数字系统课程设计-交通灯-实验报告

交通灯控制电路

摘要

在一个交通繁忙的十字路口，没有交通灯来控制来往车辆和行人的通行，假设也没有交警，那会发生什么事情呢？后果是难以想象的，可能会陷入一片混乱，甚至瘫痪。当然我们每个人都不希望这样。我们作为社会的一员，每人都有责任为它的更加先进和快捷做出力所能及的事情。我设计的这个交通控制系统可以通过交通灯控制东西方向车道和南北方向车道两条主次交叉道路上的车辆交替运行,用以减少交通事故的发生概率。并且经过这次实验使得我对电子技术课程内容的理解和掌握有了更深一层的认识，也学会使用半导体元件和集成电路，掌握电子电路的基本分析方法和设计方法，进一步提高分析解决实际问题的综合能力，也为将来的就业或继续深造做好准备。

一、任务

在城市道路上的交叉路口一般设置有交通灯，用于管理两条道路通行车辆。现有一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉口，为确保车辆安全、迅速的通行，在交叉路口的每条道上设置一组交通灯，交通灯由红、黄、绿3色组成。红灯亮表示此通道禁止车辆通过路口；黄灯亮表示此通道未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该通道车辆可以通行。要求设计一交通灯控制电路以控制十字路口两组交通灯的状态转换，指挥车辆安全通行。指挥车辆安全通行。

设计要求

1、基本要求

（1）设计一个十字路口交通灯控制电路，要求主干道与支干道交替通行。

主干道通行时，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，时间为60秒。支干道

通行时，支干道绿灯亮，主干道红灯亮，时间为30秒。

（2）每次绿灯变红灯时，要求黄灯先亮5秒钟。此时另一路口红灯也不变。

（3）黄灯亮时，要求黄灯闪烁，频率为1Hz。

2、发挥部分

要求在绿灯亮（通行时间内）和红灯亮（禁止通行时间内）均有倒计时显示。

二、设计方案选取与论证

1、所选方案的理由：本设计的交通灯控制电路是综合运用了74LS192芯片、7474芯片和NE555芯片等的集成电路。根据任务要求，用单片机或分立组件来实现是比较容易的，但是由于要求不能使用单片机设计，因此使用数字电路课程里学过的知识，运用它们来设计分析电路。即使用分立组件来实现。

2、方案的可行性、优缺点

本设计的方案中采用了74LS192芯片、7474芯片和NE555芯片来实现对交通灯的控制，采用NE555产生连续时钟秒脉冲输入，用74LS192芯片的减计数功能实现显示的倒计时功能，用7474芯片实现对交通信号状态的转换，配合基本逻辑门电路，进而完成对交通信号的控制电路。确定方案后，通过查阅相关专业书籍、上网搜集相关信息，同时按照设计要求与实际情况进行改进，最终制定了成熟且可行的方案。

3、整机的原理框图

三、各单元电路的电路图及工作原理

1、秒脉冲发生器

本设计秒脉冲发生器由一个集成的555定时器构成，当电源接通后，VCC 通过对R1、R2向电容充电。电容上得到电压按指数规律上升，当电容上的电压上身到2/3VCC

时，输电压VO 为零，电容放电。当电压下降到1/3VCC 时，输出电平为

高电平，电容放电结束。这样周而复始便形成了振荡。我们要的周期是1秒，频率是1赫兹。

各元件参数可以由下面的公式可知：f ＝1.43/((R1+2R2)*C)，取

C =10uF ，因此只需(R1+2R2)=143K 即可，近视取R1=15K ，R2=68K 。

其电路图如下所示

2、倒计时计时器

本设计用两片74LS192来实现秒计数功能，我们要的只是减计数，所以我们把它们的UP端接到高电平上去,个位秒计数的DN端（DOWN端）接到秒脉冲上；十位秒计数上的输入端D1端接到高电平上，D3端接低电平上，D0、D2端接外部控制转换状态部分，与控制转换部分共同作用，即从输入端置入0011（十进制的3）、0110（十进制的6），用来实现30秒和60秒之间的替换，十位的借位端TCD和两个PL端联在一起，再把个位的TCD端和十位的DN联在一起。当秒脉冲从个位的DN端输入的时候秒计数的192开始从9减到0；这时，它的借位端TCD 会发出一个低电平到十位的输入端DN，秒十位的计数从6变到5，一直到变为0；当高低位全为零的时候，十位的TCD发出一个低电平信号，两个置数端PL等于零，个十位完成并行置数，下一个DN脉冲来到时，计数器进入下一个状态减计数循环工作。把两个192的Q0/Q1/Q2/Q3分别接到由译码器和数码管组成的显示电路上就可以看到时间的显示了。作为交通灯控制器的一个模块，它还得有一定的接口来和其他的模块连接在一起协调工作。

倒计时计时器的电路图：

3、信号灯状态转换控制器

根据设计要求，经过分析得出信号灯状态转换有四种不同的状态

状态1：主干道的绿灯亮，车道通行；次干道的红灯亮，车道禁止通行。

状态2：主干道的黄灯闪，车道缓行；次干道的红灯亮，车道禁止通行；

状态3：主干道的红灯亮，车道禁止通行；次干道的绿灯亮，车道通行；

状态4：主干道的红灯亮，车道禁止通行；次干道的黄灯闪，车道缓行；

由此此部分采用CD4017芯片来实现信号灯状态转换的功能，用基本逻辑与、或门检测出个位秒计数器的5~0秒，即用A=[（Q1.Q2）+Q3]，当输出A=0低电平时表明检测出个位秒计数器的5~0秒，以个位秒计数192的借位端TCD接CD 4017的时钟端CLK，每倒计十秒输出一个低电平，CD4017有脉冲输入时，用作顺序脉冲发生器，其对应的输出端依次变为高电平状态，CD4017的Q9端和复位端MR相连，做为控制器的循环工作，CD4017的Q0端与十位秒计数器192的输入端D2连接，即刚开始十位秒计数器192置入为0110（十进制的6），此时初态即为状态1，从60秒开始倒计时，当4017接收到6个脉冲时输出端Q6输出高电平，十位秒计数器输出为0，个位秒脉冲从9到0，此时配合个位秒计数器检测出的5~0秒的时间来进行由状态1向状态2的转换，既当检测到显示为05到00时转换为状态2。CD4017的Q6端与十位秒计数器192的输入端D0连接，此时十位秒计数器192置数为0011（十进制的3），当显示到00后，十位的TCD端发出一个低电平信号，两个置数端PL等于零，个十位完成并行置数，数码管显示从30倒计时，此时通过用或门连接4017输出端Q7、Q8、Q0来判断状态转换进入状态3，当数码管的十位从3跳到0时，十位秒计数器输出为0，个位秒脉冲从9到0，4017接收到3个脉冲，输出端Q9输出高电平经复位端复位后输出端Q0输出高电平，此时配合个位秒计数器检测出的5~0秒的时间来进行由状态3向状态4的转换，既当检测到显示为05到00时转换为状态4。因CD4017

的Q0端处于高电平，此时十位秒计数器192置数为0110（十进制的6），当显示到00后，十位的TCD端发出一个低电平信号，两个置数端PL等于零，个十位完成并行置数，数码管显示从60倒计时，状态由状态4转为状态1，如此循环工作。如此便完成了对信号状态转换的自动控制。

交通灯的红黄绿灯由检测到的状态信号高低电平连接控制，黄灯的闪烁由黄灯的状态信号与时钟脉冲经过与门实现。

信号灯状态转换控制器电路图：

四、系统功能仿真验证和印制版图的设计

1、系统功能仿真验证结果及仿真结果分析

交通灯总体电路图如下图所示，仿真结果符合预期效果。

2、印制版图的设计和印制版图

根据原理电路图运用Protel 软件，创建一个印制电路版图文件，然后打开该印制版图文件，依次进行定义板框、载入网络表、手动布局、规则设定、手动布线、调整，最终设计出PCB图，再打印，印版，腐蚀。

PCB图

五、硬件的装配和调试

1、装配和调试中的问题和解决办法

问题一：芯片及LED灯放置错误

问题产生原因：实践之前没有做好充分准备，并且焊那板时太心急，导致没有经过充分思考便将插座及LED焊接上去。

解决办法：把管脚焊化后取出重新搁置。

问题二：计数器数据变化不稳定，经常不从预置数开始变化

问题产生原因：管脚连线接触不良

解决办法：在检查电路过程中，发现一根从译码器引出的导线没有焊接，焊好后计时器运行正常。

2、调试结果分析：

（1）主干道绿灯亮，次干道红灯亮。表示主干道的车辆允许通行，次干道禁止通行。绿灯亮足规定的时间间隔时（60秒到05秒），控制器自动转换到下一工作状态

（2）主干道黄灯亮，次干道仍为红灯亮。表示主干道道上未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆继续通行，次干道禁止通行。黄灯亮足规定的时间间隔时（05秒到00秒），控制器自动转换到下一工作状态；

（3）主干道红灯亮，次干道绿灯亮。表示主干道禁止通行，次干道上的车辆允许通行。绿灯亮足规定的时间间隔时（30秒到05秒），控制器自动转换到下一工作状态；

（4）主干道仍为红灯亮，次干道黄灯亮。表示主干道禁止通行，次干道未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔时（05秒到00秒），控制器自动转换到下一工作状态

（5）主干道绿灯亮，次干道红灯亮。表示主干道的车辆允许通行，次干道禁止通行。绿灯亮足规定的时间间隔时（60秒到05秒），控制器自动转换到下一工作状态

如此循环工作。

六、结果分析和总结

1、结果分析

综上所述，本系统实现了一个十字路口交通灯控制电路的所有功能指标。包括有主干道与支干道交替通行。主干道通行时，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，时间为60秒。支干道通行时，支干道绿灯亮，主干道红灯亮，时间为30秒。每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟。此时另一路口红灯也不变。黄灯亮时，黄灯闪烁，频率为1Hz。在绿灯亮（通行时间内）和红灯亮（禁止通行时间内）均有倒计时显示。

2、总结

这次课程设计，我运用了所学的知识顺利的完成了交通灯控制器的设计。通过此次的课程设计，我学到了很多知识，利用它们设计了符合设计要求的交通灯设计，并跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过课程，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。

七、参考文献

《电子技术基础-数字部分》，康华光，高等教育出版社

网上查阅的一些相关资料

八、附录

1、74LS192芯片资料

74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。74ls192引脚说明如下

◆CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。

◆LD为预置输入控制端，异步预置。

◆CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。

◆CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，

◆BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

74ls192引脚图

74ls192功能表

2、CD4017资料

CD4017：十进制计数器/脉冲分配器

简要说明

CD4017 是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为

低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。Johnson 计数器，提供了快速操作、2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10 个时钟输入周期CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。CD4017 提供了16 引线多层陶瓷双列直插(D)、熔封陶瓷双列直插(J)、塑料双列直插(P)和陶瓷片状载体(C)4 种封装形式。

引出端功能符号

CO：进位脉冲输渊

CP：时钟输入端

CR：清除端

INH：禁止端

Q0-Q9 计数脉冲输出端

VDD：正电源

VSS：地

真值表

CD4017 的引脚图

CD4017 引脚功能：

CD4017 内部是除10 的计数器及二进制对10 进制译码电路。CD4017

有16 支脚，除电源脚VDD 及VSS 为电源接脚，输入电压范围为3–15V

之外，其余接脚为：

A、频率输入脚：CLOCK(Pin14)，为频率信号的输入脚。

B、数据输出脚：

a、Q1-Q9(Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，为*后的时进制

输出接脚，被计数到的值，其输出为Hi，其余为Lo 电位。

b、CARRY OUT（Pin12），进位脚，当4017 计数10 个脉冲之后，CARRY OUT 将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。

D、控制脚：

a、CLEAR(Pin15)：清除脚或称复位(Reset)脚，当此脚为Hi 时，会

使CD4017 的Q0 为”1”，其余Q1-Q9 为”0”。

b、CLOCK ENABLE(Pin13)，时序允许脚，当此脚为低电位，CLOCK

输入脉波在正缘时，会使CD4017 计数，并改变Q1-Q9 的输出状态。CD4017 工引脚排列（顶视图）CD4017 工作时序