电子技术课程设计报告
——交通灯控制电路
XX大学机自学院自动化系
自动化
专业
姓名:
学号:
指导老师:
2018年X月X日
一、主要用途：
交通信号灯使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显效果。
在十字交叉路口，为保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。
二、设计任务及要求：
设计一个主干道和支干道十字路口的交通灯控制电路，其要求如下：
1.一般情况下，保持主干道畅通，主干道路灯亮、支干道红灯亮，并且主干灯亮的时间不少于60
S；
2.当主干道绿灯亮超过60
S，且支干道有车时，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，但支干道绿灯亮的时间不得超过30S；
3.每次主干道或支干道绿灯亮变红灯时，黄灯先亮5S。
三、设计思路步骤及仿真调试
设计分析
分析可知，所需的交通灯有以下四个状态：
a.主干道绿灯亮，支干道红灯亮，此时主干道允许车辆通行，支干道禁止车辆通行。当主干道绿灯亮够60秒后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。
b.主干道黄灯亮，支干道红灯亮，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5秒后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。
c.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30秒后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。
d.主干道红灯亮，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5秒后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。
以上a,b,c,d四种状态依次交替循环，达到指挥交通的功能。
分析得出，交通灯系统共由脉冲信号模块，交通灯模块，控制模块，倒计时模块四部分组成，如下图1所示。
主干道
A1
A2
A3
控制
模块
倒计时
模块
脉冲信号模块
发生器
T0
支干道
B1
B2
B3
图1
交通灯控制系统原理框图
整个系统的核心是利用能够进行60进制、30进制以及5进制并切换的减法计数器，在译码器及与非门的配合下实现交通灯信号灯的切换。
1.脉冲信号模块
信号的产生采用555定时器构成的多谐振荡器。取R1=10kΩ，C2=10uF，通过
f=1tpL+tph≈1.43R1+2R2C2=1
设计计算得R2≈66kΩ，此处采用100kΩ滑动变阻器。
设计如下图2所示的多谐振荡器，产生1Hz的方波周期信号。
图2
多谐振荡器
2.交通灯模块
设主干道红灯、黄灯、绿灯分别为A1、A2、A3；支干道红灯，黄灯、绿灯分别为B1、B2、B3，如下图3所示。
图3
交通灯模块
3.控制模块
使用74LS163N十进制计数器构成三进制的加法计数器，同时用与非门控制三个颜色交通灯的亮与灭。
74LS163N的CP信号由倒计时模块高位74LS192N的BO控制。即每当倒计时的高位产生借位信号时通过BO传给74LS163N一个信号使之变灯。
令前述的a,b,c,d四种交通灯状态依次为00,01,10,11，以74163N的QA,QB输出。
主干道红灯、黄灯、绿灯分别为A1、A2、A3；支干道红灯，黄灯、绿灯分别为B1、B2、B3。可得真值表如下。
QB
QA
A1
A2
A3
B1
B2
B3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
由真值表化简可得各信号灯的逻辑表达式：
A1=QB,A2=QBQA,A3=QBQA,B1=QB,B2=QBQA,B3=QBQA
故采用与非门控制连接交通灯和74LS163N如下图4：
图4
74163N和与非门构成的交通灯控制模块
4.倒计时模块
倒计时模块由减法计数器和7段数码管显示器组成。
十字路口的交通灯要有数字显示，且是倒计时，以便人们能够更好的把握好时间。具体的工作方式为：当主干道的绿灯亮时，将显示器置为60s，然后每秒减1，计数方式工作，直至减到数为00，此时变灯并置05s，再执行每秒减1，减到00后变灯并置30s，递减。一次工作循环结束，而进入下一工作循环。
倒计时模块选用两片74LS192级联，通过将低位的借位端BO与高位的减数计数控制端DOWN连接，构成减法计数器。CP由多谐振荡器的输出端接到低位74LS192的减数计数控制端DOWN控制。
预置端LOAD接高电平时计数，接低电平时预置数。因此，工作开始时，LOAD为0，计数器预置数，置数后，LOAD变为1，计数器开始倒计时，当倒计时减到数00时，LOAD又变为0，计数器又预置数，之后又倒计时，如此循环下去。
这可以借助两片74190的借位端BO来实现，用或门将两个BO连起来，再接在预置数端LOAD上。当倒计时减到数00时，两个BO均产生一低电平信号，通过或门使两片74190的LOAD端置数。
由于四种状态的置数各不相同，设高位74LS192N的置数端依次为DH,CH,BH,AH,低位的置数端依次为DL,CL,BL,AL,由前述的真值表和8位置数端在各状态下的取值，分析可得，DH=0,CH=A3,BH=QA,AH=B3
DL=0,CL=QA,BL=0,AL=QA
故可利用信号灯和74163N输出端的信号结合与非门控制置数端在不同状态下的取值。设计如下图5
图5
减法计数器和7段数码管显示器构成的倒计时模块
三、电路的测试与仿真
状态a：
符合设计要求1：一般情况下，保持主干道畅通，主干道路绿灯亮、支干道红灯亮，并且主干灯亮的时间不少于60
S；
状态b：
符合设计要求3：每次主干道或支干道绿灯亮变红灯时，黄灯先亮5S。
状态c：
符合设计要求2：当主干道绿灯亮超过60
S，且支干道有车时，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，但支干道绿灯亮的时间不得超过30S；
状态d：
符合设计要求3：每次主干道或支干道绿灯亮变红灯时，黄灯先亮5S。
综上所述：该交通灯符合设计要求。
四、总结
这次数电设计对我是一个很大的挑战。一开始时我完全没有思路，后来通过在网上查阅了一些文献，理清了设计过程，明白了无论多复杂的功能结构，都要先分析要设计哪些模块，再将各个模块分别设计，最后汇总。
还有在设计时一定要了解清楚芯片各个针脚的功能，否则会遇到很多麻烦。在设计时我用到74LS192芯片，但由于网上资料不够详细，我对于BO端口的功能不是很清楚，导致起初我一直以为只要减法计数器减到0时BO就一直为低电平输出，使我无法设计置位端LOAD。后来我才了解到BO端口是在计数器为0时再减1的瞬间产生一个短暂的负向脉冲，正是利用这个原理才使我的设计得以完成。
同时由于我采用的multisim14版本有些原因不明的bug，也为我的调试带来了许多问题。在我的设计图中，我在倒计数模块的或门输出端接了一个开关，是因为如果去掉这个开关，直接用导线连接，就会导致通电时计数器只从60跳到59就卡住，不再工作。加一个开关也是我调试了好久才发现的解决办法。
总之这次数电项目设计使我对上课时学到的知识有了更深入的认识，更使我体会到了设计的流程和思路，也了解到了设计时常遇到的一些问题和解决方法。
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