交通灯控制电路设计数字电子技术课程设计报告

设计题目：交通灯控制电路设计

摘要

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，通过我应用所学的知识设计了一套交通灯控制电路的方案。交通灯的控制系统主要由计时电路、主控电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器组成。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。

关键词：计时电路、主控电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器

1概述

伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高,汽车的数量在不断的增加,交通的问题日益突出，单单依靠人力来指挥交通已经不可行了,所以，设计交通灯来完成这个需求就显的越加迫切了。为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。  

交通信号灯作为一个用来指挥车辆顺利、畅通通过十字路口的装置与我们的生活紧密的联系在一起。设计交通灯控制电路的方法有很多种，由于数字电子技术的逻辑性很强，用它来设计交通灯的控制电路非常方便。而且数字电子技术芯片只要在一定的范围内输入，都能得到稳定的输出，调试简单，电路的工作也比较稳定。 

这次我设计的交通灯控制电路就是通过基本的一些数字芯片组合来对十字路口交通灯的六个不同信号灯的控制，另外还加以倒计时直观显示。这个电路的设计看似起来比较复杂，但它也是由一些基本的电路组成。只要将实现整个电路的基本设计思路和方案确定下来，画出方框图再对个功能方框的电路进行设计，一步步突破，最后整理设计出整个电路的原理图来。 

在此对电路的详细设计过程总体概括一下：  

首先，画出设计的控制电路的方框图。

其次，对各功能电路的实现进行论证介绍。 

再次，对各功能电路的设计进行详细的介绍。  

至此这次的课程设计也就完成了，但对电子知识和技能的学习与探索将永不停止。

2. 课程设计任务及要求

2.1设计任务

    用常用的中、小规模数字集成电路（参见材料清单）设计一个交通灯控制电路。

    自行设计，并完成系统功能的检验。

2.2设计要求

    （1）要求南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30秒、支干道每次通行间为20秒；

    （2）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示（采用倒计时的方法）；

    （3）在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道；

    （4）黄灯亮时，要求每秒闪亮一次；

    （5）同步设置人行横道红、绿灯指示。

3.理论设计

3.1方案论证

    交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯的运行状态共有四种，分别为： 

    状态0：东西方向车道的绿灯亮，人行道的绿灯亮；南北方向车道的红灯亮，人行道的红灯亮。

    状态1：东西方向车道的黄灯闪，人行道的红灯亮；南北方向车道的红灯亮，人行道的红灯亮；

    状态2：东西方向车道的红灯亮，人行道的红灯亮；南北方向车道的绿灯亮，人行道的绿灯亮；

    状态3：东西方向车道的红灯亮，人行道的红灯亮；南北方向车道的黄灯闪，人行道的红灯亮；

    4种状态循环往复，并且车道红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。交通灯电路的具体运行状态如表2.1所示：

表3.1  交通灯运行状态

 3.2.1结构框图及说明

    交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图3.1所示，有脉冲电路、倒计时电、状态控制电路、灯显示电路。

图3.1  交通灯控制电路结构框图

 3.2.2系统原理图及工作原理

3.3单元电路设计

 3.3.1单元电路工作原理

    3.3.1.1脉冲电路

利用555定时器为主组成多谐振荡器，输出1Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。

组成的脉冲电路如图 3.2所示：

R2

R1

图3.2  脉冲电路

参数计算如下：

取R1=60kW（可调），R2=100 kW，C=4.7uF。即可实现调出1Hz的矩型方波。在输出端接上了一个开关，可以控制系统工作的开始和暂停。

    3.3.1.2倒计时电路

十字路口要有数字显示，作为倒计时提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数为5和0，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。根据题目的要求南北方向（主干道）车道和东西方向（支 干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30秒、支干道每次通行时间为20秒。也就是一个循环是50秒，如此先显示30秒后显示20秒倒计时，然后再显示30秒倒计时，以此类推。

设计时采用两块74LS193，一块是显示十位，一块是显示个位。个位接成十进制，从9开始倒计时，当到达0时，向高位发出一个借位信号，再继续从9倒计时。一开始使十位数置数为3，二进制为0011，个位数为0，二进制为0000，此时个位产生一个借位信号给十位的脉冲输入端，十位的74LS193芯片倒计时一次，结合个位的设置，电路从30开始倒计时。当主车道绿灯亮了25秒，倒计时也已经数到了5了，此时，个位显示5，十位显示0，主车道的绿灯熄灭，主车道的黄灯开始倒计时闪亮5秒，当倒计时到0后，个位芯片74LS193发出一个借位信号，向高位借数，但是高位已经是0了，按照要求此时十位应该是从0翻转2，即二进制0010，为了实现这功能，通过研究十位的二进制数发现，十位的二进制是从0011、0010、0001到0000计数完，翻转为二进制0010，然后从0010、0001到0000倒计时，当到0000后就结束一个循环，又从0011开始新的一个循环。从二进制0011和0010两个不同的预置数，发现可以用1个D触发器74LS74接成T触发器并把Q端接至十位倒计时的最低位来完成这个功能。高位产生借位信号时将Q端的信号置入，当这个借位信号（低电平）消失后，产生一个上升沿的脉冲信号，使T触发器翻转然后保持，下一个借位信号来时就把此时的Q值置入（此时Q值为原来的非，即由0变1或由1变0），然后翻转。通过以上置数方式可实现0011和0010的交替置入。另外，通过在特定时刻（倒计时高位由0000变为0010后）对T触发器进行清零，可实现主次干道通行时间的调整。最后将电路的倒计时接到译码器74HC4511，再接到共阴极数码显示管上显示十进制数字。据此画出倒计时电路如图3.3所示：

图3.3倒计时电路设计图

    3.3.1.3译码显示电路

CD4511可以把8421编码的二进制数译成七段输出a、b、c、d、e、f、g，用以驱动共阴极数码管。译码显示电路如图3.4所示：

图3.4译码显示电路设计图

    3.3.1.4状态控制电路

用倒计时控制灯的变化，先将图示状态0、1、2、3编码为00、01、10、11，当倒计时为30、20、5的时候产生一个信号给状态转换的电路，而这个信号是电平信号的话就很难实现，所以又用了边沿触发，此时用计数器表示状态，取其低两位的计数态00、01、10、11为灯的状态，这样的话，来一个边沿信号就能使计数器加一，实现上述四状态转换。画出状态控制电路信号转换表如表3.2所示：

表3.2  状态控制电路信号转换表

用与非门和非门实现电路图如图3.5：

图3.5状态显示电路设计图

    3.3.1.5灯显示电路

    首先要把控制的脉冲接入计数器74LS193的非减数的脉冲端，因为脉冲主要有四个，四个为一个循环，只取计数器的低位两位即可，除了让计数器工作的接入端需要接电平外，其他端都不用接，计数器的低位两位即可组成00、01、10、11四种状态。用、、表示主干道车道的绿灯、黄灯、红灯，、表示主干道人行道的绿灯、红灯；用、、表示支干道车道的绿灯、黄灯、红灯，、表示支干道人行道的绿灯、红灯，得出状态表如表3.3所示。

表3.3  灯显示电路状态表

为了让黄灯能秒闪亮一次，可以在黄灯前加入一个与门，把黄灯发亮的信号当成是与门的开通信号，与门的另一端接入时间脉冲，那么黄灯就可以实现每秒闪亮一次的功能。画出灯显示电路如图3.6所示：

 3.3.2原件参数选择

取R1=60kW（可调），R2=100 kW，C=4.7uF。即可实现调出1Hz的矩型方波。在输出端接上了一个开关，可以控制系统工作的开始和暂停。

4.软件仿真

4.1仿真电路图

4.2仿真过程

   开启仿真按钮之后，东西方向路灯绿灯，南北方向是红灯，倒计时显示的是一个随机的数字，直到倒数到0后，东西方向黄灯，南北方向红灯，过5秒后，东西方向红灯，南北方向绿灯，此时倒计时显示30，之后按照预先的设计，各个正常亮灭                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

4.3仿真结果

   打到要求，具体如下表

表4.1  交通灯转换数据统计表

5.1安装调试过程

   按照电路图依依将电路元件安装起来，并且在安装过程中及时查错，出算错误，马上整改。

5.2 故障分析

   1、脉冲电路电路产生的脉冲的20个周期是18.5秒。产生误差的原因是电容的容量比标准值4.7uF小，因此脉冲电路产生的周期没有达到1秒。

   2、调试中发现倒计时的过程中，从20倒计时至00，再变为30时，数码管闪现30,然后跳到29,或是从30倒计时至00变为20，数码管闪现20，然后跳到19。产生误差的原因是十位计数器跟个位计数器都在同一个脉冲里发生借位，而十位计数器是在个位计数器借位之后再变化的，即一个脉冲上升沿到达个位计数器约半个脉冲周期之后，十位计数器再发生借位。因此数码管的十位显示“2”或“3”约半秒后就跳到下一个显示状态。

6.结论

    各灯的运行状态正常。脉冲电路产生的脉冲周期跟标准值之间有微小的误差，但不会影响倒计时电路和译码显示电路的正常工作。倒计时器在状态周期转换时会出现显示的误差。但对两个车道上的通行时间是没有影响的。综上所述，交通灯控制电路能在允许误差范围内正常工作。

7.使用仪器设备清单

1. 马学文，李景宏.电子技术实验教程.北京：科学出版社.2013

2. 李景宏，王永军编著.数字逻辑与数字系统.北京：电子工业出版社，2012

3.高吉祥，易凡编著.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，2002

4.陈大钦编著. 电子技术基础实验. 北京：高等教育出版社，2000

9. 收获、体会和建议

    通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵

    过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!