数电交通信号灯课程设计.

2015届课程设计

《交通信号灯的设计》课程设计说明书

学生姓名

学号

所属学院信息工程学院

专业

班级

指导教师

教师职称

塔里木大学教务处制

目录

绪论 (1)

1 设计目的和要求 (2)

1.1设计任务如下： (2)

1.2具体要求如下： (3)

1.3应满足的工作时序： (3)

2 实验器材介绍 (4)

3 总体设计方案 (4)

3.1设计思路： (4)

3.2方案构思 (5)

3.3利用EWB实现仿真 (6)

3.4开发板实物 (10)

4各元件的功能 (11)

4.1发光二极管： (11)

4.2电阻与色环电阻识别方法 (12)

4.3芯片74LS00功能............................... 错误！未定义书签。

4.4芯片74LS48的功能 (17)

4.5芯片74LS90的功能 (18)

4.6芯片7420的功能 (20)

4.7显示数码管 (21)

5焊锡注意 (23)

5.1保持合适的温度 (23)

5.2用烙铁头对焊点施力是有害的 (23)

5.3调试前的检查 (23)

5.4调试中注意的事项 (23)

5.5测量电路中是否接通 (24)

5.6通电后的测试 (24)

总结 (25)

致谢 (26)

参考文献 (26)

交通信号灯的设计

摘要：分析交通信号灯控制系统应用要求及设计原理，利用74lsoo，74ls48,74ls90,74ls00,74ls20等元件设计出能够满足实际应用要求的交通信号灯控制器。通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计，提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法，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。因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。由交通信号灯控制器课程设计的内容和要求，分析系统的逻辑功能，可以画出系统的原理框图所示。要实现设计要求中交通信号灯的自动控制，由框图可以看出此方案的控制电路主要由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路几部分组成。主控制器和定时计数器必须使用同一脉冲信号，译码电路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。主控电路是系统的主要部分，由它控制定时计数电路和译码驱动电路的工作。关键词：控制计数译码显示时钟信号。

绪论

汽车进入寻常老百姓的家庭，在加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆也来也多，许多大城市如北京、上海、南京等均出现了道路交通超负荷运行的情况。因此，自80年代后期以来，许多城市纷纷扩建城市道路，在道路建设完成的初期，他们也曾有效地改善了交通随我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的状况。然而随着交通量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制，扩建道路并没有充分发挥出预期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然说到这种路况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限制利用好耗费巨资修建的多车道城市道路，缓解城市的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门解决的主要问题。在种情况下，道路交通信号灯开始发挥了越来越重要的作用，并已成为交管部门管理交通的重要工具之一。

交通灯是城市交通的重要指挥系统，与人们的日常生活密切相关。随着我国社会经济的发展，城市化、城镇化进程的加快，道路交通堵塞问题日趋严重，如何对交通进行合理的管理和调度而尽可能减少堵车现象成为目前我国很多地方尤其是特大城市急需解决的问题，显然交通灯在其中起着不可或缺的作用。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科学发展的主流方向。结合我国城市道路交通的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统是当前的主要任务，以最大限度地减少了十字路口的车辆平均延误时间，提高了路口通行能力，以达到缓解交通拥挤的目的。

1 设计目的和要求

本次课程设计的目的主要是通过设计交通灯控制电路，了解数字电子技术，巩固和综合运用所学知识，提高分析、解决数字电子技术实际问题的能力，增长自己的知识。

如何采用合适的控制方法，最大限度地利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、街区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门解决的主要问题。为此，本次设计的是交通信号灯的设计、仿真和调试。就成乡交通灯控制系统的电路原理、设计计算和实验调试进行具体分析讨论。

1.1设计任务如下：

（1）用红、绿、黄发光二极管做信号灯。

（2）设计主干道和支干道的信号灯驱动电路，控制主干道和支干道的红、黄、绿信号灯的亮与灭。

（3）设计交通信号灯的时间控制电路，使主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒；每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒，此时原红灯不变

（4）设计放行及等待时间的显示电路，使用十进制数字显示放行及等待时间。提示: 本设计主要在EWB的工作环境下设计交通信号灯，测试电路是否正确，

无误再制作实际电路。

1.2具体要求如下：

1、交通信号灯控制电路应具备时间显示、主干道和支干道交替放行动

能。

2、整体电路布局合理，线路清晰。

3、课程设计说明书条理清晰，结构合理，格式规范。

1.3应满足的工作时序：

（1）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30秒；

（2）30秒后主干道停车，支干道人不通行，这种情况下主黄灯和支红灯，持续时间为5秒；

（3）5秒后，主干道不同行，支干道通行，着这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20秒；

（4）20秒后主干道人不同行，支干道停车，这种情况下主黄灯和支黄灯，持续时间为5秒，。5秒后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控

制器也有四种状态，设这四种状态依次为S

1,S

2

,S

3

,S

4

图2-5

2 实验器材介绍

实验器材如下表1：

名称型号个数

二端与非门74LS00 4

显示译码器74LS48 2

二-五-十进制计数器74LS90 3

四端与非门74LS20 2

多谐振荡器555 1

显示数码管D5011A 2

电阻1K欧姆、68欧姆20

发光二极管红、黄、绿 6

电容100uF、0.01uF 2

3 总体设计方案

3.1设计思路：

(1)系统中要求有30秒，20秒和5秒的三种定时信号，设计三种相应的计时显示器电路。计时顺序用顺时计时。定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入主控电路，并通过主控电路去开启和关闭交通灯或启动另一种计时电路。

（2）系统要求定时显示电路的输入信号为秒脉冲信号，设计一个可以实现秒脉冲输出的实际电路。

（3）主控电路是整个电路的核心，它的输入信号来自30秒，20秒，5秒三个定时信号。主控电路可以控制各种交通灯的开启和关闭，并反馈信号给计时电路，触发与亮着的信号灯相应的定时电路，使其顺时显示相应时间。

3.2方案构思

（1）选用发光二极管，电阻，7400,7448，数码管，7490,7400,7420和电容，555元件来构造电路。

（2）发光二极管充当红绿灯，有三个7400控制，发光二极管与7400间接电阻，防止发光二极管烧坏；

（3）7400下接两个数码管，两个数码管分别由一个7448控制，数码管与7448间接有电阻，防止数码管被烧坏。

（4）两个7448分别下接7490，再通过一个7490来总的控制前两个7490。

（5）7490分别下接7400,7420,7420，来辅助7900的进制转换。

3.3 利用EWB实现仿真

（1）电路图如下：

（2）设计出仿真图后进行仿真，发现该电路能正常运行。

图 3-15

（3）进过仔细分析，设计出电路正反面图：

图 3-16 正面

图 3-17 反面

3.4开发板实物

4各元件的功能

4.1发光二极管：

半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。

（1）性能要求

1）高可靠性特别像LED路灯的驱动电源，装在高空，维修不方便，维修的花费也大。

2）高效率LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED 的散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。

3）高功率因素功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器，没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大，但晚上大家点灯，同类负载太集中，会对电网产生较严重的污染。对于30瓦~40瓦的LED驱动电源，据说不久的将来，也许会对功率因素方面有一定的指标要求。

4）驱动方式通行的有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED

的工作，但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED

运行的问题。这两种形式，在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。

5）浪涌保护LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外，如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。

6）保护功能电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。

7）防护方面灯具外安装型，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。

8）驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。

9）要符合安规和电磁兼容的要求。

4.2电阻与色环电阻识别方法

电阻是表示导体对电流阻碍作用的大小，符号是“R”。电阻是一种使用得最多的电子元件，我几乎没有看到过一种没有内含电阻的电子设备。顾名思义电阻主要是阻碍电流，电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。

电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压、分流的作用。对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。

（1）计算公式

串联：12n

R R R R =+++

并联：12n 1/R 1/R 1/R 1/R =+++．．． 两个电阻并联式也可表示为 1212R R R /(R R =?+）

定义式：R=U/I

决定式：R=ρL/S(ρ表示电阻的电阻率，是由其本身性质决定，L 表示电阻的长度，S 表示电阻的横截面积)

识别五环电阻的方法：

对于一些初学者来说识别四环电阻没什么困难的，但要识别五环电阻相对于四环电阻要难一些，下面给一些不能熟练的识别五环电阻的朋友介绍几种简单的方法，希望大家能够认同。

识别哪是五环电阻的第一环的方法：

四环电阻的偏差环一般是金或银，一般不会识别错误，而五环电阻则不然，其偏差环有与第一环（有效数字环）相同的颜色，如果读反，识读结果将完全错误。那么，怎样正确识别第一环呢？现介绍如下： 1、偏差环距其它环较远。 2、偏差环较宽。 3、第一环距端部较近 3、第一环距端部较近。

4、有效数字环无金、银色。（解释：若从某端环数起第1、2环有金或银色，则另一端环是第一环。）

5、偏差环无橙、黄色。（解释：若某端环是橙或黄色，则一定是第一环.）

6、试读：一般成品电阻器的阻值不大于22M Ω，若试读大于22M Ω，说明读反。

四色环电阻读法

颜色第1位数第2位数第3位数第4位：误差

黑0 0 ±20%

棕 1 1 10 1 ±1%

红 2 2 10 2 ±2%

橙 3 3 10 3

黄 4 4 10 4

绿 5 5 10 5 ±0.5%

蓝 6 6 10 6 ±0.25%

紫7 7 10 7 ±0.1%

灰8 8 10 8 ±0.05%

白9 9 10 9

金10-1±5%

银10-2±10%

五色环电阻读法

色 彩 数 值 数 值 数 值 乘数(倍率)

误差 代号

1、误差色环与阻值色环之间的隔距较大。

黑 0 0 0 100

棕 1 1 1 101

±1% (F) 2、认色环时，从最边上一条开始算起。

红 2 2 2 102 ±2% (G)

橙 3 3 3 103 黄 4 4 4 104 绿 5 5 5 105 ±0.5% (D) 蓝 6 6 6 106 ±0.25% (C) 例：(1)色环为：黄 紫 红

金

阻值=47×102

=4700Ω

=4.7K Ω误差为±5%

紫

7 7 7

107

±0.10% (B)

灰

8

8

8

108

±0.05%

白 9 9 9 109

±50%

(2)色环为：黄 蓝 黄 棕

棕

阻值=464×10=4640Ω=4.64K Ω 误差为±1%

金 10-1

±5% (J) 银 10-2 ±10% (K) 无

±20%

4.3芯片74ls00功能

74LS00功能：四2 输入与非门

真值表：

Inputs输

输出

入

A B Y

L L H

L H H

H L H

H H L

图1 74LS00 引脚图

Absolute Maximum Ratings绝对最大额定值

Supply Voltage 电源电压7V

Input Voltage输入电压7V

Operating Free Air Temperature Range自由空气温度范围0℃ to +70℃Storage Temperature Range储存温度范围-65℃ to +150℃

Recommended Operating Conditions建议操作条件Symbol 符

号

Parameter 参数最小典型最大

UNIT

单位VCC Supply Voltage 电源电压 4.75 5 5.25 V VIH High Level Input Voltage输入高电平电压 2 - - V VIL LOW Level Input Voltage 输入低电平电压- - 0.8 V IOH HIGH Level Output Current高电平输出电流- - -0.4 mA IOL LOW Level Output Current低电平输出电流- - 8 mA TA Free Air Operating Temperature工作温度0 - 70 ℃

4.4 芯片74ls48的功能

74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中，下面我就给大家介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料。

74ls48引脚图

图 3-5 74LS48真值表

4.5芯片74ls90的功能

74LS90功能：十进制计数器（÷2 和÷5）

原理说明：本电路是由4 个主从触发器和用作除2 计数器及计数周期长度为除5 的3 位2 进制计数器所用的附加选通所组成。有选通的零复位和置9 输入。

为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将B 输入同QA输出连接，输入计数脉冲可加到输入A 上，此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。LS90 可以获得对称的十分频计数，办法是将QD 输出接到A 输入端，并把输入计数脉冲加到B 输入端，在QA 输出端处产生对称的十分频方波。