十字路口交通灯设计报告

课程设计任务书

学生姓名： xxx 专业班级： xxxxxxxx

指导教师： xxx 工作单位： xxxxxx

题目: 十字路口交通灯的设计与实现

初始条件：

本设计既可以使用集成译码器、计数器、定时器、脉冲发生器和必要的门电路等，也可以使用单片机系统构建交通信号灯控制器。用数码管显示时间计数值，用红、黄、绿LED作信号灯。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：1周。

2、技术要求：

1）要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行（以红绿灯指示）；变更车道以前，黄灯先亮5秒钟，黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次；两个车道均以减计数方式显示时间，用2位数码管显示。

2）两车道的灯亮时间关系为：甲车道绿、黄、红灯亮的时间分别为m秒、5秒、n秒；乙车道绿、黄、红灯亮的时间分别为n－5秒、5秒、m＋5秒。m和n可以预置。

3）确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和集成电路，设计分电路，阐述基本原理。4）绘制总体电路原理图。

3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

1、2013 年月日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。

2、2013 年月日至2013 年月日，方案选择和电路设计。

3、2013 年月日至2013 年月日，电路调试和设计说明书撰写。

4、2013 年月日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要....................................................................... I

一.方案分析与选择 (1)

1.1 任务说明 (1)

1.2 初步思路 (1)

1.3 方案分析 (2)

1.3.1 方案一 (2)

1.3.2 方案二 (2)

1.4 最终方案选择 (3)

二. 单元电路的设计和元器件的选择 (4)

2.1电路流程图 (4)

2.2单元电路设计 (5)

2.2.1秒脉冲模块 (5)

2.2.2状态循环模块 (6)

2.2.3计时器模块 (8)

2.2.4置数模块 (9)

2.2.5译码显示模块 (11)

三.总电路设计 (13)

四．电路仿真结果 (15)

4.1 秒脉冲发生器仿真测试 (15)

4.2总电路仿真测试 (16)

五.收获与体会 (18)

六.参考文献 (19)

七.附录 (20)

摘要

随着城市化的发展，可以发现交通工具也在逐渐升级，然而它们带来的交通问题却日益严重，堵车等现象屡见不鲜。而在处理各类交通问题上，交通灯在城市交通控制中发挥着重要的作用。本次课程设计就是以城市交通灯控制系统为背景，主要通过运用学过的数字电路设计的知识完成基础的交通灯基本功能，包括时间的定时和交通灯各种状态之间的转换，并且要实现通行和禁行的时间的设置。本次设计采用数字电路仿真软件Multisim 对所设计的电路进行仿真和测试，并通过观察仿真结果看设计是否符合要求。交通灯通过状态转换，指挥车辆行人通行，保证车辆行人的安全，实现十字路口交通管理自动化，大大保证了城市交通的安全。

关键字：城市化交通灯状态转换数字电路仿真交通安全

Abstract

With the development of urbanization, we can also easily find traffic tools are in gradually upgrade, however, there are more and more serious traffic problems, such as traffic jam phenomenon common occurance.And in dealing with all kinds of traffic, the traffic light control system play an important role in urban traffic control. The curriculum design is on the background of city traffic lights controling system, mainly by using learned knowledge of digital circuit design based traffic lights to complete basic functions, including time timing and traffic lights all kinds of transitions between states, and to realize traffic and stop time Settings. This design uses digital circuit simulation software; Multisim was carried out on the circuit design of the simulation and test, and whether the design is by observing the simulation results conform to requirements. Traffic light through state transition, command vehicles, pedestrians, ensures traffic safety, realize the intersection traffic management automation, and greatly guarantee the safety of the urban traffic.

Keywords：Urbanization traffic light state transition circuit simulation traffic safety.

一.方案分析与选择

1.1 任务说明

1）要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行（以红绿灯指示）；变更车道以前，黄灯先亮5秒钟，黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次；两个车道均以减计数方式显示时间，用2位数码管显示。

2）两车道的灯亮时间关系为：甲车道绿、黄、红灯亮的时间分别为m秒、5秒、n秒；乙车道绿、黄、红灯亮的时间分别为n－5秒、5秒、m＋5秒。m和n可以预置。

1.2 初步思路

1）可令m=60，n=25，即甲道路绿、黄、红灯亮的时间分别为60秒、5秒、25秒；乙道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、65秒。

2）可用LED模拟交通灯

3）甲乙道路交通灯时序应该符合下图要求：

图1.1 交通灯时序要求

1.3 方案分析

1.3.1 方案一

图1.2为交通灯控制器的一个参考设计方案，在这一方案中，系统由控制器、定时器、秒脉冲信号发生器、信号灯组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作。秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需要的标准信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。

图1.2 参考方案

Tl和Ty为定时器的输出信号，St为控制器的输出信号.

Tl：表示主道路或次道路绿灯亮的时间间隔，即车辆正常通行的时间间隔。定时到Tl=1，否则Tl=0.

Ty：表示黄灯亮的时间间隔，定时到，Ty=1，否则Ty=0.

St：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。

1.3.2 方案二

利用单片机来实现：

该系统要求正计时，状态等显示等功能，可完全采用数码管显示。题目中要求在支干道无车辆通行时，处于常禁止通行状态，主干道此时处于常通行状态。可以直接在IO口线上接上按键开关。交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O口就可以实现。利用单片机设计精简和优化了电路。但是，需要对单片机进行编程。

1.4 最终方案选择

方案比较：使用方案二利用单片机实现交通信号灯控制器，焊接起来比较简单，要进行编程，然后刻进单片机。使用中规模集成芯片实现交通信号灯控制器，思路明确，但是焊接时比较繁琐，电路比较复杂容易出错。

由于以前虽然接触过单片机，但是个人觉得数电课设用单片机实现好像不太合适，因此我选择了方案一。

根据设计要求，甲道路绿、红、黄灯亮的时间分别为60s、25s、5s，乙道路绿、红、黄灯亮的时间为20s、65s、5s。方案一可以通过能自动装入不同定时时间的定时电路以完成定时任务。

下面是甲乙两条道路的循环真值表：

表1-1 甲道路循环真值表

状态（Q1Q0）甲道路

G（绿灯）Y（黄灯）R（红灯）

01 1 0 0

10 0 1 0

00 0 0 1

表1-2 乙道路循环真值表

状态（Q1Q0）乙道路

G（绿灯）Y（黄灯）R（红灯）

01 0 0 1

10 1 0 0

00 0 1 0

此方案是将甲乙两道路的状态分别用两块芯片控制，可用两块十进制计数器分别完成甲乙道路的状态循环功能。再使用两块减数计数芯片完成两位数的倒计时，同时通过各自的状态循环模块来控制要预置到倒计时模块的秒数，00,01,10，三种状态分别控制不同的秒数。将甲乙两道路分开后，两者之间不再相互影响。

二. 单元电路的设计和元器件的选择

2.1电路流程图

根据实际的交通信号灯，设计一个交通灯信号控制器。甲、乙车道交替通行，甲车道每次放行20秒，乙车道放行60秒，绿灯亮表示通行，红灯表示停止。每次绿灯变红时黄灯先亮5秒。该交通灯控制系统的组成框图如下图2-1所示。状态控制器主要记录交通灯的工作状态，通状过状态译码器点亮相应状态的信号灯，秒信号发生器产生整个定时系统的时间脉冲，通过减法计数器对秒脉冲减计数，达到每一种工作状态持续时间。减法计数器的减进位脉冲使状态控制器完成状态转换，同时减进位根据系统下一个工作状态决定下一次减计数的初始值。减法计数器的状态由bcd译码器译码，数码管显示。

最终将整个系统分为秒脉冲模块、状态循环模块、倒计时模块、置数模块、译码显示模块。由于除了秒脉冲模块共用外，甲乙道路的其他模块电路基本相似，只有预置数和红绿灯亮灭顺序不同，因此之后的模块功能说明只以甲道路的部分做说明。

图2.1 电路流程图

2.2单元电路设计

2.2.1秒脉冲模块

产生时钟脉冲信号的电路有很多种，综合考虑电路的实现简易程度和成本，这里选择由555定时器组成的秒脉冲信号发生器。根据本学期数字电路课程所学的知识，可根据其计算公式，()120.7ph T R R C ≈+，20.7pl T R C ≈，()120.72p T R R C ≈+。又根据最终数码管显示为秒倒计时，可知秒脉冲发生器周期T 为1s 。令C=10μF，想要使T=1s ，可计算得R1=R2=47.6K ?，考虑到实际中有47K ?的电阻，故决定选择47K ?的两个电阻。

图2.2 秒脉冲发生器

2.2.2状态循环模块

甲道路状态循环图如下：

表2-1 甲道路循环状态真值表

因此计数器可选择芯片74LS192，74LS192功能表如下：

表2-2 74LS192功能表

图2.3芯片192管脚图

其中p0 p1 p2 p3——置数并行数据输入；Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出；MR ——清零端；LD ——置数端；TUu--加法计数CP 输入;TCd ——减法计数CP 输入；CO ——进位输出端；BO ——借位输出端。加减控制方式：控制信号为1时加计数，为 0时减计数。双时钟方式：外部时钟从CP+端输入时加计数，从CP-端输入时减计数。

预置功能：所谓预置，就是控制端 =0时，使计数器的状态变成设定的外部输入常数，

状态（

Q1Q0）

主道路 倒计时秒

数 G （绿灯） Y （黄灯） R （红灯）

01

0 1 1 60 10 1 0 1 5 00 1 1 0 25

即QDQCQBQA=DCBA（输入数据）。

同步预置方式：=0且下一个时钟有效边沿到来时完成预置。

异步预置方式：=0后立即预置数据送入各触发器，与CP无关。

复位功能：所谓复位，就是从复位端输入有效信号后，计数器恢复成初始状态（全0或某个常数）。

同步复位方式：用复位信号与时钟信号CP配合完成。异步复位方式：用复位信号直接完成，与CP无关。

时钟边沿选择：同步计数器一般用上升沿触发，异步计数器一般用下降沿触发。有的同步计数器有两个时钟输入端，既可用上升沿触发，也可用下降沿触发。

其它功能：计数器满模值时，产生一个进位输出CO信号或借位输出BO信号，作为标志信号或进位功能扩展。计数控制输入端（P、T），用来控制计数器是否计数。多片计数器级联时，可控制各级计数器的工作。

图2.4 状态循环控制模块电路图

如图所示， 1脚和15脚接低电平，使得初始置数00。11脚接高电平，14脚接低电平，4脚接高电平，芯片工作在加法计数状态。当QA、QB输出均为1时，置数端口会变为低电平，芯片进入置数状态，将输入的四位数置到输出端口，而输入端口低两位为00，就会将QA、QB重新置为0，而11脚置数端口因输出的改变又再次被置为高电平，芯片从置数状态重新回到加数计数状态，这样依次循环下去。

根据设计要求，交通灯要有一个能自动装入不同定时时间的计时器，以完成甲道路绿灯下60秒、黄灯下5秒、红灯下25秒的不同时间的倒计时任务。该计时器由两片74LS192构成的两位十进制可预置减法计数器完成。

图2.6 计时器模块电路图

图2.5 计时器模块电路

如图所示，U1控制十位计数，U3控制个位计数，两芯片的5脚都接高电平，4脚接脉冲信号，使之工作在减法计数状态。U3的4脚接时钟脉冲，然后开始工作。当U3的输出减小到0000时，再减小1就会在13脚上产生一个下降沿脉冲，因为U3的13脚与U1的4脚相连，就会使U1上的数减小1，形成十进制减法计数。当U1，U3上的数全部都是0000时，此时再减小1，两块芯片的13脚会同时产生下降沿，有一个短暂的低电平变化过程，经或门电路反馈到11脚置数端口，使11脚在短时间内被置为低电平，使U1，U3同时被置数，把输入端口的四位数字（即之前预置好的正确的倒计时秒数）传送到输出端口，之后13脚高电平，11脚置数端口被置为高电平，又重新进入减法计数状态。

置数的模块选择的是74LS153数据选择器。通过之前的要求得知预置的秒数数字最大为6，换算为BCD 码为0110，显然74LS192的四位输出位的最高位始终为0，即可忽略掉最高位，有效输入置数位仅为三位即可。一个74LS153仅有两个输出，需要用三个74LS153芯片来输出BCD 码的低三位，每一块芯片分别控制个位和十位的QC 、QB 、QA 。而153的输出选择由状态控制芯片192的两位输出端控制完成。 74LS153的引脚图如图所示：

图2.6 74LS153引脚图

图2.7 74LS153功能表

置数模块如下图：

图2.8 置数模块

三片153芯片的输出控制都为A，B两个端口，而三片的这两个端口同时被状态循环芯片192的低两位输出QB，QA控制，A=QB，B=QA。当QBQA=00时，选通C0为输出，六个输出Y输出相应的电平，取C0为例，U8的1C0高电平，2C0低电平，U9的1C0高电平，2C0低电平，U10的1C0低电平，2C0低电平，则合起来十位输出110，个位输出000，正好是60，则将60预置进显示减数芯片192进行减数计数。同样的原理，为01时，预置数为5，为10时，预置为20秒。之后因为状态控制芯片的循环控制使QBQA重新为00，重新开始计数，所以置数也重新从60开始，再一次进行循环预置数。

2.2.5译码显示模块

仿真软件里有自带译码器的四线七段显示数码管，因此仿真时只需将四线七段数码管直接连接到74LS192的输出端即可。但实际上自带译码器的数码管并不常见，因此买到的是单独的七段显示数码管，所以还需要增加译码器来完成数字的显示。本次设计使用的是七段共阴数码管，译码器选用了74LS48译码器。下面是仿真中使用的自带译码器的数码显示管构成的显示模块。

图2.9 译码显示模块

与此同时，还要显示红绿灯的亮灭，本设计中红绿灯的亮灭与状态控制模块相连，经仿真测试，接通电源后，192先输出的是0001，所以其循环为01→10→00，由于二极管是共阳的，所以灯在低电平状态亮，在高电平状态灭，所以可画出如下对应状态图：

表2-3 交通灯状态转换表

可列出方程：0Q G =，1Q Y =，10Q Q R +=。 根据此状态方程可画出仿真电路图：

图2.10 红绿灯显示电路

三个LED 显示灯阳极接VCC ，U12B 接控制模块QA 输出，U12A 接控制模块QB 输出。由此可完成对红绿灯亮灭的控制。

状态（

Q1Q0）

甲道路

G （绿灯）

Y （黄灯）

R （红灯）

01 0 1 1 10 1 0 1 00

1

1

三.总电路设计

甲道路和乙道路的仿真图形式类似，下面先给出甲道路的仿真图：

图3.1 甲道路仿真图

然后是乙道路的仿真图：

图3.2 乙道路仿真图

将电路进行组合之后，得到总的电路仿真图如下：

图3.3 总电路图

四．电路仿真结果

4.1 秒脉冲发生器仿真测试

图4.1 秒脉冲仿真图

4.2总电路仿真测试

图4.2 总图仿真一

状态一：甲道路为绿灯，倒计时为60秒，乙道路为红灯，倒计时为65秒。

图4.3 总图仿真二

状态二：甲道路为黄灯，倒计时5秒，乙道路为红灯，倒计时为65秒。