电子技术

课程设计报告

系 （部）： 三系

专 业： 电子信息工程

班 级： 电子（2）班

姓 名： 郭绪跃

学 号： 20100310216

成 绩：

指导老师： 李海霞

开课时间： 2011——2012 学年 2 学期

一、设计题目

交通信号灯控制器

二、主要内容

1、 分析设计题目的具体要求

2、 完成课题所要求的各个子功能的实现

3、 用multisim软件完成题目的整体设计

三、具体要求

交通灯信号控制器仿真设计

设计要求

（1） 设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求东西方向和南北方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为45s。时间可设置修改。

（2） 在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5s，才能变换运行车道。

（3） 黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。

（4） 东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示。

（5） 假定+5V电源给定。

四、进度安排

第一天：介绍所用仿真软件；布置任务，明确课程设计的完整功能和要求。

第二天：消化课题，掌握设计要求，明确设计系统的全部功能，图书馆查阅资料。

第三天：确定总体设计方案，画出系统的原理框图。

第四天：绘制单元电路并对单元电路进行仿真。

第五天：分析电路，对原设计电路不断修改，获得最佳设计方案。

第六天：完成整体设计并仿真验证。

第七天：对课程设计进行现场运行检查并提问，给出实践操作成绩。

第八天：完成实践报告的撰写

五、成绩评定

课程设计成绩按优、良、中、及格、不及格评定，最终考核成绩由四部分组成：

1、 理论设计方案，演示所设计成果，总成绩40％；

2、 设计报告，占总成绩30％；

3、 回答教师所提出的问题，占总成绩20％；

4、 考勤情况，占总成绩10％；

无故旷课一次，平时成绩减半；无故旷课两次平时成绩为0分，无故旷课三

次总成绩为0分。迟到20分钟按旷课处理。

前 言

当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。红绿灯有着它的发展史。

红绿灯的历史其实并不复杂。从最初发明时的手牵皮带转动灯箱，到20世纪开始的电气控制，从采用计算机控制到电子监控感应，其发展不超过150年。

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的会议大厦前的广场上，安装了世界最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。

很多中文资料都认定黄色信号灯的发明者是中国人胡汝鼎，时间是1927年，不少文章甚至绘声绘色地写道：一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼的一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的马路工具出现在世界上，造福后人。

1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下喇叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。

信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。

红绿灯的出现规范了交通的秩序，保护了人们的生命和财产的安全，使人们按照一定的交通规则行驶车辆，颇受大众的喜爱和遵从，所以，我们要好好学习红绿灯，学习交通规则，为自己的生命安全多增一分保障，为他人的生命多一点尊重与保护。

交通信号灯控制器

1、总体设计思路、基本原理和框图

1.1设计思路

依据功能要求，交通灯控制系统应主要由秒脉冲信号发生器﹑倒计时计数电路和信号灯转换器组成，原理框图如图1.1所示。

1.2基本原理

秒脉冲信号发生器是该系统中倒计时计数电路和黄灯闪烁控制电路的标准时钟信号源。倒计时计数器输出两组驱动信号和，分别为黄灯闪烁和变换为红灯的控制信号，这两个信号经信号灯转换器控制信号灯工作。倒计时计数电路是系统的主要部分，由它控制信号灯转换器的工作。

1.3总体设计框图

图1.1 交通灯控制系统原理图

2、单元电路设计

2.1各芯片的用法和功能

2.1.1 JK触发器

芯片介绍：JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元。JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能，在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。

图2.1 JK触发器

（1）CP=0时，触发器处于一个稳态。

（2）CP由0变1时，触发器不翻转，为接受输入信号作准备。

（3）CP 由1变0时触发器翻转

由此可知,该触发器在CP下降沿触发翻转，CP一旦到0电平，则将触发器封锁，处于(1)所分析的状态。

表2. 1 JK触发器功能表

2.1.2 74190

芯片介绍：计数器选用集成电路74190进行设计较简单。74190是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能﹑保持功能。74190没有专用的清零输入端，但可以借助﹑﹑﹑的输出数据间接实现清零功能。功能表如表2. 2所示。

表2.2 74190的功能表

十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们更直观地把握时间。具体工作方式为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1，计数方式工作，直至减到数为“5”和“0”，十字路口绿﹑黄﹑红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。在到倒计时过程中计数器还向信号灯转换器提供模5的定时信号和模0的定时信号，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红灯的变换。

倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。

计数器选用集成电路74190进行设计较简单。74190是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能﹑保持功能。74190没有专用的清零输入端，但可以借助﹑﹑﹑的输出数据间接实现清零功能。

2.2单元模块

2.2.1 采用JK触发器实现信号转换器

用一下6个符号来分别代表东西（A）﹑南北（B）方向上各灯的状态：

=1：东西方向车道绿灯亮；

=1：东西方向车道黄灯亮；

=1：东西方向车道红灯亮；

=1：东西方向车道绿灯亮；

=1：东西方向车道黄灯亮；

=1：东西方向车道红灯亮。

芯片用法：

设状态编码为=00，=01，=11，=10，其输出为﹑，则其与信号灯状态关系如表2.3所示。

表2.3 状态编码与信号灯关系表

由表2.2.1可以得出信号灯状态的逻辑表达式：

= = =

= = =

JK触发器的输出状态是与J输入端的状态相同的，同时分析表2.2.1，触发器0的现态与触发器1的次态相同，触发器1的现态与触发器0的次态相反，因此可以将触发器0的输出端Q﹑（现态）分别接触发器1的J﹑K输入端（次态），触发器1的输出端Q﹑（现态）分别接触发器0的K﹑J端（次态），取触发器0为﹑触发器1为，连接后的电路如图2.2所示。

图2.2 JK触发器实现信号转换

2.2.2 采用74190实现倒计时器电路

（1）置显示器为某值，然后以每秒减1，计数方式工作，直至减到数为“5”和“0”，十字路口绿﹑黄﹑红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。在到倒计时过程中计数器还向信号灯转换器提供模5的定时信号和模0的定时信号，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红灯的变换。

倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。

计数器选用集成电路74190进行设计较简单。74190是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能﹑保持功能。74190没有专用的清零输入端，但可以借助﹑﹑﹑的输出数据间接实现清零功能。功能表如表2.4所示。

表2.4 74190的功能表

要实现45s的倒计时，需选用两个74190芯片级联成一个从9倒计到00的计数器，其中作为个位数的74190芯片的CLK接秒脉冲发生器（频率为1），再把个位数74190芯片输出端的﹑用一个与门连起来，再接在十位数74190芯片的CLK端。当个位数减到0时，再减1就会变成9,0（0000）和9（1001）之间的﹑与起来接在十位数的CLK端，此时会给十位数74190芯片一个脉冲数字减1，相当于借位，其引脚图如图2.3所示。

图2.3 74190引脚图

（2）预置数（即车的通行时间）功能：用8个开关分别接十位数74190芯片的D﹑C﹑B﹑A端和个位数74190芯片的D﹑C﹑B﹑A端。预置数的范围为1~99。假如把通行时间设为45s，就像图2.4的接法，A接0，B接1，C接0，D接0，F接1，G接0，H接1。接电源相当于接1，悬空相当于接0。

图2.4预置数连接方法

按照74190的功能表，CTEN端接低电平，加、减计数控制端D、U接高电平实现减计数。工作开始时，LOAD为0，计数器预置数，置完数后，LOAD变为1，计数器开始倒计时，当倒计时减到数00时，LOAD又变为0，计数器又预置数，之后又倒计时，如此循环下去。借助两片74190的8个输出端来实现。连接后的电路图如图2.5所示。

图2.5 74190倒计时器电路

3、总设计

3.1各连接门的功能

除了在单元模块中的功能外，总电路图将两个单元模块连接起来，分别使用了四输入与门74LS21N、二输入或非门4001BD_5V、二输入与门7408N和二输入7432N或门各一个。

其中，仅当秒倒计时显示器显示为05时，四输入与门74LS21N输出为1；而仅当秒倒计时显示器显示为00时，二输入与门7408N的输出为1。而这两个门再由一个或门连接到两个JK触发器的1CLK端，即给触发器一个冲击，使之改变状态，即实现交通灯红黄绿之间的转变。

3.2倒计时计数器与信号灯转换器的连接

倒计时计数器向信号灯转换器提供定时信号和定时信号以实现信号灯的转换。表示倒计时减到数“00”时（即绿灯的预置时间，因为到“00”时，计数器重新置数），此时给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。接法为：把个位﹑十位计数器的输出端﹑﹑﹑分别用一个4输入或非门连起来，再把这两个4输入或非门的输出用一个与门连起来。表示倒计时减到数“05”时，给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯的绿灯的变为黄灯，红灯不变。接法为：当减到数为“05”（0000 0101）时，把十位计数器的输出端﹑﹑﹑用一个4输入或非门连起来，个位计数器的输出端﹑用一个4输入与门连接起来。最后将和两个定时信号用或门连接接入信号灯转换器的时钟端。连接后的电路如图3.1所示。

3.3黄灯闪烁控制

要求黄灯每秒闪一次，即黄灯0.5s秒亮，0.5秒灭，故用一个频率为1HZ的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接至黄灯。整个交通灯信号控制器的电路如图3.1.1所示。

3.4电路测试与仿真

电路默认把通行时间设为45s，打开开关，东西方向车道的绿灯亮，南北方向车道的红灯亮。时间显示器从预置的45s，以每秒减1，减到数“5”时，东西方向车道的绿灯转换为黄灯，而且黄灯每秒闪一次，南北方向车道的红灯都不变。减到数“0”时，1s后显示器又转换成预置的45s，东西方向车道的黄灯转换为红灯，南北方向车道的红灯转换为绿灯。减到数“5”时，南北方向车道的绿灯转换为黄灯，而且黄灯每秒闪一次，东西方向车道的红灯不变。如此循环下去。

通过拨动预置时间的开关，可以把通车时间修改为其他的值再进行仿真，总开关一打开，东西方向车道的绿灯亮，时间倒计数5，车灯进行一次转换，到0s又进行转换，而且时间重置为预置的数值，如此循环。如图3.1和3.2所示，分别为总电路图的静止图和运行图：

3.1交通灯设计静止图

3.2交通灯设计运行图

4、故障分析

4.1故障分析与解决

电路接好后，黄灯只亮不闪，经过排查电路，得知是由于没有接通秒脉冲发生器，经过接通，实现了错误的改正，使黄灯闪烁正常。

4.2电路改进

开始的电路比较繁琐，接线没有规律，开关接线无规律，秒脉冲频率过小，经过修改，实现了精准易排查。

5、总结

当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调， 多值化方向发展随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。

随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的.全部有数字电路组成,比较以前的方案更为精确。

交通信号灯的学习非常必要，我们不仅要弄懂它的作用，更要学会设计，学会将思维发散，扩展到其他相近的领域，不断深化学习，不断研究。

在今后的学习中，我会把所学经验用到实践中去，发现错误，努力改正，不断的去总结经验，不断的用于实践。

6、心得体会

数电课程设计终于完成了，通过这次的设计，我收获很大。在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也把我所学知识用于实践，并发现了问题，成功解决了问题。

经过这个课程设计，我真正体会到了学有所用，同时也让我更加深刻的了解数字逻辑电路的重要性，这次设计对我来说感触最深的是，要做好一个设计，首先要了解每一个部分所涉及的知识点，掌握它的原理。这次设计我都参与其中，懂得了各个电子元件的作用，令我的分析设计以及动手能力有了很大的提高，培养了我思考问题的全面性。

在完成这次课程设计的过程中，总体感觉收获颇丰。不仅将书本上的知识运用到实践当中，还学到了不少课外知识，学会了去搜寻资料寻找答案。刚开始看到题目的时候觉得脑子很乱，翻阅了一些资料后终于找到了突破口，接下来的处理就相对容易了一些，直到最后顺利完成。这个过程虽然很艰辛，但最终还是收获了喜悦。

这次设计我收获颇大，会在以后总结和运用得到的经验，更好的为以后的学习研究打下坚实的基础。

7、元件清单

8、参考文献

[1]三系电工电子教研室主编：《数字逻辑电路实验及课程设计指导书》 宿迁：宿迁学院，2008

[2]王连英主编：基于Multisim10的电子仿真（实验与设计） 北京邮电大学出版社 ，2009年8月第1版

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/f7094acdf41fb7360b4c2e3f5727a5e9846a2757.html