数电十字路口交通灯控制系统设计(毕业设计)

西南交通大

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网年络教月育学日院 9 30

学镇江学习中心学习中心：指姓学专导教名号业师：：：：机械设计制造及其自动化

目：十字路口交通灯控制系统设计

题

院系 西南交通大学网络教育学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年级 2012-61 学 号 姓 名 学习中心 镇江学习中心 指导教师 题目 十字路口交通灯控制系统设计

指导教师

评 语

是否同意答辩 是 过程分(满分20)

指导教师 (签章) 评 阅 人

评 语

评 阅 人 (签章)

成 绩

答辩委员会主任 (签

章)

年 月 日

毕 业 设 计 任 务 书

班 级 学生姓名 学 号 开题日期： 2014年 8 月 15 日 完成日期： 2014 年 10月 30 日

1、本论文的目的、意义 十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。实现红绿灯的自动指挥是城市交通自动化的重要课题。本课题利用数字路的基本知识和设计方法，设计一个简单的交通灯控制系统要求。

2、学生应完成的任务 1.掌握系统设计的一般步骤和方法，掌握一个大的系统中各子系统之间的相互作 用和相互制约关系；

2.运用数字电路理论知识自行设计并实现一个较为完整的小型数字系统。通过系统设计、电路安排与调试、写设计论文等环节，初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平； 3.学会用中规模器件设计一个符合要求的系统，并熟悉常用中规模器件的用法。

4.学会按照电路图在面包板上合理布局使各器件在系统中的连线更简单，清晰；

5.掌握连接实物图的一般步骤和方法，学会系统安装与调试的一般步骤和方法。

6.在实践中运用理论知识，培养实际动手能力； 3、 论文各部分内容及时间分配：（共 11 周） 第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 熟悉课题，收集、整理课题相关资料 分析及总体设计 ( 2 周)

( 3周)

详细设计、整机调试 毕业设计论文整理 ( 3周)

( 2 周)

评阅或答辩 ( 1 周)

4、 参考文献

1. 徐 锦 数字电路与逻辑设计 第 2 版 北京 高等教育出版社 2. 夏路易 石宗义 电路原理图与电路板设计教程 第 1 版 北京希望电子出版社

3. 方至烈 第三代 LED 信号灯 复旦大学出版社

4. 王军华 LED 道路交通信号灯测试研究 交通管理学院研究所 5. 郭玉平 探讨交通信号灯 北京工业技术出版社 6. 杨晓松 交通灯的信号测试 复旦大学出版社 7. 周 伟 交通信号灯的设计原理 上海光源研究所

8. 王泰华 交通信号灯测试 湖北邦德出版社

备 注

指导教师： 年 月 日

审 批 人： 年 月 日

本设计是本人完成；

三二一、、、

本设计没有任何抄袭行为；诚信承诺

若有不实，一经查出，请答辩委员会取消

本人答辩（评阅）资格。

承诺人

2014

年 9

月30

日

西南交通大学网络教育毕业设计（论文）

交通信号灯控制系统的设计

摘的主要工作有：

1、 2、 3、

选择合适的控制器和计数器 设计连线简单清晰的系统图 实物测试

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。 目前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化的方向发展，因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案。

本论文通过用控制器、计数器、译码电路等中等规模数字逻辑器件来设计一个十字路口交通指挥灯，并通过实物搭接验证其功能，最后检测其性能。本论文

关键字： 交通信号灯 控制器 计数器 译码电路

要

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Abstract

With the development of society and economy, the traffic

problem has attracted more and more attention. At present, a large number of signal circuit is developing towards digital, small power and diversification, therefore, there are many designers designing many works to improve the urban traffic environment.

This paper design a crossroads traffic light by using controller, counter, decoding circuits of medium

scale digital logic devices, and verrify its function by real lap, finally test its performance. The main work of this paper are as follows:

1、select the appropriate controller and counter 2、design simple and clear diagram system 3、the real test

Key words: Traffic light controller counter decoding circuit

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目录一、交通信号灯的设计目的以及要求引言 .

................................................ 错误!未定义书签。

.................... 错误!未定义书签。 .................................... 3

四、计数计器数器的的引作功脚用能排表列及图引与脚逻功辑能图3.1 74LS90 3.2 74LS90 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

三、主控制器交通信号灯基本原理及设计方法计数器的工作情况状态译码电路置数电路振荡器构成译的码秒器七段脉数冲码电管路译码共显阳示极电路LED

二........................................................ 8

................................... 8 ................................... 9

......................................................... 11

............................................... 11

........................................... 12

............................... 13

五 .

5 1.

5.2 74LS247

六.555

6.1 555 6.2 555 6.3 555

定时器构成的多谐振荡器定时器工作原理定时器的引脚七、交通灯信号灯控制总体框图控制信号灯的译码电路的真值表 ................................................... 14

............................................... 15

................................................... 16

....................................... 16

............................................. 17

...................................... 20

........................................... 20

................................. 22

......................................... 24 ....................................... 25

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参总八考文结组献装和调试过程 .

................................................. 37

............................................................. 40 ........................................................... 41

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黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着\"科学救国\"的抱负到美国深造，在大发 明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信 号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回 到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。

中国最早的马路红绿灯，是于 1908 年出现在上海的英租。 从最早的手牵皮带到 20 世纪50 年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调， 多值化方向发展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.随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的.全部有数字电路组成,比较以前的方案更为精确。

十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。实现红绿灯的自动指挥是城市交通自动化的重要课题。本课题利用数字路的基本知识和设计方法，设计一个简单的交通灯控制系统要求。

1

第一章绪论

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1.掌握系统设计的一般步骤和方法，掌握一个大的系统中各子系统之间的相互作用和相互制约关系；

2.运用数字电路理论知识自行设计并实现一个较为完整的小型数字系统。通过系统设计、电路安排与调试、写设计论文等环节，初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平；

3.学会用中规模器件设计一个符合要求的系统，并熟悉常用中规模器件的用法。

4.学会按照电路图在面包板上合理布局使各器件在系统中的连线更简单，清晰；

5.掌握连接实物图的一般步骤和方法，学会系统安装与调试的一般步骤和方法。

6.在实践中运用理论知识，培养实际动手能力； 7.主干道的通行时间长于支干道的通行时间；

8.每次由绿灯变为红灯或由红灯变为绿灯的前 5 秒四个路口要亮黄灯以提示过往车辆及行人注意路灯变化，安全通行；

9.设计正计时 60s、50s 计时数码实现电路，要求每秒钟改变一次数字； 10．在一个主支干道的十字路口，东西和南北方向各设置一个红，黄，绿三种颜色的交通灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行。在绿灯变红灯时先要求黄灯亮 5 秒钟，以便让后来车辆准备停车。由于主干道车辆较多，支干道车辆较少，所以要求主干道处于通行状态的时间要长一些，为 60 秒；而支干道通行时间为 50 秒。

2

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十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一个主干道和一个支干道的十字路口如图 2-1 所示。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。

交通信号灯基本原理及设计方法3

第二章

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图2-1 路口交通指挥系统示意图

设主干道通行时间为 N1，干道通行时间为 N2，主、支干道黄等的时间均为 N3，按主支干道通行的时间来看，设置 N1﹥N2﹥N3。系统工作流程图如图所示。

4

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图2-2系统工作流程图

要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路等几部分组成，整机电路的原理框图如图所示。四个路口设有红、黄、绿三色灯和两位 8421BCD 码的计数、译码显示器。

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图2-3交通信号灯控制原理电路框图

十字路口车辆运行情况只有 4 种可能：1）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为 60s。2）60s 后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为 5s。3）5s 后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为 50s。4）50s 后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为 5s。5s 后又回到第一种情况，如此循环反复状态转换图如图所示。

图2-4 状态转换图

因此，要求主控制电路也有 4 种状态，设这 4 种状态依次为：S0、S1、S2、S3。详细解释如下：

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S0状态：主干道绿灯亮，支干道红灯亮，此时主干道允许车辆通行，主干道禁止车辆通行。当主干道绿灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。

S1状态：主干道黄灯亮，主干道红灯亮，此时主干道允许超过停车线的车辆继续通行，而未超过停车线的车辆禁止通行，支干道禁止车辆通行。当主干道黄灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。

S2状态：主干道红灯亮，支干道绿灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道允许车辆通行，当支干道绿灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。

S3状态：支干道红灯亮，支干道黄灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道允许超过停车线的车辆通行，而未超过停车线的车辆禁止通行。当支干道红灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态------S0状态。 S0、S1、S2、S3状态分别分配状态编码为00、01、11、10，由此得到控制器的状态。

下图画出了控制器的状态转换图，其中TL、 TS、TY为控制器的输入信号，ST为控制器的输出信号。

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十字路口车辆运行情况只有 4 种可能，实现这 4 个状态的电路，可用两个触发器构成，也可用一个二-十进制计数器或二进制计数器构成。我采用二-十进制计数器 74LS90 实现。采用反馈归零法构成 4 进制计数器,即可从输出端 Q BQ A 得到所要求的 4 个状态。图3-1 74LS90 管脚排列图,逻辑图如图所示。为以后叙述方便，设 X1=QB,X0=QA。

引脚排列图与逻辑图3.1 74LS90

第三章主控制器

8

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图3-1 74LS90 管脚排列图

图3-2主控制器的逻辑图

的功能表及引脚功能3.2 74LS90

表3-1 74LS90 功能表

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如表 7 4LS90 功能表：7 4LS90 逻辑功能为

(1)计数脉冲从 CP1 输入，QA 作为输出端，为二进制计数器。

(2)计数脉冲从 CP2 输入，QDQCQB 作为输出端，为异步五进制加法计数器。

(3)若将 CP2 和 QA 相连，计数脉冲由 CP1 输入，QD、QC、QB、QA 作为输出端，则构成异步 8421 码十进制加法计数器。

(4)若将 CP1 与 QD 相连，计数脉冲由 CP2 输入，QA、QD、QC、QB 作为输出端，则构成异步 5421 码十进制加法计数器。

(5)清零、置 9 功能。

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a)异步清零

当 R0(1)、R0(2)均为\"1\"；S9(1)、S9(2)中有\"0\"时，实现异步清零功能，即 QDQCQBQA＝0000。

b)置 9 功能

当 S9(1)、S9(2)均为\"1\"；R0(1)、R0(2)中有\"0\"时，实现置 9 功能，即 QDQCQBQA＝1001。

第四章

计数器

4.1

计数器的作用

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计数器的作用有二：一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行 60s、50s、5s 3 种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。

计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的工作情况为：计数器在主控制器进入状态 S0 时开始 60s 计数；60s 后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态 S1，计数器开始 5s 计数；5s 后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态 S2，计数器开始50s 计数；50s 后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态 S3，计数器又开始 5s 计数；5s 后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态 S0，开始新一轮循环。

根据以上分析，设 60s、50s、5s 计数的归零信号分别为 A、B、C，则计数器的归零信号L 为：

L=A+B+C

其中：

计数器的工作情况4.2

考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将 L 取反后送到主控制器的 CP 端作为主控制器的状态转换信号。可选用集成异步十进制加法记数器(74LS90)。图 5-1 计数器。

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图4-1图计数器(利用 74LS90 正计数功能)

4.3

主控制器的4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为 1，灯灭为0，则控制信号灯的译码电路的真值表。

表4-1表控制信号灯的译码电路的真值表

控制信号灯的译码电路的真值表

由灯控真值表可写出六盏等的逻辑式,经化简获的六盏灯逻辑式为： 由真值表得灯控函数逻辑表达式

R=QB， r =QB Y=QBQA， y =QBQA

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G=QBQA， g =QBQA

由真值表可分别写出各灯的逻辑表达式：

R=S2+S3=X1X0+X1X0=X1

Y=S1=X1X0 G=S0=X1X0

r=S0+S1=X1X0+X1X0=X1

y=S3=X1X0 g=S2=X1X0

根据功能要求采用以下逻辑门电路构成：

门电路是数字逻辑电路的基本组成单元，门电路按逻辑功能可分为：与门、或门、非门以及与非门、或非门、异或门、同或门、与或非门。若按电路结构组成的不同，可分为立元件门电路、CMOS 集成门电路、TTL 集成门电路等。各种集成门电路通常都封装在集成芯片内。此次设计采用的集成电路有 74LS04、74LS00、74LS20 引脚排列图如下图所示 这些集成电路的封装形式均为双列直插式。为双列直插式集成电路的右下方通常是地线 GND，左上方引脚一般是电源线VCC，其它引脚的用途如图中符号所示，每个集成电路都有自己的代号，与代号对应的名称形象地说明了集成电路的用途。如 74LS00 是二输入端四与非门，它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与非门。74LS04、74LS00、74LS20 引脚图如下图所示：

置数电路4.4

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图4-2 74LS04 六非门内部结构引脚图

图4-3 74LS00 四入与非门内部结构引脚图

图4-4 7420 四输出与非门内部结构引脚图

4.5

根据灯控函数逻辑表达式,可画出由与门和非门组成的状态译码器电路,如图所示。将状态控制器，状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路，如图所示。

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状态译码电路

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图4-5态译码电路

第五章译码显示电路

5 1.

译码显示电路主要是由共阳极 LED 七段数码管，74LS247 译码器组成。

LED

七段数码管共阳极

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数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。此次设计采用的是共阳极连接如图：

图5-1共阳极数码管引脚图

图5-2共阳极数码管接法

5.2 74LS247

译码器

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图5-3 74LS247 管脚功能排列图

1.以下介绍各引脚的功能： （1）3 脚是输入端当

=0 时,a、b、c、d、e、f、g 均输出为零,发光数码管各发光段全亮,

=1时，译码器按输入

显示 8 字用以检查数码管各发光段是否良好.当BCD 码正常译码显示。 （2）4 脚灭灯输入端当

=0时，=0 时,不论 A,B,C,D,的输入状态如何,译码器的输出 a、b、

=1时，译码器才根据 A、

c、d、e、f、g 均为高电平,显示器各段均不亮,只有B、C、D 输入状而译码输出。

（3）3 脚灭零输入端

当=0时,若输入 DCBA=0000,则输出不显示 0,若输入为其它带码,则

照常显示。

（4）4 脚灭零输出端该端同

端共用一个引脚,它既是灭灯输入端用来接收信号,又是灭零输

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出端输出信号,为相邻位提供灭零输入信号。

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注 :常用的七段显示器还加了小数点 DP （5）分析

当编码器某一个输入信号为 1 而其它输入信号都0时，则有一组对应的数码输出，如7＝1 时，Y3 Y2 Y1 Y0＝0111。输出数码各位的权从高位到低位分别为 8、4、2、1。

2.数码连接译码电路。

74LS247 是一种 BCD 码输入端,其中 D 是高电位;a、b、c、d、e、f、g 是输出端,输出低电平有效,和共阳极半导体发光数码管各发光段的阴极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，74LS247 和数码管的管脚排列图:

图5-4 段数码显示器管脚接法

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图5-5 码连接电路图

3.真值表 共阳极数码管

的数字显示真值表如下表所示： 表5-1 七段显示译码电路真值表

555 定时器是种中规模集成电路，只要外部配上适当阻容元件，就构成脉冲产生和整形电路。

6.1 555

时器 555 定时器内部结构和引脚排列图，如内部电路图，引脚排列图。555 定时器内部含有一个基本 RS 触发器，配个电压比较器 C1,C2,一个放电三极管 T 由三个 5K 的电阻的分配器，555 定时器因此而得名一个输出缓

20

定时器的引脚

振荡器构成的秒脉冲电路第六章 555

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冲器 G3。比较器 C1 的参考电压为 2VCC/3 加在同相输入端 C2 的参考电压为 VCC/3 加在反相输入端，两者均由分在器上取得。

图6-1 555 的内部电路

图6-2 定时器引脚排列图

555 定时器个引线端的用途如下： 1．1 端为接地线；

2．2 端为低电平触发端，也称为触发输入端。当 2 端的输入高电压高 于 V CC/3 时，C2 输出为 1；当输入电压低于 V CC/3 时，C2 的输出为 0，使基本触发器置 1；

3．3 端 U 0为输出端；

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4．4 端是复位端，当=0时，基本触发器直接置 0，使 Q=0，=1；

5．3 端 U DD 为电压控制端，如果 CO 端另加控制电压，则可以改变 C1，C2 的参考电压。工作中不使用 CO 端时，一般都通过一个 0.01uF 的电容接地，以防旁路干扰；

6．6 端 TH 为高电平触发端，当输入电压低于 2VCC/3 时，C1 的输出为 1；当输入电压高于 2VCC/3 时，C1 的输出为 0，使基本触发器置 0，即 Q0=0，

=1这时定时器输出 U0=0；

=1时，放电晶体管 T导通，

7．7 端 D 为放电端。当基本触发器的外接电容元件通过 T 放电；

8．8 端 V CC为电源端，可在 4.3-1.6V 范围内使用，若为 CMOS 电路，则 VCC=3-18V。表 7-1 555 定时器功能表，它全面表示了 555 的基本功能。

表6-1 定时器功能表

6.2 555

定时器构成的多谐振荡器22

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多谐振荡器产生矩形波的自激振荡电路，由于矩形波包含和高次谐波成分，因此称为多谐振荡器。如图 6-3波形图采用 555 设计的多谐振荡器及其工作波形，其振荡频率与实际的数字钟频率略有出入，但可以通过校时装置校时。多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。用 555 实现多谐振需要外接电阻 R1，R2 和电容 C，并外接+3V 的直流电源。只需在+V CC端接上

+3V 的电源，就能在 3 脚产生周期性的方波。

图6-3 本次设计的秒脉冲电路图

23

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图6-4 波形图

接通电后，它经过电阻R1和R2，对电容 C 充电，当UC上升略高于2/3UCC

时，比较器 C1 的输出为\"0\"，将触发器置\"0\"，UC为0。这时，

=1，放电

管T导通，电容C通过R2和T放电，UC下降。当UC下降略低于1/3UCC时，比较器C2的输出为\"0\"，将触发器置\"1\"，Uc又由\"0\"变为\"1\"。由于

=0，

放电管 T 截止，UCC又经过R1和R2 对电容 C 充电。如此重复上述过程，Uc为连续的矩形波。

第一个暂稳状态的脉冲宽度tp1，即Uc从1/3UCC充电上升到2/3UCC所需时间

定时器工作原理6.3 555

第二个暂稳状态的脉冲宽度tp1，即Uc从2/3UCC充电上升到1/3UCC所需时间

振荡周期

振荡频率

占空比

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由式可得,占空比大于总是>%50。若设占空比=%50，又知交通信号灯的振荡周期是1S，可得到本次所需要的元器件阻值：

R1 5.1KΩ R2 5.1KΩ C1 100uF C2 0.01uF

一、脉冲信号发生器的设计：

方案一：

本实验采用555定时器组成秒脉冲信号发生器。因为该电路的输出

ΩΩ。在调试电路时，调节电位器RP ,使输出脉冲周期为1s。如图7.1所示

25

ΩR2≈51K。取一固定电阻47K与一个5K的电位器想串联代替电阻R2

Ω脉冲的周期T≈0.7(R1+2R2)·C,若T=1s，令C=10μf，R1=39K,那么

第七章交通灯信号灯控制总体设计

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图7-1秒脉冲信号发生器

方案二：

用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器,如图7.2。

先用石英晶体振荡器和若干电阻电容组成频率为32768Hz的信号发生器，再用十四位二进制计数器CD4060 14进行14分频使其成为2Hz的信号，最后用D触发器进行2分频，使其成为频率为1Hz的秒脉冲信号。

26 图3.2 石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器

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方案选择：

本设计中由于用秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度会影响计数器的精度，进而影响控制系统的精度，因此要求秒脉冲信号具有比较高的精度，为提高精度可先做一个频率比较高的矩形波振荡器，然后将其输出信号分频，就可以得到频率较低而精度比较高的脉冲信号发生器。用石英晶体构成秒脉冲信号发生器不需要外加输入信号，而且其脉冲频率很稳定，起振快、时基精度高，它的工作频率仅决定于石英晶体的振荡频率，而与电路中的R、C的数值无关。

综上考虑，在实际应用中秒脉冲信号发生器的设计选用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器。但由于本次设计是基于multisim10.1软件的，而multisim10.1上不支持石英晶体振荡器，所以在仿真过程中可以使用555定时器构成的秒脉冲触发器代替。在仿真精度不高的前提下，也可以使用RC多谐振荡器构成的电路来提供秒脉冲。

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二、定时器的设计： 方案一：

用74LS193直接构成减计数器，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST的作用下，计数器以减计数向控制器提供M5、M25、M45的信号，即TY、TS、TL的时间信号。 方案二：

定时器由与系统秒脉冲同步的计数器74161构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST作用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供M5、M25、M45信号，即TY、TS、TL的时间信号。 方案选择：

74LS193是双时钟同步二进制可逆计数器，用它进行减计数与数字显示倒计时相符合。然而必须在输入端输入数字，因此向控制器提供M5、M25、M45的信号需要5片74LS193。而用74161可以级联，只需要2片即可向控制器提供M5、M25、M45的信号，倒计数可在数字显示电路中实现。用74161节省材料，节约成本，而且由于经常应用，因而使用起来较方便。因而选择方案（Ⅱ）。

当系统处于S0状态为满足支干道绿灯亮够45秒，要将M45的输出端反馈到使能端EP、ET，使它记到44时停止计数，然后转换到S1状态。而且要求计数器在状态转换信号ST的作用下，首先清零，然后开始计数，电路如图4所示。

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LDA74LS161(1)QAQBQCQDRCOCP145秒定时信号TL BCDEPETCR&1DQCP&LD74LS161(2)11DQ25秒定时信号TS1CP11STAQAQBQCQDRCOCP1BCDEPETCR&1DQ5秒定时信号TYCP秒脉冲信号图4 定时器电路图

三、控制器的设计：

列出状态转换表，如图所示。选用两个触发器作为时序寄存器产生四种状态，控制器的转换条件为TL、TY及TS，当控制器处于Q1nQ0n = 00 状态时，如果TL=0，则控制器保持在00状态；如果TL=1，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。这两种情况与条件TY和TS无关，所以无关项用“×”表示。其余情况依次类推，同时列出状态转换信号ST。

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表2逻辑赋值后的状态表

Q1n 0 0 0 0 0 1 1 1 1

Q2n 0 0 0 1 1 0 0 1 1

TL × 0 1 × × × × × ×

TS × × × × × 0 1 × ×

TY × × × 0 1 × × 0 1

Q1n+1 0 0 0 0 1 1 1 1 0

Q2n+1 0 0 1 1 0 0 1 1 0

说明 维持S0， 由S0 S1 维持S1 由S1 S2 维持S2 由S2 S3 维持S3 由S3 S0

表 2 控制器的状态转换表 输入 现态 状态转换条件 次态 输出 状态转换信号 Q1nQ0n 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 TL TY TS 0 × × 1 × × × 0 × × 1 × 30

Q1n+1 Q0n+1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 ST 0 1 0 1 0 西南交通大学网络教育毕业设计（论文）

1 1 1 0 1 0 × × 0 × × 1 × 0 × × 1 × 根据表2，写出状态方程和状态转换信号方程为：

Q1n+1 =Q1nQ0nTY + Q1nQ0n + Q1nQ0n TY

1 0 1 0 0 0 1 0 1 Q0n+1 = Q1n Q0nTL + Q1nQ0n + Q1nQ0nTS

ST= Q1nQ0nTL + Q1nQ0nTY + Q1nQ0nTY + Q1nQ0nTS

用四选一数据选择器和D触发器实现，设A1A0 = Q1nQ0n ，其他变量通过数据输入端输入。

数据选择器用74LS153，触发器用74LS74。设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将TL、 TS、TY看作输入信号，按照由数据选择器实现逻辑函数的方法实现以上三个逻辑函数，并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端，数据选择器的输入端信号可以根据状态方程和转换信号方程得出。就可得到控制器的原理图，触发器的时钟输入端输入秒脉冲。

系统的输出是在Q1Q0驱动下的六个发光二极管，各状态与信号灯的关系由表2给出，因此，得到二极管信号与控制器状态变量的关系为：

主干道：

MG= Q1Q0

MY= Q1Q0 MR= Q1

NR= Q1支干道：NG= Q1Q0

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NY= Q1Q0

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电路如图5所示。

R=200Ω主干道信号灯MGMYMRNGNYNR支干道信号灯＆＆＆＆Q1Q174LS74RD(1)CPLDD1Q0Q074LS74RD(2)DCPLD1ST秒脉冲YA74LS153（１）0A1ED0D1D2D3YA074LS153（２）AD0D1D2D3E1YA074LS153（３）A1D0D1D2D3EＴＬＴＹＴＳ１１１0图5 控制器电路图

表3信号灯与控制器状态编码表

状态

MG MY MR NG NY NR 32 西南交通大学网络教育毕业设计（论文）

S0 S1 S2 S3

四、显示电路的设计：

交通灯的数字显示采用倒计时，因而应采用减计数器。

方案（Ⅰ）：采用74LS193进行减计数，然后将输出接到七段显示译码器上。

方案（Ⅱ）：采用74LS192进行减计数，然后将输出接到七段显示译码器上。

74LS193是二进制计数器，而74LS192是十进制计数器。由于显示的是由个、十位构成的数，因而用十进制计数器较好，选择方案（Ⅱ）。 每个干道需要两位数字显示，由于用减计数器，因而每个干道需要5

1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 片74LS 192，由表3可看出主干道74LS192 应该向七段显示译码器提供 M45（S0状态）、M5（S1状态）、M30（S2、S3状态）的倒计数，而支干道74LS192应该向七段显示译码器提供M50（S0. S1状态）、M25（S2状态）、M5（S3状态）的倒计数。74LS192的RD、LD端由Q1、Q0来控制，根据S0———S3状态改变Q1、Q0从而控制RD、LD端，使它们进行减计数和清零。CPD端输入秒脉冲信号，而CPU端输入高电平。电路如图6、7所示。

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1LTRBIA0≥1abcdefg主干道1LTRBIA0≥1abcdefg74477447 (十位)（十位）A1A2≥1≥17447(个位)A1A2≥1≥1A3≥1A3≥11QQQQCPUDCBACOCPD74LS192BODCBARDLD0101QQQQCPUDCBACO1CPD74LS192BODCBARDLD0100QQQQCPUDCBACO1CPD74LS192BODCBARDLD0101QQQQCPUDCBACOQQQQCPUDCBACO74LS192BO秒脉冲信号CPD74LS192BOCPDDCBARDLD0000DCBARDLD001111Q1Q01图6 主干道显示电路

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11&&西南交通大学网络教育毕业设计（论文）

1LTRBIA0≥1abcdefg支干道1LTRBIA0≥1abcdefg7447（十位）A1A2≥1≥17447（个位）A1A2≥1≥1A3≥1A3≥11QDQCQBQACOCPU74LS192BOCPDDCBARDLD0000QDQCQBQACO1CPU74LS192CPDBODCBARDLD0101DQCQBQACPQCOUQQQQCPUDCBACO1DQCQBQACOCPQU秒脉冲信号74LS19274LS192BOBOCPDCPDDCBARDLD0101DCBARDLD001074LS192CPDBODCBARDLD010111Q1Q01图7 支干道显示电路

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根据设计各部分功能可画出交通信号灯控制系统总体框图：

图7-2交通信号灯控制系统总体框图

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一、PCB图的生成

首先利用“Protel”软件绘制出原理图，并生成网络表，建立好PCB图的设计板层后，先利用自动布线产生元件连接关系的“预拉线”，根据元件布局的准则来做调整。

（1）各单元或整机的元器件布局应保证电路性能指标的实现； （2）元器件的布局应有利于散热和耐冲击振动；

（3）元器件的布局应使整机的重量平衡，组装机构紧凑、外观良好； （4）各级元件尽量集中布设在一起，并以管子为中心就近排列； （5）注意各级电路、元器件、导线间的相互影响； （6）应该注意接地的方法，以减少电流的干扰。 二、元器件的插装及焊接

按照安装图中的元件布局图进行安装、焊接电路板，具体步骤如下： （1）为确保元器件正确安装与工作，安装前必须对各元件进行判别和检测（具体方法参照“技术要求”中的描述）。

（2）对各个元件引脚要进行搪锡，防止焊接过程中造成虚焊而影响电路正常工作。

（3）按照顺序将各元件插装到位（跳线、二极管、电阻、芯片底座、 SB插接件、电容、三极管）。二极管和电阻在焊接时，应先将一端焊接好，进行简单调整后再焊接另外一引脚。对于SB插接件、芯片及底座的焊接，应遵循先焊对角引脚的原则，待调整后焊接其余引脚。每一个元件在焊接完毕后检查无误后将多余的管脚用扁口钳剪掉，使之美观整齐。

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第八章组装和调试

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（4）焊接完毕后要进行必要的检查，是否有漏焊、虚焊、假焊、毛刺或焊点不光滑等现象。

（5）电阻、二极管均采用水平安装，贴紧印制版，电阻的是色环班房方向应一致。

（6）电电容应尽量插到底，元件底面离印制版不能大于4mm。 （7）集成电路应与印制版贴紧。

（8）插接件的装配应均匀、端正、高矮有序。

（9）修剪引脚时注意留在焊面上不得过长，一般为1±0.5mm左右。 三、相关器件调整

一般情况下可以直接正常工作，如果发现发光二极管的亮度不一致，可以通过调节对应三极管的基极电阻来改善。

观察电路板的焊接情况、元器件的位置，发现有虚焊和元器件倾斜的情况，用电烙铁加热借用镊子配合对其进行调整。 四、调试准备工作 1、连线是否正确

检查电路连线是否正确，包括错线、少线和多线。查线的方法通常有两种。（1）按照电路图检查安装的线路。这种方法的特点是，根据电路图连线，按一定顺序逐一检查安装好的线路。由此，可比较容易查出错线和少线。（ 2）按照实际线路来对照原理电路进行查线。这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件（包括器件）引脚的连线一次查清，检查每个引脚的去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式

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万用表“Ω×1”挡，或数字式万用表“Ω挡”的蜂鸣器来测量，而且直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。 2、元器件安装情况

检查元、器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良，二极管、三极管、集成电路和电解电容极性等是否连接有误。

3、电源供电（包括极性）、信号源连线是否正确，检查直流极性是否正确，信号线是否连接正确。 4、电源端对地是否存在短路

在通电前，断开一根电源线，用万用表检查电源端对地是否存在短路。检查直流稳压电源对地是否短路。

5、若电路经过上述检查，并确认无误后，就可转入调试。 五、调试

板上按整机框图把主控制器、计数器、信号灯译码器、数子显示译码器和秒脉冲信号发生器焊接好然后按以下步骤进行调试：

1．秒脉冲信号发生器的调试，按照数字电子钟的方法逐级调试振荡电路和分频电路，使输出设计符合设计要求。

2．将秒脉冲信号送入主控制器的 CP 端，观察主控制器的状态是否是按 00、01、10、11、00„的规律变化。

3．将秒脉冲信号送入计数器的 CP 端，接入主控制器的状态信号 X0、X1，并把主控制器的状态信号送入主控制器的 CP 端，观察计说器是否按 60 秒、5 秒、50 秒、5 秒、60 秒„循环计数。

4．把主控制器的状态转换信号 X1、X0 接至信号灯的译码电路，观察 6

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个发光二极管是否按设计要求发光。

5．整机联调，使交通信号灯控制电路正常工作。

以上是本次设计的全过程，由以上分析知此设计所需材料有：3 片 74LS90、2 片 74LS247 和 2 个共阳数码管、1 个 555 定时器、3 片 74LS04、2 片 74LS20、1 片 74LS00、21 个 1k 电阻、2 个 5.1k 电阻。1 个 100UF 电容、1 个 0.01UF 电容和导线若干。 六、小结

鉴于以上原因本设计基于数字电路设计了交通信号灯，依据交通规则，在观察分析了日常生活中的交通状况后，通过采用自定向的层次式输入方式进行设计。有以下优点：制作简单；结构简单；功耗小；价格便宜；使用寿命长；性能稳定，适用于比较落后的地方使用。

总

通过此次交通控制信号灯的分析和设计，我深深感到学好数字逻辑电路的重要性。这一次设计对我来说，感触最深的就是要想做好一个设计课题首先要对每一部分所涉及的知识点掌握好，只有这样才能对设计做的得心应手。通过此次焊接使我的焊接技术得到了加强，动手能力也有了进一步的提高，它锻炼了我的分析、设计动手的能力，培养我思考问题的全面性。

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结

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通过本次设计，我掌握了EWB软件的使用以及如何熟练的、合理的选用集成电路器件，学会了在虚拟的环境下创建电路、计算与调整参数，用虚拟电子设备来测电路的仿真的结果，我能灵活的应用EWB软件中的各个单元电路。熟练的掌握使用Protel绘制电路原理图和制作PCB图，掌握了电子电路的基本知识，熟悉了时序电路、逻辑电路，加强了实践能力的培养,巩固了理论知识和理论知识的实际应用,加强了实际操作能力,培养了初步的职业技能。

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