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1、目 录1 前言12 交通信号灯控制电路的设计22.1 设计题目22.2 设计要求23 交通信号灯控制电路的性能简介34 交通信号灯控制电路的设计44.1 直流稳压电源的设计44.2 秒脉冲产生电路的设计54.3 十二进制计数电路的设计64.4 分频器电路的设计84.5 组合逻辑电路的设计94.6 信号灯驱动电路的设计124.7白天夜间模式切换的设计124.8 整体电路电路设计135 器件清单146总结15参考文献161 前言21世纪是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制、突发事件、故障处理等方面给予技术革新。随着大规
2、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，是现代科技发展的主流方向。交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成。分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行
3、。因此本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用与实际生活中！ 2 交通信号灯控制电路的设计2.1 设计题目设计题目：交通信号灯控制电路的设计2.2 设计要求1.信号灯白天工作要求某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；
4、南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。信号指示灯白天点亮流程图如下图。图1-1 信号指示灯白天点亮流程图南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t2.夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。3 交通信号灯控制电路的性能简介1秒脉冲产生电路:由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒
5、脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，建议用555定时器组成多谐振荡器。十二进制计数器: 计数器可以用触发器组成，也可以用中规模集成计数器组成，以及用移位寄存器组成环形或扭环形计数器。建议用中规模移位寄存器组成扭环形12进制计数器。分频器: 上述十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。采用两个D触
6、发器组成4分频器电路。控制电路的特点：从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。其整体电路框图如下图所示：图3-1 整体电路框图根据交通灯的性能要求以及整体电路图，设计本次课程设计的交通灯电路。4 交通信号灯控制电路的设计4.1 直流稳压电源的设计直流稳压电路的作用是将整流滤波输出的不稳定直流电进行稳定，输出负载需要的稳定直流电
7、。从稳压电路中起稳压作用的器件的工作状态角度分为：线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源从稳压器件与负载的连接方式角度分为：串联型稳压电源和并联型稳压电源。本章介绍串联型稳压电源（并联型输出电流较小）。串联型线性稳压电源从电路组成角度分为：分立元件稳压电源和集成稳压电源。本章两种情况都介绍，但重点在集成稳压电源。作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。78系列和79系列三端线性集成稳压器为输出固定电压的集成稳压器。78系列输出正电压，79系列输出负电压。它
8、们输出的固定电压标称值分别为:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V。如7805输出电压为5V，7806输出电压为6V，7824输出电压为24V。79系列输出电压与此类同。输出电流档次由78（79）与输出电压档次之间的英文字母决定：L(0.1A)、M(0.5A)、空（1.5A）、T(3A)、H（5A）、P(10A)。由于建议系统的集成芯片选用TTL类型，要求直流稳压电源输出+5V直流电压。其额定输出电流视系统所需电流。决定，系统负载电流小于1.5A是选用7805芯片即可，系统负载电流大于1.5A时，可选用78T05(3A)、78H05(5A)，78P05(10A)。根据电源的负载电流
9、，折算成值，利用有关公式选择滤波电容的容量。其耐压应高于变压器次级电压峰值2倍以上。根据负载电流，选择整流二极管，要求二极管最大整流电流大于负载电流的2倍以上。其耐压应大于变压器次级电压峰值的2倍以上。压器的功率应大于系统功率2倍以上，次级输出电压有效值根据桥式整流电容滤波输出电压为，而这个值应大于稳压输出电压值的，从而选定变压器次级电压的有效值。而整流滤波的输出为，本系统采用8299整流桥。变压器选择即可。直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。因此直流稳压电源的设计电路如图4-1所示。图4-1 直流稳压电源原理图其中7805的引脚为：1入，2地
10、，3出。电容选用。4.2 秒脉冲产生电路的设计由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，采用555定时器组成多谐振荡器。555定时器外接少量元件就可以组成脉冲波形产生和变换电路。由于内部有3个5k的电阻分压器，故称555。由于该器件的第一个应用电路为单稳态触发器，而此单稳态触发器用来作定时器，因此将555器件命名为555定时器。555器件的应用很多，在自动检测及控制、定时器、报警器、家用电器、
11、电子玩具等许多领域中都得到了应用。现已出版555应用800例，900例，1500例等书籍。分析这些应用电路归类发现，应用举例中555器件不外组成三种基本电路：555多谐振荡器、555单稳态触发器、555施密特触发器。其中由555构成本次课设的1秒脉冲电路如下图所示：图4-2 555多谢震荡器原理图振荡周期与频率的计算公式为：，。电源电压，其中电路图中的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用的瓷片电容。再次课程设计中要求输出，选取电容为，根据震荡周期计算，选择电阻。当原件选取完成之后，根据电路原理图连接电路即可。4.3 十二进制计数电路的设计由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯
12、的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为5：1：6），因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。按设计思路中的设计，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LS164。（1）74LS164有关资料： 图4-3 74LS164引脚图74LS16引脚图如下图所示：74LS16功能表如下图所示：图4-4 74LS16功能表器原理图：分别为寄存器输出在指明稳态输入条件建立之前的电平。分别为寄存器输出在时钟最近出现上升沿之前电平。：异步清零端，低电平有效。 图4-5 12进制扭环型计数器电路原理图应用电路：用74LS164组成的12进制扭环型计数器电路 ，其
13、电路图如下图所示。A、B:串行输入端。当两个输入端任何一个或两个为低电平时禁止新数据输入，并在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（）置为低电平。当两个均为高电平时，在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（）置为高电平。其12进制扭环型计数器真值表如下图所示： 图4-6 12进制扭环型计数器真值表由上图可以看出，根据CP脉冲的变化，的输出有12个不同的状态，从而实现了电路的12进制计数。在构成以上12进制扭环型计数器时用到了2输入的非门，本次课程设计选用的2输入的非门芯片为74LS04。其引脚结构图如下图所示：图4-7 74LS04引脚结构图根据74LS04的引脚结构图选择合适位置的引脚连
14、接电路。4.4 分频器电路的设计上述十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。本次课程设计使用两个D触发器组成4分频器电路。4S脉冲是为74LS164提供的CP脉冲。从理论上讲，4S脉冲可以用多谐振荡器来产生。为了使整体电路的脉冲协调一致，4S脉冲应将秒脉冲经过4分频器得出。因此，4S脉冲电路的设计实际上就是4分频器的设计。使用74LS74实现4分频器。其四分频的电路原理图如下图所示：图4-8 四分频的电路原理图74LS74是内
15、有两个D触发器的TTL集成电路，将每一触发器接成触发器，两级串联就实现4分频，即输入1S脉冲，输出4S脉冲。本次课程设计使用的D触发器为74LS74，其外部引脚结构图和其真值表如下图所示：图4-9-a 74LS74引脚结构图 图4-9-b 74LS74真值表根据74LS74真值表和外部引脚图，选择合适的引脚连接电路即可构成四分频的电路。4.5 组合逻辑电路的设计根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。组合逻辑电路的真值表如图所示：图4-10 组合逻辑电路的真值表。根据上图真值表写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得：
16、由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。建议非门选用TTL集成门74LS04，与门选用TTL集成门74LS08。 当然，以上仅是考虑白天工作方式时的情况。下面将介绍白天和夜间综合考虑的情况，综合考虑后，表达式需要修改，则门电路也需要作响应的修改。黄灯点亮的按秒闪动，将在下面考虑。白天和夜间综合考虑组合逻辑电路表达式和门电路的修改按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使74LS164停止循环工作，即通过开关将74LS164的接地，使74LS164的所有Q端全部清零。白天为高电平，74LS164循环工作。 由74LS164 组成的12进制
17、扭环形计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。在夜间由于使所有的74LS164的Q端清零，因此会出现以下问题：(1)，由于夜间Q端均为低电平，则NSG为高电平，即南北绿灯点亮，显然这是不允许的，所以NSG的表达式需要修改；(2)，由于夜间Q端均为低电平，则EWR为高电平，即东西红灯点亮，显然这是不允许的，所以EWR的表达式需要修改；(3) 由于夜间 、均为低电平时，则NSY、EWY为低电平，即南北和东西方向的黄灯不能点亮，显然这是不允许的，所以NSY、EWY的表达式需要修改。上述三个问题不符合信号灯的点亮要求。解决办法如下：(1)在夜间由于,将原两输入与门改为三输入与门。那么在夜间由于，则N
18、SG0，即夜间南北绿灯不点亮；在白天由于，则即南北绿灯按白天工作方式点亮。(2)在夜间由于,的解决方法：令，即将EWR与之间的连线改为额两输入的与门。那么，在夜间由于，则，即夜间东西红灯红灯不亮；而在白天，则，即东西方向红灯按白天工作方式点亮。虽然，在夜间由于，则，即南北红灯不亮。但为了对称也将其修改为。(3)在夜间由于，使均为0的解决方法：使，即将原来的两输入与门改为在与门之后增加一级两输入或门，其中一个输入端为，即将经过一级非门后输出，另一个输出端为原来两输入与门的输出(的输出或的输出)。那么在夜间由于，则，即南北和东西方向的黄灯点亮；而在白天由于，则，即各方向的灯按白天工作方式点亮。经过
19、修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式为： 在此次逻辑电路的设计过程中用到的芯片有：74LS04，74LS08，74LS32，74LS11。则各芯片的外部引脚如下图所示：图4-11 各芯片引脚图74LS04为六组一输入与门；74LS08为四组二输入与门；74LS32为四组二输入或门；74LS11为三组三输入或门。各个芯片的驱动电压均为+5V。根据各芯片外部引脚不，选择合适位置的引脚，连接电路。其逻辑控制原理电路如下图所示：图4-12 逻辑控制原理图通过以上电路图，根据芯片引脚位置，选择合适位置的引脚连接电路可以实现交通灯的点亮要求。4.6 信号灯驱动电路的设计图4-13 发光二极管进行驱动电
20、路本次课程设计选择使用基本共射放大电路对发光二极管进行驱动，使其点亮。其设计电路如下图所示：对此基本共射放大电路进行设计几参数的选择：电源电压：；集电极直流负载电阻的计算与确定：电路的直流输出回路电压方程为：，发光二极管的驱动电压大概是0.7V左右，一般发光管的驱动电流取，大功率白光二极管可以到300mA（1W）600mA（2A)。此次课设所用的二极管电流为，则选取，根据电路的直流输出回路电压方程计算得：，其功率：则选取的电阻即可。的阻值计算与确定：，确定为统一选取，则取电阻。4.7白天夜间模式切换的设计为了使实验在一次课时间内完成，本设计中白天与夜间的转换开关为手动开关。在实际应用中可以设计
21、自动转换开关。用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现），作为白天与夜间的自动转换开关。这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。第二天天量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。在本次课程设计中选择使用手动切换白天与夜晚模式的选择。由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式可以看出，白天与夜间模式的转换由74LS164的引脚控制。当时为白天工作模式，时为夜晚工作模式。根据此次电路设计要求，以上为所有基本电路的单元电路的详细设计。4.8
22、整体电路电路设计根据各单元电路的设计，将各单元电路连接即可构成本次课设的整体电路。由于要进行实物焊接，因此须掌握焊接的基本技巧几步骤，在进行焊接之前，首先进行电路的布局布线。其整体电路的不线图见附录。IC555的脉冲输出端接74LS74的脉冲输入端3引脚；经电路连接74LS74分频输出4S脉冲，连接至74LS164的脉冲输入8引脚；组合逻辑电路的输出分别接对应的发光二极管小灯。在此次课程设计过程中需要每次焊接完一步电路后都应对其进行调试。秒脉冲的确定：简易方法，用发光二极管的正极接IC555的脉冲输出3引脚，其负极接地。若发光二极管频闪，则证明秒脉冲正确。用万用表伏安档测量秒脉冲，若指针摆动，
23、则证明秒脉冲正常。若不正常，应检查电路连接是否有短路或是虚接。同样4秒脉冲的测量过程相同。5 器件清单芯片：74LS20 2个74LS11 1个 74LS32 1个74LS04 1个 74LS164 1个74LS74 1个 IC555 1个整流桥：KBP206G电容：耐压 各一个电阻： 6个 5个 1个 1个开关：自锁开关一个三极管：9013 6个稳压块：L7805CV6总结短暂的一周课设结束了，时间虽然短暂，但是从中学到许多东西。自己亲自动手实践，使理论与实践得到了充分的结合。在不断的学习中发现并解决问题。只有通过实践才能更好的理解所学知识，理论知识的学习只是一个过程，将理论知识应用于实际生
24、活中才能更好的学习与理解所学知识，是自己的能力得到提高。当然，经过了课程设计，我也发现了自己的很多不足。但是通过自己的动手动脑，既增加了知识，又给了我专业知识以及专业技能上的提升，我也会更加努力，认真学习，争取在以后的课程中做得更好！在课设的过程中我们都遇到了很多的难题，请教老师都给了细心地指导，帮助我们解决了很多的问题。老师还教我们意识到自己动手对自己的成长和发展过程中的重要性，还敦促我们多上网查找问题的解决方法，使我们的在网上获取信息的能力得到了增长，再此特别感谢老师对我们的认真指导和教诲。参考文献1 付家才电子工程实践技术北京：北京工业出版社，20032 毕满清电子技术实验与课程设计北京：机械工业出版社，20013 廖爽主编电子技术工艺基础北京：电子工业出版社，20024 丁润涛主编电子工程手册北京：机械工业出版社，19955 迟钦河主编电子技能与试训北京：电子工业出版社，2002
