交通灯控制器课程设计报告

交通灯控制器课程设计报

告

The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020

中南林业科技大学

课程设计报告

设计名称：交通灯控制器

姓名：

学号：

专业班级：

院（系）：

一、课程设计题目：交通灯控制器

时间:2015年6月29日至7月13日

地点：

指导老师：

二、课程设计目的

交通灯控制信号的应用非常广泛。本电路设计一个交通灯控制器，需要达到的目的如下：

一个周期64秒，平均分配，前32秒红灯亮，后32秒绿灯亮。

在红灯亮的期间的后8秒与红灯在一起的黄灯闪烁（注意：红灯同时亮）。为了显示效果明显，设计闪烁频率为1。

在绿灯亮的期间的后8秒与绿灯在一起的黄灯闪烁（注意：绿灯同时亮），为了显示效果明显，设计闪烁频率为1。

在黄灯闪烁期间，数码管同时倒计时显示，在此期间以外，数码管不亮.

三、课程设计方案

为了完成交通灯控制电路的设计，方案考虑如下：

一个脉冲信号发生器，一个二进制加法计数器，一个十进制减法计数器，红灯与绿灯以及黄灯是否亮是由二进制加法计数器的输出端状态来决定的，因此，设计一个组合逻辑电路，它的输入信号就是二进制加法计数器的输出信号，它的输出就是发光二极管的控制信号，因此，需要一个组合逻辑电路，六个发光二极管（二个红色发光二极管，二个绿色发光二极管，二个

黄色发光二极管）电路，一个数码管显示电路。结构图如下：

四、课程设计原理

脉冲信号发生器由定时器555构成。

二进制加法计数器由七位二进制加法计数器4024构成。

十进制减法计数器由74LS193可逆可预置十进制计数器构成。

组合逻辑电路根据其输入输出的逻辑关系后再确定电路芯片。

驱动器选用4511。

从以上讨论可知，需要对所采用的芯片有比较详细的了解。下面对以上几种芯片的基本知识和基本特性进行介绍。

1、555定时器

555定时器是一块常用的集成电路，电路符号如左图所示，8为电源端VCC，1为公共端GND。所加电源电压范围：

输出低电平（其状态用0表示）。G1，G2两个与非门构成基本RS 触发器，G3为输出缓冲反相器，起整形和提高带负载能力的作用。T为泄放三极管，为外接电容提供充放电回路。利用555定时器设计电路时，主要是考虑如何让2和6的电位发生变化（外接信号或利用电容器的充放电过程实现）而让定时器的输出状态发生变化，而设计成各种具有不同功能的电路。实际555器件如小图所示，有小圆点对应的脚为1脚，依逆时针方向依次为2，3，4，5，6，7，8号脚。

2、555应用：多谐振荡器（产生连续矩形波信号），电路原理如图所示（4脚为高电平时，电路振荡，4脚为低电平时，电路不振荡）。开始时，内部泄放三极管由于其基极输入为低电平，是截止的，电源通过R2和R1对电容器C充电，2，6脚电位开始上升，当上升到2VCC/3时，电路状态发生翻转，内部泄放三极管由于其基极输入为高电平，所以饱和导通，电容器通过R1放电，2，6脚电位又开始下降，直至降到VCC/3，电路状态再次发生翻转，内部泄放三极管截止，电源再次对电容器充电。这样周而复始，输出连续的矩形波信号，由3脚输出。一般取C1为103电容。

理论推导：理论推导的依据是电容器的充电时间和放电时间的讨论。

充电时间的计算：从前面对芯片555的了解可知，在“7”脚内部所接的泄流三极管截止时，电容器充电，充电电压从VCC/3充至2VCC/3，此时是电源通过R2+R1电阻向电容充电，由此可以利用电容器的电压与充电时间的函数关系计算出电容

充电时间；函数关系式可由中学物理知识或大学

电路分析课程中给出：

)1(RC t

CC C e V u --=

在充电过程中，R ＝R1+R2

因此 )1(3

11RC t CC CC e V V --= )1(3

22RC t CC CC e V V --= 分别计算出t1和t2，则充电时间为

T1 = t2 - t1

放电时间的计算：从前面对芯片555的了解可知，在“7”脚内部所接的泄流三极管饱和导通时，电容器放电，放电电压从2VCC/3放至VCC/3，此时是电容通过R1电阻向电容充电，由此可以利用电容器的电压与放电时间的函数关系计算出电容放电时间；函数关系式可由中学物理知识或大学电路分析课程中给出：

RC t

CC C e V u -=

在放电过程中，R ＝R1

因此 RC t CC CC e V V 13

2-= RC t CC CC e V V 23

1-= 分别计算出t1和t2，则放电时间为

T1 = t2 - t1

由以上计算出的充电时间和放电时间之和就是周期，周期的倒数就是频率。

最后得到的结果：振荡器的频率由电阻R1，R2和电容C 决定。

R R f )2(43.121+= 脉冲波的占空比由电阻R1和R2决定，结果为

1212R R R R ++=γ 可见，当R2越小时，占空比接近50％。

本电路555多谐振荡器的频率的确定，因为信号灯的状态时间是以秒来计量的，因此计数器的计数状态应以秒为单位来计数最为方便，即指定计数器的最低位定为Q2（不一定是计数器的最低位，本项目的计数器的最低位用作其它用途），因状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2共有64个状态，每个状态对应时间为1秒（频率为1），即1秒钟状态变化1次，而每一个状态对应Q1端一个脉冲，因此，Q1端是

1 秒钟产生1个脉冲，所以555的振荡频率就应该为2（因为经过计数器计数后在计数器的最低位Q1进行了1/2分频）。

3、七位二进制计数器4024

七位二进制计数器4024各脚功能如图所示，14脚为电源端，所接电源电压范围：+3V--+15V，7脚接地GND。2脚为复位端（清零端），高电平有效。1脚为脉冲信号输入端，下降沿有效（即计数器在脉冲下降沿时刻计数）。Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1是七个数据输出端，Q7为最高位，Q1为最低位。当输入脉冲信号后，计数器输出端的状态变化：0000000—1111111。

本电路中的组合逻辑电路的输入信号为二进制计数器的输出信号Q7Q6Q5Q4Q3Q2，设计Q2信号频率为1，而输出应为六个表示路口交通灯信号的发光二极管（一方为红绿黄灯DR1，DG1，DY1；另一方为红绿黄灯DR2，DG2，DY2）的控制信号，分别用LR1，LG1，LY1和LR2，LG2，LY2表示，但注意到DR1和DG2状态相同，DG1和DR2状态相同，DY1和DY2状态相同，所以实际上只要三个输出信号即可，分别用L1，L2，L3表示。

本电路因为控制周期是64秒，所以只需要64个状态，因此只要用4024输出端的6个输出端就可以了，本人决定用状态Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2。

组合逻辑电路的输出信号L1，L2，L3与电路的输入信号Q7，Q6，Q5，Q4，Q3，Q2的关系的讨论：信号灯的定义，L1表示红灯，L2表示绿灯，L3表示黄灯。

对于其中一路信号灯来说，前32秒（对应的4024计数器输出状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2为000000—011111）红灯1亮，绿灯1不亮。

而在这32秒时间内，前24秒（对应的4024计数器输出状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2为000000—010111）黄灯不亮。后8秒（对应的4024计数器输出状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2为010111—011111）黄灯亮。

另一路的灯亮状态分析与上一路的分析完全相同。

综上所述，用如下真值表表示：

编号

Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 L11 L12 L13 L21 L22 L23 说明 0--15

0 0 x x x x 1 0 0 0 1 0 红1绿2亮 16--23

0 1 0 x x x 1 0 0 0 1 0 红1绿2亮 24--31

0 1 1 x x x 1 0 1 0 1 1 红1绿2黄12亮 32--47

1 0 x x x x 0 1 0 1 0 0 红2绿1亮 48--55

1 1 0 x x x 0 1 0 1 0 0 红2绿1亮 56--63 1 1 1 x x x 0 1 1 1 0 1 红2绿1黄12亮从以上可知

711Q L =，721Q L =，需要低电平有效时，71Q L =

721Q L =，722Q L =，需要低电平有效时，72Q L =

56562313Q Q Q Q L L ===

考虑到黄灯需要闪烁，可以让L3信号和Q1信号（频率为1HZ 的脉冲波）加到一个二输入的与非门的两个输入端，输出信号为L4，

134Q L L *=

当L3为0时，14=L

当L3为1时，14Q L =

可见，需要L4低电平有效，这样，L3为0时，黄灯不亮，L3为1时，黄灯闪烁。

由以上讨论可知，需要二个二输入的与非门，三个非门，为节约器件，三个非门中的二个非门用与非门实现，另一个非门用三极管实现。这样，需要四个二输入的与非门，正好可以用芯片74LS00，一个三极管构成的非门。

74LS00外形为DIP14，74LS00是一块四-二输入的数字集成芯片，内有四个完全一样的二输入的与非门，14脚接VCC （+5V ），7脚

接地GND。它们中的四个二输入的与非门如图所示，其中A，B为与非门的两个输入端，Y 为输出端。额定拉电流4mA，额定灌电流8mA。额定输出高电平电压。

下面讨论倒计时及显示电路。

可逆十进制计数器选用74LS193。

4、可预置二进制可逆计数器74LS193简介

74LS193外形结构为DIP16，其中（8）脚

接GND，（16）脚接+5V电源。

1） CU—加计数脉冲信号输入端。

2） CD—减计数脉冲信号输入端。

注意：用其中一个输入端时，另一个输入端接

高电平。

3） Q3,Q2,Q1,Q0--计数器数据输出端，Q3为最高位，Q0为最低位。

4） P3,P2,P1,P0 ---计数器预置数输入端，当计数器处于预置数状态时，通过该输入端预置数，此时

Q3Q2Q1Q0=P3P2P1P0。

5） MR—复位信号输入端，上升沿有效，即当MR从0跳到1时，计数器复位，此时Q3Q2Q1Q0=0000。当MR=0时，计数器处于计数状态。

6） PL—预置数功能控制端，低电平有效，当PL=0时，计数器处于预置数状态，当PL=1时，计数器处于计数状态。

7） TCU—加计数进位信号输出端。

8） TCD—减计数借位信号输出端。

根据设计要求，预置数为8，P3=1，接高电平（电源），

P2=P1=P0=0，接低电平（地GND）。

黄灯不亮，即L3=0时，计数器需要处于预置数状态，即

PL=0，黄灯亮，即L3=1时，计数器需要处于计数状态，即

PL=1。可见，PL=L3.

作为减法器使用，CU接高电平，CD接脉冲信号Q2。

因计数器处于计数状态或预置数状态，不能处于复位状态，因此让MR=0.

从前面讨论可知，多谐振荡器振荡频率为2HZ。以此确定多谐振荡器电路的电阻和电容。

RBI脉冲消隐输入端,低电平有效。当此端为低电平且ABCD也同时为低电平时，输出全为低电平，数码管内所有发光二极管全不亮。

要让数码管正常显示0—9，3，4，5脚都接高电平。要让数码管显示1—9而不显0，则3接高电平，5接低电平，4悬空（或电源通过电阻接4）。这实际上就是消0，例于最高位的数码管就希望是这样。

6、四线-七段译码器/驱动器4511(内不带上拉电阻)

16脚接电源+VCC=+3V—15V，8脚接地GND。DCBA为8421BCD码数据输入端，D为最高位，A为最低位。abcdefg(高电平有效，输出电流小于6mA)为7个输出端，分别接七段数码管的7个输入端abcdefg,所接数码管必须是共阴数码管。

4511的使用与74LS48基本相同，但是有二点需要注意：

１）功能脚“５”的使用的区别，74LS48是高电平有效，而４５１１是低电平有效。

２）74LS48是内带限流电阻的，而4511是不带限流电阻的，因此，在使用4511时，4511的输出端与数码管的输入端之间是要串接限流电阻的。

组成数码管的七段实际上就是七个发光二极管，当这七个发光二极管中不同的二极管亮时，就显示0—9中不同的数字。

数码管的符号

数码管的输出引脚有两种形式，一种是上下排列，一种是两边排列，各引脚名称如下面两图所示。

com a

f b

g c

e dp

d com

数码管的符号

数码管的使用需要注意的是：

一是数码管有共阴数码管和共阳数码管之分，所谓共阴数码管就是公共端COM接地，所谓共阳数码管就是公共端COM接电源。

二是要注意数码管的电流大小，一般不要超过10mA。

三是要注意各管脚功能的确定。

在不清楚数码管的基本情况时，可用测量的方法确定。电源负极接公共端，电源正极通过一个电阻（５Ｖ电源时，电阻可为５００到１Ｋ，１２Ｖ电源时，电阻可为１.５K到2Ｋ），再加到任一输入端，观察数码管的亮与不亮情况，判断数码管的类型各管脚。

五、参数确定与计算过程

由芯片NE555构成多谐振荡器，从前面的讨论可知，本电路振荡频率选用2HZ ，本电路频率高低由元件R1，R2和C2决定。按图选用其参数后，振荡频率为

221)2(43.1C R R f += 计算结果为 Hz f 04.2=

多谐振荡器的输出信号（脉冲波）从555的”3”脚输出送到七位二进制计数器4024的输入端“１”脚。

当Q7端状态为低电平时（即前３２个状态），通过非门U3C 输出高电平，三极管饱和导通，接在这一路上的一红灯和一绿灯亮（即一个方向的红灯和另一方向的绿灯亮）。而从U3C 输出接到另一路的一红灯和一绿灯不亮。

所以在装配电路时，要注意红灯和绿灯的位置。

当Q7端状态为高电平时（即后３２个状态），通过非门U3C 输出低电平，三极管截止，接在这一路上的一红灯和一绿灯不亮（即一个方向的红灯和另一方向的绿灯不亮）。而从U3C 输出接到另一路的一红灯和一绿灯亮。

在Q6Q5同为高电平（１１０００-１１１１１）共8个状态时，与非门U3B 输出低电平，再通过非门U3A 输出高电平，注意与非门U3D 此时一个输入信号为高电平，另一个信号接４０２４的输出最低端，是一个振荡信号，所以此时接在这一路的二个黄灯闪烁。

在Q6Q5不全为高电平（除１１０００-１１１１１以外的所有状态）时，与非门U3B输出高电平，再通过非门U3A输出低电平，注意与非门U3D此时一个输入信号为低电平，输出恒为高电平，所以此时接在这一路的二个黄灯不亮。

同时，在Q6Q5不全为高电平（除１１０００-１１１１１以外的所有状态）时，与非门U3B输出高电平，再通过非门U3A输出低电平，这个低电平接在74LS193的PL端（注意PL端是低电平有效，是预置数功能端，PL=0，芯片处于预置数状态，PL=1，芯片处于计数状态），所以，此时芯片处于预置数状态，注意，预置数为８，同时，这个信号又接到4511R的BI端（BI为灭灯功能端，低电平有效），因此，此时数码管全不亮。当Q6Q5同为高电平（１１０００-１１１１１）共8个状态时，与非门U3B输出低电平，再通过非门U3A输出高电平，这个高电平接在74LS193的PL端，所以此时芯片处于计数状态，注意计数状态为减计数。同时，这个信号又接到4511R的BI端（BI为灭灯功能端，低电平有效），因此，此时数码管正常工作。

数码管限流电阻的计算：

4511输出高电平5V，发光二极管的导通压降为—，若设计发光二极管电流为3—10mA，则限流电阻为３００欧姆到1K欧姆。本电路选用1K。

六、故障处理与说明