数字电路课程设计--交通灯设计

  本文关键词：数字电路课程设计交通灯，由笔耕文化传播整理发布。

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序言
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。为此，笔

者从数字电子的方向对交通灯进行了深 入的研究，以下就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计计算和实验 调试等问题来进行具体分析讨论。

内容摘要
课程设计目的: 数字电子技术课程设计是数字电子技术课程的实践环节,是对学生 学习数字电子技术的综合训练.学生根据某一课题技术指标或逻辑 功能的要求,独立进行电路设计,工程估算,实验测试与调整,制作 (在实验板上)电子产品和写出实验总结报告.通过这一电路综合性 实践训练,要达到深化所学的理论知识,培养综合运用所学知识的 能力,掌握一般电路的分析方法,增强独立分析问题与解决问题的 能力.通过这一综合训练培养学生严肃认真的工作态度和科学作风, 为今后从事电路设计和研制电子产品打下初步基础. 1． 满足所示的顺序工作流程图。 图中设大道方向的红、黄、绿灯分别为 DR、DY、DG，小道方向 的红、黄、绿灯分别为 XR、XY、XG。设计一个十字路口交通信号灯 定时控制器，其要求如下： 它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即大道方向绿灯亮， 小道方向红灯亮；大道方向黄灯亮，小道方向红灯亮；大道方向红灯 亮，小道方向绿灯亮；大道方向红灯亮，小道方向黄灯亮 2． 应满足两个方向的工作时序。 即大道方向亮红灯时间应等于小道方向亮黄、绿灯时间之和，小 道方向亮红灯时间应等于大道方向亮黄、绿灯时间之和。时序工作流

程图见图 3 所示。 图 3 所示，大道、小道方向绿、黄、红灯亮时间分别 6 秒、4 秒、 29 秒，一次循环为 39 秒。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间 之和，黄灯间歇是静止，当检测到小道有车到来的时候，所有电路才 开始工作，在小路没有车到之前一直要保持大路亮绿灯，小道一直保 持红灯，在小道亮绿灯的时候，检测大道的来车数量，假如超过三辆 车，则要立马执行下一个状态，保证车辆通行正常。 3． 十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观的把 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”计数方式 工作，直至减到数为“0” ，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结 束，而进入下一步某方向的工作循环。

目 录
设计指标要求................................................................................................................ 1 一·交通灯基本工作原理.......................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。
1.1 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4.1 4.2 5.6 6.1 系统框图................................................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 工作流程图............................................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 工作时序................................................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 说明......................................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 NE555 定时可调秒脉冲发生器............................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 控制器部分............................................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 显示控制部分 ......................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 大道车辆检测及控制部分 ..................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 NE555 定时器电路 ................................................................ 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 计数器控制电路 ..................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 模式控制电路 ......................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 彩灯显示电路 ......................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 置数切换电路 ......................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 大车检测电路 ......................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 总体仿真电路 ......................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 总电路图................................................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 电源电路................................................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 客户端软件功能模块 ............................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。

二·交通灯基本组成.................................................................. 错误！未定义书签。 错误！ 未定义书签。

三· 服务器的实现.................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。

四· 电路总体说明.................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。

五· 设计所用器材.................................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 六· 心得体会............................................................................ 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 七·参考文献.............................................................................. 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。

设计指标要求
课程设计内容: 1、 设计一个交通信号灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合十 字路口，在每个入口设置红、绿、蓝三色信号灯，红灯禁止通行，绿 灯亮允许通行，黄灯亮时则给行驶中的车辆有时间停止在禁行线外。 2、 用红、绿、黄发光二极管做信号灯，用传感器或逻辑开关做检测 车辆是否到来的信号。通常情况下，大道绿灯亮，小道红灯亮。 3． 若小道来车，大道经 6 秒由绿灯变为黄灯；在经过 4 秒，大道由 黄灯变为红灯，同时，小道由红灯变为绿灯。 4. 小道变绿灯后，若大道来车不到 3 辆，则经过 25 秒，后自动由 红灯变为黄灯，在经过 4 秒变为红灯，同时，大道由红灯变为绿灯。 5. 如果小道在绿灯亮时候，小道绿灯亮的时间还不到 25 秒，只要 大道检测到超过三辆车在等候，那么小道应该立即由绿灯变为黄灯， 在经过 4 秒变为红灯，同时，大道由红灯变为绿灯。

一 交通灯基本工作原理
交通灯系统原理图：其中红灯 R 亮，表示该条道路禁止通行；黄 灯 Y 亮表示停车；绿灯 G 亮表示允许通行。 1. 系统框图

大道 G Y R

时间 显示

时间 显示

小道 G Y R

时间显示控制
彩灯控制 模块 小道没有车辆来 的时候保持

当 大 道 超过 3 辆车切换

检测大道车数量

屏蔽

图1

交通灯控制器系统框图

设计中十字路口交通信号灯控制，要求如下： 确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制的 交通灯信号灯来进行指挥。其中红灯(R)亮的，表示该条道路禁止通 行；黄灯(Y)亮表示停车；绿灯(G)亮表示允许通行。

2.

工作流程图：

图2

交通灯顺序工作流程图

图中设大道方向的红， 绿灯分别为 DR,DY,DG 小道方向的红， 黄， 黄，绿灯分别为 XR,XY,XG。 工作方式：大道方向绿灯亮时，小道方向红灯亮；大道方向黄灯 亮时，小道方向红灯亮；大道方向红灯亮时，小道方向绿灯亮；大道 方向红灯亮时，小道方向黄灯亮。 3． 工作时序：小道方向亮红灯时间应等于大道方向亮黄、绿灯时间 之和大道方向亮红灯时间应等于小道方向亮黄、绿灯时间之和。时序 工作图如下： 大道、小道方向绿、黄、红灯亮时间分别为 6 秒、4 秒、25，一 次循环为 39 秒。其中红灯亮的时间为绿、黄灯亮的时间之和，黄灯 是间歇。当小道来车时大道开始工作，在小道亮绿灯时候，如果大道 检测到来车超过三辆，则小道的状态立马结束，转向下一个状态。

4．特别说明：为了方便人们玩直观地把握时间，十字路口要有数字 显示，作为提示，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 计数方式工作，直至减到数为“0” ，十字路口红、绿灯 交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的人作循环。

二 交通灯基本组成
它主要由控制器、显示控制部分和秒脉冲信号发生器等部分组成。 1． NE555 定时可调秒脉冲发生器 本次选用 NE555 定时器做时钟脉冲发生装置，产生每秒一次的 方波脉冲，并且设置滑动变阻器，可以调节脉冲波德占空比和周期， 波形比较稳定，是良好的信号发生器。 2． 控制器部分 控制器是交通管理的核心， 它应该能够按照交通管理规则控制信 号灯工作状态的转换。它由 74LS192 组成十进制计数器，然后经译 码后，输出十字路口大道、小道二个方向的控制信号。 3． 显示控制部分

显示控制部分，实际是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法 计数器开始工作（用对方的红灯信号控制） ，每来一个秒脉冲，使计 数器减肥，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用 HEF4511BCD 码七段译码器，显示器用 SM12050K 型共阴极 LED 显示器，计数器 采用可预置加、减法计数器，如 74LS168、74LS192 等。 4． 大道车辆检测及控制部分 此部分为电路扩展部分， 可用加法计数器 74161 来计算大道车的 数量，用输入的脉冲数量模拟车的数量，当来一辆车时即输入一个时 钟脉冲，计数器加一，控制输出端的自动清零来引出信号，给控制部 分电路做出相应的动作， 使模式立马切换到大道经过黄灯的时间亮绿 灯，小道亮黄灯之后亮绿灯。

三 设计步骤及方法
1. NE555 定时可调秒脉冲发生器
利用 NE555 可以组成相当多的应用电路，甚至多达数百种应用电路，在各类 书刊中均有介绍，例如家用电器控制装置、门铃、报警器、信号发生器、电路检 测仪器、元器件测量仪、定时器、压频转换电路、电源应用电路、自动控制装置 及其它应用电路都有着广泛的应用，这是因为 NE555 巧妙地将模拟电路和数字 电路结合在一起的缘故。参数功能特性： 供应电压 4.5-18V 供应电 输出电 3-6 mA 225mA (max)

图 3·定时器仿真图

VCC R3 U1 4 6 5 2 C2 1 10uF RST THR CVOLT TRIG GND NE555D VCC DISC OUT 8 7 3 R2 15K
输输

68K

C1 0.1uF

图 4·定时器电路

A_7404 A_7404 V C C B RC WO QQ AB QQ DC A _1 A _1
2. 控制器部分

控制器是交通管理的核心， 它应该能够按照交通管理规则控制信

号灯工作状态的转换。它由 74LS192 组成十进制减法计数器，经译

CL LDP R U W N D A B C D G N D

分别如下：

管脚图中，QA、QB、QC、QD 为计数输出端； DOWN 为减脉冲输入端。 UP 为加脉冲输入端。

U? A_7400 CLR 为清零端，当该管脚为高电平时，输出端清零，为 0000； 11 451 4 1 51 1 09 8

A _3 A _2

个方向共有四种工作状态。74LS192 功能表及计数器电路图，状态表

LD 为预置端，当该管脚为低电平时，输出端分别为输入端 A、B、 C、D 的电平。 A、B、C、D 用于为计数器预置初始计数值； BO 用于输出一个宽度等于减计数输入的脉冲，用于级联下级减计 CO 用于输出一个宽度等于加计数输入的脉冲，用于级联下级加 计数。

A _1

数。

A_2

U4 A_7404 A _1 A _1

A_2

VCC U3 A_7404

VCC

12 13

12 13

16

16

3 2 6 7

V CC

V CC

QA QB QC QD

CO BRW

LD CLR UP DW N

LD CLR UP DW N

GND

CO BRW

QA QB QC QD

U1 SN74192N

3 2 6 7

U5 A_7400

11 14 5 4

11 14 5 4

15 1 10 9

15 1 10 9

8

A _1

图 5·计数器电路

8

GND

A _3

A _2

A B C D

A B C D

11 451 4 1 51 1 09 8
U2 SN74192N

CL LDP R U W N D A B C D G N D

码后，输出到十字路口大道，小道两个方向的控制信号，可以知道两

V C C B RC WO QQ AB QQ DC

U1 SN74192N

U2 SN74192N

当大道方向绿灯亮，而小道方向红亮时，使大道方向的 74LS168 以减法计数方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时， 大道方向绿灯灭，红灯亮，而小道方向红灯灭，绿灯亮。由于小道方 向红灯灭信号（EWB=0）,使与门关断，减法计数器工作结束，而大 道方向红灯亮，使另一方向――小道方向减法计数器开始工作。电路 图如下：

图 6·计数器仿真图

3 8

DS1 HDSP-303G

3 8

DS2 HDSP-303G

K K

a b c d e f g DP

13 10 12 9 11 7 10 5 9 4 15 2 14 1 6

16

VDD

GND

VDD

U6 HCC4511BF

16

13 10 12 9 11 7 10 5 9 4 15 2 14 1 6 U7 HCC4511BF 7 1 2 6 8 GND A B C D a b c d e f g

LE BI LT

a b c d e f g

5 4 3

7 1 2 6

8

VCC

VCC

图 7·数字显示部分

3. 模式控制电路 此电路是由十六进制加法计数器构成，可以实现对交通灯红， 黄，绿三种颜色的切换，因为灯的变化总共有四种状态，可以由计数 器改为四进制计数器来实现，此时 S1，S0 总共有四种状态 00，01， 10，11，有 CLK 端的脉冲信号来实现模式切换，可以达到智能交通 灯的目的。 电路见下图：

5 4 3

LE BI LT

A B C D

a b c d e f g DP

K K

A_2

CLRN LDN ENT ENP CLK RCO

U11 A_7404 A_1

QA QB QC QD A B C D

U10 A_74161 VCC S1 SW-PB

R1 VCC
图 8·模式切换图

Res2 100K

说明： 当小道没有来车的时候，此时计数器的输出一直被锁存在 00 状 态，即大道亮绿灯，小道亮红灯，当小道检测到有车来的时候， ，达 到就进入 00 状态，保持计数器显示减到零的时候，74161 接受到信 号，立马转换成 01 状态，显示计数器继续工作，如此四个状态一直 不断的切换和循环，构成完整的交通灯系统。 4. 彩灯显示电路

图 9·彩灯仿真图

DS1 LED1 A_1 A_1

DS2 LED1 A_1

DS3 LED1 A_1

DS4 LED1 A_1

DS5 LED1 A_1 U17 A_7404 A_1 A_2 A_1 A_2 U18 A_7400

DS6 LED1

U7 A_7404 A_1 A_2 A_1 A_2

U9 A_7404 A_1 A_2

U11 A_7404 A_1 A_2

U15 A_7404

U19 A_7404

U8 A_7404 A_2

U10 A_7400

U12 A_7400 A_2

U16 A_7404

U20 A_7400

A_2

A_3

A_2

A_3

A_2

A_3

A_2

A_1

U13 A_7404 A_2 A_2

A_1

U14 A_7404

图 10 彩灯电路图

说明： 电路由计数器控制两个输入端来切换四种状态 00，01，10，11， 使得彩灯在四种不同的颜色不断的交替变化。 5. 置数切换电路 电路有三片八位锁存器 74244 控制， 当彩灯和数码管显示的状态切换 时，同时用置数端给计数器置数 06，04，25，达到智能置数的目的。 74244：使能端 AG，BG 低电平有效，

A_3

AY4 AY3 AY2 AY1

AY4 AY3 AY2 AY1

AY4 AY3 AY2 AY1

BY4 BY3 BY2 BY1

BY4 BY3 BY2 BY1

AGN A4 A3 A2 A1

AGN A4 A3 A2 A1

AGN A4 A3 A2 A1

BGN B4 B3 B2 B1

BGN B4 B3 B2 B1

BGN B4 B3 B2 B1

BY4 BY3 BY2 BY1

U? A_74244B

U? A_74244B

U? A_74244B

VCC

图 11，置数电路图

6. 大车检测电路 当检测到大道车数量超过三辆的时候， 给模式短信号切换到下一个工 作模式。
A _2

CLRN LD N EN T EN P CLK RCO

A _1

Q A Q B Q C Q D

U21 A_7404

U22 A_74161 VCC

A B C D

R3 VCC Res2 100K

S1 SW-PB

图 12·大道检测电路图

四

电路总体说明

综合以上分析，可得出交通灯的总电路图： 补充说明：本设计除了具有以上所列功能以外，电路可以完全自动的 工作无人状态下。

五
1. 2. 3. 4. 5. 6.

设计所用器材 设计所用器材
自制 5V 直流稳压电源 集成电路：74LS192，74LS161，74LS00,74LS08，74LS244， HC4511， NE555 数码显示：HDSP-303G 四个 发光二极管 6 个。 100K 电阻 3 个，15K，68K 电阻及电容 开关 3 个

整体仿真图

3 8

3 8

3 8

HDSP-303G DS7

HDSP-303G DS8

HDSP-303G DS7

3 8

HDSP-303G DS8 DS1 LED1 DS2 LED1 A_1 A_1 DS3 LED1 A_1 DS4 LED1 A_1 DS5 LED1 A_1 U17 A_7404 A_1 A_2 A_1 A_2 U18 A_7400 U20 A_7400 A_3 A_2 S2 SW-SPST 10 9 4 5 QA QB QC QD A B C D U22 A_74161 VCC A_3 S1 SW-PB R3 VCC SW-PB Res2 100K U19 A_7404 DS6 LED1

K K

K K

K K

a b c d e f g DP

a b c d e f g DP

a b c d e f g DP

a b c d e f g DP

K K

13 10 12 9 11 7 10 5 9 4 15 2 14 1 6

13 10 12 9 11 7 10 5 9 4 15 2 14 1 6

13 10 12 9 11 7 10 5 9 4 15 2 14 1 6

13 10 12 9 11 7 10 5 9 4 15 2 14 1 6

A_1 U7 A_7404 A_1 A_2

U9 A_7404 A_1 A_2 A_1 A_2

U11 A_7404 A_1 A_2 U12 A_7400 A_2

U15 A_7404

16

16

16

VDD

VDD

VDD

GND

GND

GND

VDD

U23 HCC4511BF

U24 HCC4511BF

U23 HCC4511BF

16

U24 HCC4511BF

a b c d e f g

a b c d e f g

a b c d e f g

GND

a b c d e f g

U8 A_7404 A_2

U10 A_7400

U16 A_7404

LE BI LT

LE BI LT

LE BI LT

LE BI LT 5 4 3

A B C D

A B C D

A B C D

5 4 3

7 1 2 6

8

5 4 3

7 1 2 6

8

5 4 3

7 1 2 6

8

7 1 2 6

A B C D

8

A_2

A_3

A_2

A_3

VCC

VCC

VCC

VCC

A_1

A_2

A_2

VCC VCC U3 A_7404 12 13 16 3 2 6 7 VCC 12 13 16 3 2 6 7 U6 U5 SN74192N C1 0.1uF 4 6 5 2 C2 1 10uF RST THR CVOLT TRIG GND NE555D Res2 100K VCC DISC OUT 8 7 3 R2 15K VCC
输输

U13 A_7404 A_2 A_2

A_1

U14 A_7404

R1

68K

U1 A_7404 A_1 A_1

CO BRW

CO BRW

QA QB QC QD

VCC

VCC

QA QB QC QD

U4 SN74192N

8

LD CLR UP DWN

LD CLR UP DWN

U21C SN7408J R10

6

U22B SN7408J

GND

U2 A_7400

11 14 5 4

11 14 5 4

15 1 10 9

15 1 10 9

8

A_1

8

GND

A_3

A_2

A B C D

A B C D

5

4

A_2

A_2

CLRN LDN ENT ENP CLK RCO

BY4 BY3 BY2 BY1

BY4 BY3 BY2 BY1

AY4 AY3 AY2 AY1

AY4 AY3 AY2 AY1

AY4 AY3 AY2 AY1

BY4 BY3 BY2 BY1

AGN A4 A3 A2 A1

AGN A4 A3 A2 A1

AGN A4 A3 A2 A1

BGN B4 B3 B2 B1

BGN B4 B3 B2 B1

BGN B4 B3 B2 B1

A_1

VCC R3 VCC Res2 100K

A B C D

U25 A_74244B

U26 A_74244B

U27 A_74244B

6

U21 A_7404

VCC

S1

六

心得体会
随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的

增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。为了确保十 字路口的车辆顺利通过， 往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指 挥。经过这个周课程设计，同学相互帮助学习并查资料下，完成了本 次课程设计的基本要求，这次课程设计既锻炼了我的动手能力，又培 养了我的兴趣进一步丰富了自己的数字电子知识。 在设计中碰到一个 接一个的难题，在经过老师指导和同学们的交流，使难题一一得到化 解，更重要的是使我深深的体会到理论结合实际的重要性，体会到知 识的海洋是无穷无尽的，激发我去追求。

A_1

U22 A_74161

CLRN LDN ENT ENP CLK RCO

QA QB QC QD

U21B SN7408J

U21 A_7404

A_2

七

参考文献
付

《电子技术基础――数字部分》高等教育出版社 主编：康华光 《电子课程设计指导书》焦作工学院电气工程系 主编：艾永乐 子义 《电子电路实验及仿真》清华大学出版社 北方交通大学出版 主编： 路勇 高文焕



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