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1、数字电子技术基础课程设计(论文)十字路口交通信号灯定时控制系统 院（系）名称电子与信息工程学院 专业班级通信121班 学号 学生姓名 指导教师起 止 时 间： 2014.12.292015.1.11课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息工程 学 号120405003学生姓名潘凤麟专业班级通信121课程设计（论文）题目十字路口交通信号灯定时控制系统课程设计（论文）任务任务要求：十字路口交通信号灯定时控制系统自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，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。技术要求：1、采用中、小规模数字集成电路实现。2、主
2、支干道交替通行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒。3、每次绿灯变红灯时黄灯先亮5秒。4、要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均由同一计数器以秒为单位作减计数，黄灯亮时原红灯按1Hz的频率闪烁。5、计数器的状态由LED数码管显示。6、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。指导教师评语及成绩平时成绩： 答辩成绩： 论文成绩： 作品成绩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：平时成绩占20%，答辩成绩占20%，论文成绩占40%，作品成绩占20%摘 要随着人们生活水平的加快，交通成为人们出行必不可少的一个重要因素。本此课程设计题目为十字路口交通信号灯定时控制系统。它能够实现
3、灵活的交通管理，按照实际情况将干路车辆通行时间长于支路通行时间，并且能够实现绿灯，黄灯，红灯，红灯闪烁的自动控制，同时对每种交通灯状态有倒计时提示的功能。本设计主要由秒脉冲发生器，计数器，控制译码电路，交通灯驱动电路共四部分组成。秒脉冲由555定时器搭成的多谐振荡器提供。计数器由两片74LS161实现。控制译码电路由数据选择器以及两片D触发器实现。交通灯驱动电路由三色交通灯以及各种门电路来实现。应用这些元件，在仿真时基本得到了符合要求的结果。但由于电路图过于复杂，以及本人焊接技术的原因，在焊接实物时并没有得到结果。关键词：倒计时；自动控制；74LS161; 数据选择器；仿真目 录第1章 绪论1
4、 1.1十字路口交通信号灯定时控制系统发展概况1 1.2本文研究内容1第2章 十字路口交通信号灯控制系统电路总体设计方案2 2.1方案比较2 2.2 十字路口交通信号灯定时控制系统总体设计方案4第3章 十字路口交通信号灯定时控制系统分电路设计5 3.1 时钟脉冲源设计5 3.2 计数器设计5 3.3 译码控制电路设计6 3.4 交通灯驱动电路设计7 3.5元器件型号选择8第4章 仿真与调试9 4.1 Multisim仿真与调试9 4.2 仿真结果分析10第5章 实物的焊接与调试11 5.1十字路口交通信号灯定时控制系统作品11 5.2作品测试与数据分析12第6章 总结13参考文献14附 录15
5、附 录II16第1章 绪论1.1十字路口交通信号灯定时控制系统发展概况随着社会和经济的发展，人均拥有汽车数量的提高，道路交通安全越来越成为人们关注的焦点。交通灯于是日常生活中起到举足轻重的作用。交通灯是指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯，最早出现在19世纪初的英国。那时的信号灯是红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯。需要由一名手持长杆的警察牵动皮带转换提灯的颜色。这时的交通灯浪费人力，由于煤气易爆炸，又很大的安全隐患。直到1914年，才出现了电器信号灯。直到现在设计交通灯的方案已经有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法;有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计;有应用单片机
6、实现对交通信号灯设计的方法。交通灯未来的发展将会更趋于智能化。通过与传感器的结合，能自动感应当地的交通状况，从而自动的调节红绿黄灯的时长。这种交通灯与现在很多地方的只能按照设定的初值计时的交通灯比，能够更好的实现交通管理，避免交通阻塞和保障人身安全。1.2本文研究内容 本文研究的是十字路口交通信号灯定时控制系统的设计与制作，经过对资料的查找和分析，我拟出了满足如下技术要求的设计方案，进行了元器件的选择以及参数的确定，并确定了总体电路的结构，最后我还进行了实物的焊接与调试。技术要求：1、采用中、小规模数字集成电路实现。2、主支干道交替通行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒。3、每次绿灯
7、变红灯时黄灯先亮5秒。4、 要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均由同一计数器以秒为单位作减计数， 黄灯亮时原红灯以1Hz的频率闪烁。 5、计数器的状态由LED数码管显示。6、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。第2章 十字路口交通信号灯控制系统电路总体设计方案2.1方案比较总体方案说明：首先，计数器和控制电路都需要一个标准的时钟脉冲源，我选择555定时器构成的多谐振荡器作为时钟脉冲源。根据设计要求，计数器的作用是要实现30秒，5秒，和20秒的倒计时，该倒计时的具体过程通过连接数码显示器显示出来。而控制译码电路用来控制交通灯驱动电路，产生题目要求的4种状态，状态如下图2.1所示
8、：主路绿灯亮30s，支路红灯亮30s主路黄灯亮5s，支路红灯闪烁5s主路红灯亮20s，支路绿灯亮20s主路红灯闪烁5s，支路黄灯亮5s图2.1 交通灯流程控制图 故综上所述，可以得到如下图2.2所示的总体方案设计初步框图：交通灯驱动电路时钟脉冲源控制译码电路计数器图2.2 总体方案设计初步框图根据这个总体设计方案，各分电路选用不同器件又可引出2种不同的设计方案。 方案一：时钟脉冲源采用555定时器构成的多谐振荡器，控制译码电路主要由数据选择器构成，交通灯驱动电路由三色交通灯和门电路构成，计数器部分采用74LS161芯片。它的总体方案框图如下图2.3所示。交通灯驱动电路74LS161芯片控制译码
9、电路555定时器 图2.3 方案一总体框图 方案二：时钟脉冲源采用555定时器构成的多谐振荡器，控制译码电路主要由数据选择器构成，交通灯驱动电路由三色交通灯和门电路构成，计数器部分采用74LS160芯片。它的总体方案框图如下图2.4所示。 交通灯驱动电路控制译码电路555定时器74LS160芯片 图2.4 方案二总体框图方案论证：方案一中的74LS161是同步十六进制加法计数器，为实现减法计数功能，需要将该芯片与一系列门电路相连。执行加计数时，编码从0000开始，下一个状态是0001，对0000取反码为1111，对0001取反码为1110，由此可见，连接必要的反相器即可将加计数功能更改成减计数
10、功能。但若使用方案二中的74LS160芯片，则会造成数码丢失的情况。所以综上所述，我选择方案一完成本次课程设计。2.2 十字路口交通信号灯定时控制系统总体设计方案交通灯驱动电路 根据方案论证部分的说明，我选择方案一完成本次课程设计，总体设计方案框图如下图2.5所示。74LS160芯片控制译码电路555定时器图2.5 总体设计方案框图第3章 十字路口交通信号灯定时控制系统分电路设计3.1 时钟脉冲源设计555定时器可以搭成施密特触发器，单稳态触发器，多谐振荡器三种脉冲源，可以很方便地获得方波脉冲信号，且通过改变电容，电阻的值的大小，又可达到控制输出频率的目的。若用555定时器构成多谐振荡器，连接
11、方式应如下图3.1所示。计数器 图3.1 时钟脉冲源原理图3.2 计数器设计计数器部分采用74LS161芯片，它是一种同步十六进制的加法计数器，为实现题目中要求的倒计时功能，需要将该芯片与一系列的反相器相连接。如再执行由0000到0001的加计数功能时，若加上反相器，即可变为从1111到1110的减计数功能。最后，该倒计时的具体过程可通过连接数码管显示出来，它的连接方式应入下图3.2所示。时钟脉冲译码控制电路 图3.2 计数器原理图3.3 译码控制电路设计交通灯驱动电路 译码控制电路由数据选择器以及D触发器构成，它的作用有两点，一是用于控制驱动计数器，令其完成三种不同情况的倒计时功能。二是用于
12、控制驱动交通灯驱动电路，令其按照逻辑规律，完成图2.1所示的4种交通状态的转换。这部分电路的原理图如图3.3所示。计数器图3.3译码控制电路原理图3.4 交通灯驱动电路设计交通灯驱动电路分为主干道和支干道两路，每一路均要由三色交通灯构成，为实现如图2.1所示的逻辑关系，很方便地就可以想到连接一定的门电路就可以实现。它的原理图如图3.4所示。时钟脉冲译码控制电路 图3.4交通灯驱动电路原理图3.5元器件型号选择在设计过程中555定时器的电阻和电容的值是一个必须要考虑的重要因素。本设计中，我采用555定时器构成的多谐振荡器来作为时钟脉冲源。它的波型图如下图3.5所示。图3.5 多谐振荡器波形图 电
13、容上的电压Vcc将在正向阈值电压与反向阈值电压之间往复震荡。由公式3-1所示 （3-1）可以求出对应的与的值，先将取10，并按照设计要求，时钟脉冲应以1为单位进行计时，故将代入公式2-1，可以求出。故在设计过程中，将2，6引脚相接通过48电容接地，并且将结点接上10的电阻，电阻上端接7引脚，7引脚通过10的电阻接电源。5引脚通过0.01的电容接地，可以消除高频信号的干扰。 第4章 仿真与调试4.1 Multisim仿真与调试 将电路图连接好后，启动Multisim软件进行仿真，仿真结果主要展示数码管的倒计时情况和三色交通灯的亮灭情况，仿真结果如图4.1和4.2所示。图4.1倒计时情况图4.2交
14、通灯工作情况4.2 仿真结果分析 从仿真结果来看，在启动电路后，电路能够首先进入30秒倒计时阶段，此时主干道绿灯亮，支干道红灯亮，实现主干道的通行。该阶段结束后黄灯亮5秒，之后电路进入20秒倒计时阶段，在该阶段，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，实现支干道的通行。如此循环往复，可以实现十字路口交通灯的定时与控制。 但仿真结果中也存在一些问题。最为严重的是时间的精度问题，在仿真过程中，时间的精度与实际情况不符。倒计时中的每秒并不是实际的每秒，这在实物焊接时会出现一定的误差，但是基本符合设计思路。 第5章 实物的焊接与调试5.1十字路口交通信号灯定时控制系统作品在实物的焊接与调试环节，我用实验台上的数码
15、管和BCD码驱动器去代替实际元件。所以并没有将这两个元件焊接到实物图中。焊接过程中，由于电路图过于复杂，我在分析和排线时，没有将问题考虑全面，出现了排线错乱，元件摆放位置不够等问题，所以导致我这次焊接过程中，并没有得出具体的数据。焊接实物图如下图5.1所示。图5.1 焊接实物图5.2作品测试与数据分析焊接过程结束后，进入作品调试环节，由于个人焊接技术不当，本作品只能显示倒计时情况，倒计时情况如下图5.2所示。图5.2 倒计时实物图第6章 总结本次数字电子技术基础课程设计为期2周，我的设计题目是十字路口交通信号灯定时控制系统。在刚刚拿到这个题目时，我查阅了大量的资料，最后确定了总体设计方案，即用
16、555定时器构成的多谐振荡器作为时钟脉冲源，用74LS161芯片构成计数器，完成倒计时功能，用数据选择器以及D触发器构成控制译码电路，最后用一系列门电路以及交通灯作为交通灯驱动电路。整个电路实现了题目所要求的功能，在仿真时得到的数据也基本正确。但是在设计过程中，我遇到了不少的难题。第一个难题就是在完成倒计时功能时，所采用的芯片74LS161本是同步十六进制加法计数芯片，单单靠它无法完成倒计时功能，在同学的提醒和老师的帮助下，我想到了在芯片后连接一定数量的反相器来实现减法计数功能，最后也得到了正确的结果。第二个难题就是在设计交通灯驱动电路时，由于绿灯，黄灯，红灯之间的数字逻辑关系比较复杂，因此我
17、作了大量的分析，计算，并进行了多次试验过后，才确定了最终的设计方案。最后在实物的焊接与调试这一环节中，由于我设计出的总体电路图比较复杂，线路结构也相对比较乱。在焊接之前，必须仔细分析好每一点的具体连线方式，否则就会造成错焊，进而造成元器件的浪费。其次，我也认识到，在焊接过程中必须熟练掌握正确的焊接技巧，每一个焊点的焊接时间必须严格控制，不能太短，也不能太长。焊锡的数量不能太少，也不能太多，由此造成的虚焊现象会使整个焊接过程功亏一篑。因此，在焊接过程中也必须集中注意力并保证自己有着足够的耐心。虽然，在焊接与调试这一环节中，由于我焊接技术的不过关，最后没有得到具体的实测数据，但是也让我的整体能力有
18、了进一步的提升。我会利用课余时间继续训练自己的焊接技术，尽可能地去避免虚焊现象。总而言之，本次数字电子技术基础课设令我受益匪浅，通过这次课程设计，我巩固了课上所学到的理论知识，并有机会将这些理论知识用于实践。我也会以更加饱满的热情投入到接下来的学习过程中。 本人签字：参考文献1 闫石.数字电子技术基础M.第五版.北京:高等教育出版社,20122 康华光.电子技术基础（数字部分）M.第五版.北京:高等教育出版社,20123 王景利，王亚君等.数字电子技术基础学习指导.沈阳.东北大学出版社,20124 王景利，王亚君等.电子技术基础实验.沈阳.东北大学出版社,20125 代万辉等.全国电子设计大赛
19、培训宝典.北京航空航天大学出版社,20126 全国大学生电子设计大赛组委会.2011年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京理工大学出版社,20117 贾立新.数字电路M.第二版.电子工业出版社.20118 徐秀平.数字电路与逻辑设计.电子工业出版社.20109 聂茹.基于Multisim10的十字路口交通灯控制器的设计与仿真:系统工程与电子技术J.2010,:11:53-5810周禹翔.城市交叉路口交通灯控制系统的设计与研究.长安大学. 附 录整体电路原理图附 录II元器件清单元器件名称参数个数元器件名称参数个数电阻10K2数据选择器74LS1532电解电容47uF 50V1D触发器74LS742独石电容0.01uF 50V1BCD码驱动器CD45112非门74LS043LED3mm红2或门74LS321LED3mm橙2二入与非门74LS002LED3mm绿2四入与非门CC40111计数器74LS1612数码管七段2定时器NE555P1
