交通灯控制电路3

黄河科技学院 数字电子技术课程设计

班级：10电信1班

指导老师：乐丽琴

姓名：陈 旭

学号： 100102077

2012年5月29日

目 录

1 设计任务 ................................................................ 1 2 交通灯控制电路设计 ...................................................... 1 2.1 交通灯控制电路分析 .................................................. 1 2.1.1 交通灯运行状态分析 ............................................... 1 2.1..2 电路工作总体框图............................................... 2 2.1.3 方案比较........................................................ 2 2.2 电路设计 ........................................................... 2 2.2.1 脉冲电路........................................................ 2 2.2.2 倒计时电路...................................................... 3 2.2.3 译码显示电路.................................................... 5 2.2.4 状态控制电路.................................................... 5 2.2.4 灯显示电路...................................................... 6 3 实验数据和误差分析 ..................................................... 8 4 结论 ................................................................... 9 5 课程设计的收获、体会和建议 ............................................. 9 参考文献 ................................................................. 10 附录 ..................................................................... 10 附录一 交通灯控制电路 .................................................. 10 附录二 电子元器件清单 .................................................. 11

1 设计任务

一、设计任务及指标：

（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。

二、设计相关提示：所设计的交通路口为一十字路口，不涉及左右转弯问题。

2 交通灯控制电路设计 2.1 交通灯控制电路分析

2.1.1 交通灯运行状态分析

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2.1 交通灯运行状态

运 灯 主干道车道 红 黄 绿 主干道人行道 红 1

支干道车道 红 黄 绿 支干道人行道 红 绿 行 状 态 绿

0 1 2 3 亮 亮 灭 灭 灭 灭 灭 闪 灭 灭 亮 灭 亮 亮 灭 亮 灭 灭 亮 灭 灭 灭 亮 亮 灭 闪 灭 灭 亮 灭 灭 灭 灭 亮 亮 亮 亮 灭 灭 灭 2.1..2 电路工作总体框图 交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图2.1所示，有脉冲电路、倒计时电、状态控制电路、灯显示电路。

脉冲电路 倒计时电路 数码管 电源 状态控制电路 灯显示电路 图2.1 交通灯控制电路功能模块框图

2.1.3 方案比较

从交通灯控制电路功能模块框图可知在倒计时电路，状态控制电路，灯显示电路这三块电路产生设计分歧。所以实现交通灯控制电路可以有2种方案：

(1)先设计出让交通灯按4种状态循环变换的灯显示电路，再通过灯的状态控制倒计时显示器的显示的功能；

(2)先设计让倒计时显示器按规律运行的电路，再通过倒计时电路的信号来控制交通灯按4种状态循环变换；

方案1，2均符合设计的要求，但通过具体实践和分析方案1显示电路需要比较多的芯片，其电路不是太复杂，但是过程比较繁琐。而方案2让显示电路来控制灯的发亮，这样显示电路就不受其他信号的影响，并且通过显示电路来控制交通灯的状态变换比较容易。综上所述，选择方案2来设计具体的电路。

2.2 电路设计

2.2.1 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 2.2所示：

2

图2.2 脉冲电路

参数计算如下：

tpLR2Cln20.7R2C

tpH(R1R2)Cln20.7(R1R2)C

f11.43

tpltph(R12R2)C取R1=48k（可调），R2=52 k，C=100uF。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。

2.2.2 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

3

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2.3所示：

4

图2.3 倒计时电路

2.2.3 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2.4所示：

图2.4 译码显示电路

2.2.4 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

5

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2.2所示：

表2.2 状态控制电路信号转换表

高位 Q7Q6Q5Q4 0011 0010 0000

由表得出CP（）的表达式：

CP()Q5()Q4()Q2()Q1()Q0()Q5()Q（ 4）低位

Q3Q2QQ10 0000 0000 0101

状态转换信号

   

用与非门和非门实现电路图如图2.5：

图2.5

状态控制电路

2.2.4 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G11、Y1、R11表示主干道车道的绿灯、黄灯、红灯，G12、R12表示主干道人行道的绿灯、红灯；用G21、

Y2、R21表示支干道车道的绿灯、黄灯、红灯，G22、R22表示支干道人行道的绿灯、红

6

灯，得出状态表如表2.3所示。

表2.3 灯显示电路状态表

状态

y1y0

主车道

G11 Y1 R11

支车道

G21 Y2 R21

主人行道

G12 R12

支人行道

G22 R22

00 01 10 11

0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0

1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1

0 1 0 1 1 0 0 1

1 0 0 1 0 1 0 1

由表得个各个灯的逻辑表达式：

G21G22y1y0

Y2y1y0 R21y1

R22y1y1y0

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2.6所示：

图2.6 灯显示电路

2.2.5 总体电路图

根据上面各功能电路的设计整合，用protell总体原理电路图如2.7所示

7

图2.7 交通灯控制电路

3 实验数据和误差分析

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,

8

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。

3、十字路口交通灯转换数据统计:

表3.1 交通灯转换数据统计表

次数 20次

2、人行道交通灯转换数据统计：

表3.2 人行道转换数据统计表

次数 20次

绿红 正确 主干道

红绿 正确 绿红 正确 支干道

红绿 正确 绿黄 正确

主干道 黄红 正确

红绿 正确

绿黄 正确

支干道 黄红 正确

红绿 正确

4 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。

5 课程设计的收获、体会和建议

通过课程设计，可以把课堂上学到的理论知识运用到实践中。实践是检验真理的唯一标准。因此在课程设计过程中，我们可以检验我们所学到的科学性，也可以检验自己是否正确的理解了理论知识。

课程设计不仅可以让我们加深对理论知识的理解，也可以让我们向课外知识拓展，比如仿真软件的应用。课程设计还让我们更加熟练地掌握电工电子技术。可以说本次课程设计是数字电子技术基础跟电工电子实践的完美结合。

9

虽然任务分配表上是三个组员分工明确，而且是任务轻松，但是到工作的时候才知道并不是想象中那么简单。虽然工作很忙，但我感觉很好，时间过得很充实。虽然好几天工作到疲惫不堪，但我感到自己得到了真正的锻炼，获益不浅。

8.谢词

首先谢谢乐老师为我们这个设计付出的心血。为我们一个个的去矫正问题，一点也不厌烦同学们知识上的欠缺，一一为我们指出，这样的老师是好老师。在这次的设计里，我懂得了许多以前未懂或者不太懂的知识，给了同学们一个自己锻炼的机会和舞台。在这次的设计里面，充分验证同学们的团结，积极，主动精神。也要谢谢我们的组长以及组员同志们，给了我很多的帮助。谢谢老师，谢谢他们

参考文献

[1]电子技术基础.数字部分/康华光主编；华中科技大学电子技术课程组编.—第5版.北京：高等教育出版社，2006.1（2009重印）

[2]清华大学电子学教研室组编，阎石主编.数字电子技术基础.第四版.北京：高等教育出版社，1998

[3]刘明丹. 基于数字电路对交通灯控制的研究与设计. 实验技术与管理.2005，22(6)：03-06

[4]任中民. 交通灯数字控制系统的电路设计.辽宁省交通高等专科学校学报.2005，7(2)：45-46

[5]彭容修主编.数字电子技术基础.武汉：华中理工大学出版社，2000

附录

附录一 交通灯控制电路

10

图7.1 交通灯控制电路

附录二 电子元器件清单

表7.1 元器件清单表

11

器件名称规格 CD4511 2位共阴数码管 74LS00 74LS04（六返相器） 74LS74（带置位复位正触发双D触发器） 74LS193（可预置四位二进制双时钟可逆计数器） IC座8脚 IC座14脚 IC座16脚 IC座24脚 可调电阻10k 555定时器 按钮开关（常开、常闭） 发光二极管 电阻、电容 数量 2 1 3 2 1 3 1 7 5 1 1 1 3 10 若干 备注 16脚 IC座24脚 14脚 14脚 14脚 16脚 插2位数码管 1个常闭，2个常开 红绿各4个，黄2个 12