的是实现重新置数与倒计时跳转功能，倒计时跳转功能前面已经谈过，此处就不在赘述。

重新置数时通过开关完成的，开关按下产生低电平，抬起为高电平，当按下时产生的低电平送入与非门即产生一个高电平的信号，在与非后即为低电平，送入置数端进行置数，完成置数功能。

图3-11 控制电路模块重新置数部分

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4设计结果与分析

4.1 仿真调试

下面是用Multisim10仿真软件仿真的电路图：

图4-1 仿真电路图

开始仿真：

1、 闭合开关S1，数码管和红绿灯显示如下：

图4-2 仿真结果图

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2、 打开开关S1，数码管从25开始倒计时，主干道绿灯亮，次干道红灯亮。

图4-3 仿真结果图

3、 25倒计时结束后，数码管跳转到45开始倒计时，主干道红灯亮，次干道绿灯亮。

图4-4 仿真结果图

3.6 故障分析

实验过程中主要出现的故障：

1、190芯片在进行倒计时时，由于本次实验使用的是max/min端，结果出现了在1到0时出现一个借位，出现了21的下一位是10的，10后面是19的现象，从而使当初的设计陷入一个尴尬的僵局； 2、模拟时使用的数码管不亮；

3、倒计时没有出现00而直接从01跳转到所置数；

4、倒计数设计的为45秒和25秒，实际与此稍有偏差。

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故障排除：

1、使用一个与非门将产生的借位脉冲取反，使原来的上升沿变为下降沿原来的下降沿变成上升沿从而得到了一个相当于延时的效果，解决了这一问题；

2、因为使用的48译码器为低电平有效，从而使得在设计时需要使用共阴数码管，所以原先采用的共阳数码管改为共阴的即解决了问题； 3、因为十位0后为9（1001），利用D端出现的这个高电平触发置数的信号，使得出现99与置数是同时进行的，因而在实际操作中看不到99，现象为出现00后，产生置数，从而解决了问题；

4、555时基脉冲产生电路连接的电容，电阻是否正确，因为这对输出脉冲的频率有很大的影响，此时微调划阻解决该问题。

3.7 设计结果

图4-5 总体设计结果图

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5 实验中的不足与改进

最初设计时，交通灯的设计与倒计时的设计是分开的，是两个不太相关的模块，可是在实际作品中，在检查电路的时候，发现交通灯的控制与倒计时的控制可以融为一体，即重新置数的同时改变交通灯的状态，从而使电路图上烦冗的或门和或非门直接可以去除，即可以去除3个芯片，分别为两片32和一片02芯片，既可以节约了成本又可以简化电路，这是当初设计的一大缺憾，而去除这三个芯片后，功能可以由一个与非门代替，即在产生置数信号的时候，该信号也送给了跳灯信号，这样简单的就解决了跳灯的功能，这是一个在实际工作中很值得改进的地方。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yql1.html