数电课程设计(交通灯)

引言

交通的发达，标志着城市的发达，相对交通的管理则显得越来越重要。对于复杂的城市交通系统，为了确保安全，保证正常的交通秩序，十字路口的信号控制必需按照一定的规律变化，以便于车辆行人能顺利地通过十字路口。考虑到单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，拟采用MCS - 51系列的单片机来实现十字路口交通信号灯的控制。正常情况下，十字路口的红绿灯应交替变换，考虑紧急情况下，如有救护车或警车到来时，应优先让其通过。在本文中，用发光二极管来模拟信号灯，救护车的优先通过请求信号由外部中断技术来模拟。要求使用 8051定时器/ 计数器0，假设南北的通车时间为30 s ，东西的通车时间为20 s，外部中断的延时为15s ，要求对通行时间进行倒计时，从P0 口输出，在LED上显示并进行递减。以此来实现十字路口交通灯的指示功能。

交通灯在安全行车过程中起着十分重要的作用, 现在交通灯一般设在十字路口, 在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯, 加上一个倒计时的显示计时器来控制行车, 对于一般情况下的安全行车、车辆分流发挥着作用, 但根据实际行车过程中出现的情况, 主要有如下几个缺点: 1两车道让车轮流放行时间相同且固定, 在十字路口, 经常一个车道为主干道,车辆较多, 放行时间应该长些;另一车道为副干道, 车辆较少,放行时间短些。2 没有考虑紧急车通过时, 两车道应采取的措施, 譬如, 有消防车通过执行紧急任务时, 两车道的车都应停止, 让紧急车通过。根据行车过程中出现的实际情况, 如何全面有效地利用交通灯指示交通情况, 本人尝试用单片机来控制交通灯, 在软、硬件方面采取一些改进措施, 使交通灯在控制中灵活而有效。

传统的交通灯控制系统, 采用的基本上是3种控制方式。手按: 交警在岗亭值守,人为进行红绿灯改变; 黄闪: 夜间无人值守时, 用每秒1次的黄灯闪亮,提醒司机安全驾驶; 程控: 以60s 作为一个时间单位。某一方面(例南北方向) 红黄绿三灯的工作程序分别是: 红灯先亮30s, 然后绿灯亮28s, 再绿灯闪亮3s (每秒1次) , 最后黄灯亮2s。此时, 另一方向(东西方向) 红黄绿三灯的工作顺序相应为: 绿灯亮25s, 绿灯闪亮3s (每秒1次) , 黄灯亮2s, 最后红灯亮0s。此后以60s 作为时间单位进行上述的反复循环, 较为合理地解决了十字路口的交通调度问题。

红绿灯的工作顺序及时间都是固定的, 缺乏灵活性。

当前，交通事业蓬勃发展，交通流量年年增长，大、中、小城市的汽车、摩托车等各种车辆与日俱增，道路交通繁忙，经常有严重堵车现象，特别是在交叉口，机动车、非机动车、行人来往非常混乱，为了在叉口的各条干道实现合理的科学分流。

一、设计题目及内容

交通信号灯控制器

（1）、用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。

（2）、南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别为20秒、4秒、24秒，一次循环为48秒。黄灯是间歇闪耀。设计计时显示电路(减“1”计数) 。

（3）、可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。

二、器件与器材

1、二输入四与非门 74LS00

2、四输入双与非门 74LS20

3、六倒相器 74LS04

4、八输入与非门 74LS30

5、正沿双D触发器 74LS74

6、同步十进制可逆加、减计数器 (8421 BCD码) 74LS168

7、振荡分频器 CD4060

8、BCD七段显示译码器 CD 4511

9、555定时器 555

10、LED共阴七段数码管 BS207

11、微动开关、拨盘开关、继电器、LED(红、绿、蓝)、电阻、电容、二极管、三极管、光敏二、

三极管、导线……等。

12、工具(镊子、剪刀、万用表、电烙铁……)

三、使用仪器设备

1、稳压电源(±5V，±15V)；

四、参考文献

1、“模拟电子技术基础”和“数字电子技术基础”教材；

2、有关“电子技术课程设计指导书”；

3、“集成电路特性应用手册”；

2、EDA技术使用教程

目录

1 设计任务及要求 (9)

2 系统总体设计方案 (10)

2.1 总体设计方案 (10)

2.2 方案特点 (10)

3 控制电路设计 (10)

3.1 控制电路工作原理 (10)

3.2 参数计算 (10)

3.3 器件选型 (12)

4 振荡电路设计 (12)

4.1用555制作秒脉冲 (12)

5 计数电路设计 (13)

5.1 计数电路工作原理 (13)

5.2 参数计算 (13)

5.3 器件选型 (13)

6 译码显示电路设计 (14)

6.1 译码显示电路工作原理 (14)

6.2 参数计算 (14)

6.3 器件选型 (14)

7 系统总体电路设计 (16)

7.1 系统总体电路....................................... (17)

7.2 电路说明 (18)

8 电路调试 (19)

8.1 振荡电路调试及实验结果分析 (19)

8.2 计数电路调试及实验结果分析 (19)

8.3 译码显示电路调试及实验结果分析 (19)

8.4 控制电路调试及实验结果分析 (19)

8.5 系统联调及实验结果分析 (19)

9 改进意见及收获体会 (19)

10 器件明细清单 (20)

11参考文献 (20)

1设计任务及要求

1.设计并制作交通灯控制电路；

2.电路功能为：

（1）采用两位数码显示器显示南北方向时间；

（2）交通灯控制器设计要求如下：

1.用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。

2.南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别为20秒、4秒、24秒，一次循环为48秒（图

1）。黄灯是间歇闪耀。设计计时显示电路(减“1”计数) 。

3.可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。

图1 设计草案

2系统总体设计方案

2.1总体设计方案

图2 总体设计方案

2.2方案特点

道路较窄而车辆通行较多，支线、干线的车辆通行时间不等，允许人工监控或修改各线通行时间，同时设有道路应急控制。十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间，并且能够在人监控状态下，干道、支道通行时间通过键盘修改或通过开关人为控制。 本设计在很多方面，比如译码器的选择，定时器选型，程序调用方式等等尽量做到不与本组其他成员雷同，程序编制力求简便清晰，硬件连接图在保证每根具体用到的管脚线都能被表示出来的同时，力求线路连接清晰明确，尽量不使线与线之间过于缠绕。并且保证了电路工作的稳定性，同时加入了人工控制线路，可以更好的处理应急事件（如交通管制），晚上的黄灯闪烁对于夜间行驶的汽车起到提醒作用。

3控制电路设计 3.1控制电路工作原理

它由74LS164组成扭环形12进制计数器，然后经译码后，输出十字路口南北﹑东西二个方向的控制型号。其中黄灯信号须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿﹑红灯灭。

3.2参数计算

由波形图3可知，计数器每次工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。这里我们选用中规模74LS164八位移位寄存器

南北方向信号灯

东西方向信号灯 译码驱动电路

时钟信号

传感器 主 控 制 器 计时器

组成扭环形12进制计数器。扭环形计数器的状态如表2所示。

图3 控制电路波形图

t 计数器输出 南北方向

东西方向 Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 NSG NSY NSR EWG E WY EWR 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1

1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1

0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

表2 扭环形计数器状态表

根据状态表，我们不难列出东西方向和南北方向绿﹑黄﹑红灯的逻辑表达式：

东西方向绿：EWG=Q4·Q5

黄：EWY=(Q4)'·Q5

红：EWR= (Q5)'

南北方向绿：NSG=(Q4)'·Q5

黄：NSY=Q4·(Q5)'

红：NSR=Q5

由于黄灯要求闪耀几次，所以用顶时标1s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。

3.3器件选型

74LS164、74LS11、74LS08、74LS32、74LS04

74LS164

引出端符号（图4）

CLOCK 时钟输入端

CLEAR 同步清除输入端（低电平有效）

A，B 串行数据输入端

Qa-Qh 输出端

逻辑图：

图474LS164接脚图

4 用555制作秒脉冲

输出频率为1Hz,占空比为50%.

5 计数电路设计

5.1计数电路工作原理

当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS168以减法计数器方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯信号（EWR=0），使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮，使另一方向——东西方向减法计数器开始工作。在减法计数器开始之前，由黄灯亮信号使减法计数器先置入数据，图中接入LD的信号就是由黄灯亮（为高电平）时，置入数据。黄灯灭（Y=0），而红灯亮（R=1）开始减计数。

5.2参数计算

由实验要求可以设置计数器初始值，由两个74LS168共同设置成24并随着秒脉冲依次下降。

5.3器件选型

74LS192、74LS08、74LS04

74LS192

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下图6所示：

图6 74LS192结构图

图中：PL'为置数端，CP U为加计数端，CP D为减计数端，(TC U)'为非同步进位输出端，(TC D)'为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

6 译码显示电路设计

6.1译码显示电路工作原理

显示控制部分实际上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1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用74LS48 BCD码七段译码器，显示器用LC5011-11共阴极LED显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。

6.2参数计算

根据实验要求，译码显示电路注意的就是接线，拐脚一定要对应正确否则会出现乱码等情况。

6.3器件选型：LC5011-11、74LS48

74LS48译码器（图7）

图7 74LS48 接脚图

74LS00引脚图

74ls08引脚图

74ls32引脚图

74ls04引脚图

74ls11引脚图

7 系统总体电路设计

注：74LS248用74LS48代替，74LS168用74LS192替代。

图8 统总体电路

7.2电路说明

交通灯控制系统功能图它主要由减法计数器、步骤控制器、置数逻辑电路和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。

其中控制部分由74LS164组成扭环形12进制计数器，然后经译码后，输出十字路口南北﹑东西二个方向的控制型号。其中黄灯信号须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿﹑红灯灭。

当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS168以减法计数器方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯信号（EWR=0），使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮，使另一方向——东西方向减法计数器开始工作。

显示控制部分实际上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1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用74LS48 BCD码七段译码器，显示器用LC5011-11共阴极LED显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。

当开关K3处于夜间模式时，南北与东西方向的黄灯会闪烁，这样对于夜间行驶的车辆起一个警示提醒作用。对于手动控制部分，对于临时调整红绿灯情况有了很好的解决。电路里面的秒脉冲可以使用振荡电路获得，此次实验直接使用了实验箱提供的1Hz的方波信号。对于电路中替换的电路元器件使用方法和原器件基本上不变，完全可以参照电路图实现。

8电路调试

8.1振荡电路调试及实验结果分析

实验所用秒脉冲直接使用了实验箱上1Hz信号（产生方法如上面讲的产生方法），通过分频器实现信号周期的变化，用以提供电路信号。

8.2 计数电路调试及实验结果分析

观察数码管的显示情况，如果24循环过后回复的话，说明计数正常。如果出现问题：

1.显示最大数不对，是由于74LS192置数端不对，初始值错误

2.如果显示乱码原因可能是由于与译码器接口不对。

3.如果计数器不工作（不倒计时）可能原因可能是电路连接错误，注意查线，保证线路的正

确性。

8.3 译码显示电路调试及实验结果分析

观察数码管的显示情况：出现乱码或无数值，检查接口74LS48和74LS192以及数码管对应是否正确。如果数码管无任何显示，可能原因是共阴极没有接地。

8.4 控制电路调试及实验结果分析

用观察电路左半部分电路的红绿黄灯的时间，符合要求说明控制电路正常工作。并且要保证夜间模式时，黄灯处于规律闪烁状态。如果出现灯闪烁频率不对，检查秒脉冲是否正常。如果灯不闪或不亮，需检查电路，看是否电路连接正确。

8.5 系统联调及实验结果分析

统一左半部分红绿灯的闪烁时间与颜色和右半部分的数码管的倒计时显示，对应正确说明电路正常，如果不对应或某一部分过快，检查各集成块初始值设置和秒脉冲分频是否正确。如果红绿灯时间不正确，看分频器连接是否正确。

9改进意见及收获体会

回顾起此次课程设计，从理论到实践，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中还遇到问题，发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，但是让我得到多方面的提高，提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步，也培养了我们独立思考和设计思维的能力，更让我体会到成功的喜悦和快乐,所以我要在今后的学习中更加努力，学好自己的专业知识以充实自己，来适应日新月异的现代社会。

缺陷：红黄绿灯亮的时间不是很准确

改进：使用三进制计数器，每三秒给74LS164一个上升沿信号

10 器件明细清单

1.集成电路：74LS74、74LS164、74LS192、74LS248、BS207、CD4060

2.门电路 74LS11、74LS08、74LS32、74LS04

3.显示：LC5011-11，发光二极管（三色）

4.电阻 10k 555

5.双掷开关

参考文献

[1] 阎石主编．数字电子技术基础（第四版）．北京：高教出版社， 2000

[2] 董儒胥，《电工电子实训》，北京：高等教育出版社， 2002年

[3] 阎石，《数字电子技术基础》北京：高等教育出版社， 2006年

[4] 陈明义主编《电子技术课程设计指导》中南大学出版社，2002年