十字路口交通管理控制器的设计

物理与机电工程学院课程设计报告

课程名称： 电子线路设计 系 部： 物理与机程学电工院 专业班级：11级电子信息工程1班 学生姓名： 指导教师：

完成时间： 2013年10月13日 报告成绩：

评阅意见： 评阅教师 日期

十字路口交通管理控制器的设计

一、设计任务与要求

任务说明：在主、支道路的十字路口分别设置三色灯控制器，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮要求压线车辆快速穿越。根据车流状况不同，可调整三色灯点亮或关闭时间。

设计要求：

1、基本部分 (1) 自制稳压电源；

(2) 主道路绿、黄、红灯亮的时间分别为60秒、5秒、25秒；

次道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、65秒； (3) 主、次道路时间指示采用倒计时制，用2位数码管显示。 时序关系应该符合如下要求：

时钟电路 计 数 器 组合电路 次道计数译码显示组 合 逻 辑 电 路 主主主绿黄红次次次绿黄红 组合电路 主道计数译码显示秒脉冲电路 1.1、交通管理控制器框图

1.2、主次道路交通灯工作时序图

2、发挥部分

(1) 主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置； (2) 主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整； (3) 其它。

循环周期 次道路绿灯： 次道路黄灯： 次道路红灯： 65秒 20秒 5秒 主道路绿灯： 主道路黄灯： 主道路红灯： 60秒 5秒 25秒 二、方案设计与论证

在主、支道路的十字路口分别设置三色灯控制器，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮要求压线车辆快速穿越。根据车流状况不同，可调整三色灯点亮或关闭时间。

根据题目要求，主道路绿、黄、红灯的亮间分别为60S、5S、25S，次道路绿、黄、红灯；亮的时间分别为20S、5S、65S。其时序关系如主次道路交通灯工作时序图。根据要求中交通指示灯定时亮灭，时间指示采用倒计时显示，则需要由状态控制器、定时系统、计数器和时钟电路等来满足。状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过译码器分别点亮相应状态的信号灯。秒信

号发生器产生整个定时系统的时钟脉冲，通过减法计数器对秒脉冲计数，达到控制每一种工作状态的持续时间。减法计数器的的回零脉冲时状态控制器完成状态转换。

2.1、总体设计框图

方案一：

图四为交通灯控制器的一个参考设计方案，在这一方案中，系统由控制器、定时器、秒脉冲信号发生器、信号灯组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作。秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需要的标准信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。Tl和Ty为定时器的输出信号，St为控制器的输出信号。

2.2、交通灯控制器框图

Tl：表示主道路或次道路绿灯亮的时间间隔，即车辆正常通行的时间间隔。定时到Tl=1，否则Tl=0.

Ty：表示黄灯亮的时间间隔，定时到，Ty=1，否则Ty=0.

St：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。 方案二：

根据分析功能与设计要求，可以用12片减计数的芯片（如74LS192）实现上述功能，其总体电路图如下所示，初始状态设置为主干道绿灯亮、支干道红灯亮，在电路工作后，各个灯的显示均设置为灯亮的时间。该设计的主要思路是将当前状态的借位信号与秒脉冲通过与门一起作为该状态减计数端的触发信号。减计数器74LS192的借位输出端在电路正常工作后即输出高电平，如果向高位借位，则会输出低电平，触发状态的转换，进而封锁当前的状态，进入下一状态。至于交通灯的模拟显示，则可用三色信号灯来实现。 将计数器的各个灯的借位输出端信号接到相应的三色灯输出显示，三色灯的接法可以根据实际的情况进行改变，做到接线精确而少的目的。

2.3、方案二原理图

方案三：

EDA技术是现代电子设计技术的核心，依靠功能强大的电子计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化和仿真，直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA或专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片中，实现既定的电子电路设计功能。EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台来完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本。运用EDA技术，使用Verilog HDL语言编写程序，借助Quartus软件对程序进行仿真，最终达到设计要求，其基本的流程图如下所示。

原理图 功能仿真 综合 适配 时序仿真 编程下载 FPGA/CPLD 程序清单

2.4、方案三流程图

方案四：

该种方案的设计思路是将三态门（74LS46）构成的电路作为信号选择输入控制器，将其使能端G1接低电平，三片74LS46的使能端G2'作为控制端，根据G2'的高低电平，将主干道的绿灯、支干道的绿灯和主干道的黄灯的显示情况输入到三态门，三态门的输出控制着译码显示部分的显示。译码选择采用两片74LS192，将其置数端接在一起，两借位输出端通过或门一起作为置数端的控制信号，再将或门的输出通过反相器接到三色灯的时钟信号端，作为三色灯控制电路的输入信号。三色灯采用一片74LS163进行控制，通过时钟脉冲进而实现输出显示，其系统的设计流程图如下所示。

主干道绿灯亮，支干道红灯亮计数器由60秒到0递减计数 主干道黄灯亮，支干道红灯亮计数器由5秒到0递减计数 主干道红灯亮，支干道绿灯亮计数器由20秒到0递减计数 主干道红灯亮，支干道黄灯亮计数器由5秒到0递减计数

2.5、方案四的系统工作流程图

方案论证分析与选择

方案一可以通过能自动装入不同定时时间的定时电路以完成定时任务。但其不能满足主次道路通行时间不同的要求。故舍弃方案一。

方案二与方案四的基本原理相似，但方案二用到的元器件数量太多，比如减计数器74LS192有12片，数码管12个，能进行设计仿真得出正确的结果，但是在实际工作中一般不会去选择这个方案，元器件多，电路连接起来复杂，在实际中还需要考虑到布线与延时、以及环境影响等问题，所以舍弃方案一。

方案三利用EDA技术，Quartus II进行仿真设计，就目前来说，这个软件相当的成熟，能实现既定的电子电路设计功能，并且使硬件与软件很好的联系起来，实现对系统功能的仿真。但是使用Verilog HDL语言编写的程序初学者看起来很复杂，再借助Quartus II软件对程序进行仿真，最终达到设计要求很困难。因此，此方案在目前这种情况下不可取。

方案四电路原理简单，其电路设计也较方案二有很大的改进，其数码显示共用两只数码管就能实现，三态门的运用极大的改善了电路的结构，使电路简单而可靠，而且也比较符合实际工作的需要。

综上所述的分析可以知道，方案四为最优方案，无论从实际情况还是模拟仿真，均能得到很好的效果，而且其电路简单、直观，比较适合一般场合。所以选择方案四进行设计。

三、单元电路设计与参数计算

本方案整体组成是2个大部分：主道路和次道路。但是由于主次道路除计数器预置的初始值不同外，其余均相同。因此，只对主道路做说明。如下： 3.1、秒脉冲发生器电路

秒脉冲主要用于提供主道和次道计数器的时钟源，秒脉冲可以由以下几种方案得到。 方案一： 采用晶振产生时钟信号，经多次分频后得到1Hz的秒脉冲，

采用石英晶体振荡器的优点是计时准确，精度很高，但也存在电路设计较为复杂的缺点。具体实现电路如图采用石英晶体振荡器输出地脉冲经过整形、分频获得1HZ的秒脉冲，该电路用晶体振荡器32768HZ经14分频器分频为2HZ，再经一次分频，即可得到1Hz标准秒脉冲，供计数器使用。

3.1、石英晶体振荡器秒脉冲发生器电路图

方案二：利用555定时器组成的秒脉冲信号发生器。因为该电路输出脉冲周期为：Tph=0.7（R1+R2）C Tp1=0.7R2C,故若T=1S,令C=10µF，R1=43K，R2=50K，经过计算得T=1S，则f=1/T=1Hz。从而使输出脉冲周期为1S。

3.11由555定时器组成的秒脉冲信号产生电路图

该方案原理较为简单，涉及原器件较少，虽然输出脉冲精度较差，但是交通灯控制系统并不需要精确的计时，综合考虑，采用第二种设计方案。 3.2、控制器电路

信号灯有三种不同的状态，分别用S0（主绿灯亮）表示、S1（主黄灯亮）、S2（主红灯亮）表示，其状态编码即状态及状态转换图如下图所示。

3.2、信号灯顺序流程图

3.3、交通灯显示电路

主、次道路上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系见下图。对于信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。

3.3信号灯信号真值表 根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为：

现在选择半导体发光二极管模拟交通灯，根据逻辑表达式设计组合电路以达到交通灯状态转换。故状态译码器的电路组成如图所示。

3.31状态译码器的电路

3.4、计时和显示电路

根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，以完成60秒、20秒、5秒的定时任务。该定时器由两片74LS192构成的两位十进制可预置减法计数器完成；时间状态由两片74LS373和两支LED数码管对减法计数器进行译码显示。电路如图3-3-1所示。

例如当S1(Q1Q0=00)时，要求减法计数器按初值60开始计数。Q1Q0经过译码器74LS139译码后，得到的输出为A3A2A1A0=1110。此时只有A0的输出为低电平，由A0去选中相应的锁存器，使锁存器中的数据置入两个计数器，使计数器以置入的数据进行递减计数。当减到00时，两个计数器的借位输出端均为低电平0，通过两个非门74LS04后，其借位输出均变为1，再经过一个与非门74LS00后,变为0，使RS触发器置0，从而控制两个计数器重新置数。同时，RS触发器输出的低电平信号还会作为主控器的时钟信号，使主控器加1计数。按照此规律进行循环。

3.4、计时和显示电路 3.5、时间预置和调整部分

使用锁存器74LS373保存所预置的时间数据，通过开关的闭合和断开置入数据。开关闭合时，接低电平，置0。断开时，相应端子悬空，由于TTL系列芯片悬空时默认为接高电平，故此时置1。如此，通过三组（每组8个）开关，可以完成实时的预置数和调整时间功能。由于74LS373的使能端OE接高电平时，相应的输出为高阻态，因此可以通过主控器来控制3个锁存器的使能端，使任意时刻只有一个锁存器的OE为低电平，该锁存器输出其所保存的数据。其余的两个锁存器的OE端均为高电平，因此，其输出端均为高阻态，故不会影响置数功能。

每个锁存器与相应的信号灯的相对应，当该信号灯亮时，定时器会自动置入相应锁存器保存的时间数据，从而完成及时和显示功能。说明：图中所用的拨码开关每组包含八个子开关，每其中个子开关的一端并联在一起，接低电平。闭合时，相应电路为低电平。断开时，相当于悬空。

3.5、时间预置和调整电路

3.6、电源模块：

利用变压器将AC220V变到AC12V再用7812和7805进行稳压，输出+5V电压。

3.6、 电源电路

四、仿真过程与仿真结果

4.1、秒脉冲发生器电路仿真结果

4.2状态灯控制模块仿真

主干道进入5秒黄灯状态图 次道路进入 5秒黄灯状态图 4.3、数码管显示模块仿真结果

主干道60秒倒计时 次干道65秒倒计时 注：以上截图非同一时刻的主次干道截图 4.4、总电路仿真图

五、总原理图及元器件清单

5.1、总原理图

主干道总原理图

次干道总原理图

5.2、元件清单

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 器材名称及型号规格 743S192 743S175 NE555N 74LS00 74LS573 单排针 单排座 IC座8P IC座16P IC座20 排阻103 电解电容10uF 电解电容220uF 电解电容2200uF 瓷片电容104 LED（5mm）红 LED（5mm）黄 LED（5mm）绿 领用数量 4 2 1 2 3 5 2 2 8 4 3 3 3 2 5 2 2 2 19

一位共阴数码管 4 六、安装与调试

6.1电源模块：

将电路板焊接完成之后，就进入了最后的调试阶段，将芯片插上之后，7812的输出端输出12.1V的电压，还算是正常的，在7805的输出端电压为5.03V也是正常的，所以说电源没有多大问题，经过使用发现这两片7812和7805稳压管会发烫得很厉害，分析其原因，是因为压降太大，导致稳压管发烫。 6.2时钟模块：

在焊好后，进行调试时间，使其周期为1秒是，其7,8脚之间的电阻约为43千欧，7,6脚之间的电阻约为57千欧，使其输出周期为1秒。 6.3其他模块：

通过测量，其他的模块都可以运行，只是计数模块中，有时会连续跳两次。当检查完毕后，将其每一个模块组成两组红绿灯，一组为主道，另一组为次道。再进行调节主次道的红绿灯所亮的时间： 主道：红25秒；黄5秒；绿60秒； 次道：红65秒；黄5秒；绿20秒。

但调到此时，每道红绿灯时间是对的，但是其两道的红绿灯不能完全对立，这是这次实训做得最不好的地方。

七、性能测试与分析

从原理图上分析，理论上是可行的，仿真图能很好地实现所有的功能。但在实际的调试过程中，给其适当的脉冲，出现了数码管不能准确地控制交通灯的亮灭，其有一段反应时间，无法按要求实现测试。经反复地查找原因，还是无法完全实现。调试电路过程中，曾遇到了一些问题，主要原因是电路的走线较为复杂，交叉的线多，所以在焊接电路的时候很容易出错。最后，经过一番认真的调试，电路可以正常工作，达到了设计目的。

八、结论与心得

本次十字路口交通管理控制器的设计实训让我最大的发现是软件仿真成功与实际电路制作成功存在的差距，而这个差距更甚至导致设计差点失败。设计思

路是实施操作的扎实基石。一个良好的设计思路，是电路的生命。本次课程设计在其基础上添加了一点难度，我第一次设计的电路不能完全满足课设要求。在此期间我的设计一筹莫展，后来我放弃了开始的方案从新开始设计，最终得到了满足要求的电路，但是由于我的水平有限，电路并不是最合理最完善的电路，其中存在许多需要改进的地方。此外通过对这次设计，我不仅学会了更多的知识，而且让我看到了理论与实际的联系，知道了理论知识的重要性。在我们以往的学习过程中，刻意地去加强理论的基础，对于应用性的作业我们接触的很少。因为在设计电路时，由于对理论掌握不够，无法正确指导实践，以至于只会一步步盲从，走入误区而不自知。所以加强理论学习也是尤其重要的。此次设计性大作业将理论与实践有机地结合，既考察了我们对理论知识的掌握情况，还增强了我们解决实际问题的能力，更主要的是它激起我们创新思维，为今后的进一步学习创下良好条件，真可谓一举多得。在这次设计之前的准备工作中，宁愿在思路设计上多花上50%的时间，因为前期看似慢，实际上恰恰给后期的制作带来很大的方便，效果往往是更节省了许多时间。同时也要考虑到实际的被提供元器件情况。比如该实训中我出现的错误，提供的数码管封装与所绘制的原理图、PCB封装不相符合，导致要重新绘制PCB，浪费了大量的时间。

设计制作慢工出细活，在制作过程中，马虎不得，粗心不得，特别是电子类的设计制作更应该如此。一步一步来。尤其是在焊元件时，更是容易虚焊，或是把其他线焊连起来了。导致调试时，得不到正确的功能，而找不到原因。此外，要充分利用网上的资料，图书馆的资源，添补课上所学的空白，掌握最先进的知识，使自己的知识系统化，更加完善，更能出色的完成设计题目。比如这次在刚开始，我理不清头绪，无从下手，但通过认真研究设计课题，跑图书馆查资料、确定基本设计方案、对所用芯片功能进行查找、调试、上机仿真等，经历了一次次的困难，却积累了很多宝贵的经验，并在此基础上有所创新。通过此次实习，让我看到了自己的水平和差距。我也将是继续努力。

总之，通过这次课程设计我收获颇多，也从中得到了不少乐趣，希望以后有更多的机会来做这种实践练习。

九、参考文献

1.电子电路分析与设计（第3版）数字电子技术 清华大学出版社

2.《电子技术基础-数字部分》 高等教育出版社 4 .数学电路与逻辑设计 西安电子科技大学出版社 5. 数字集成电路---电路.系统与设计(第二版)

6. 74系列芯片的应用. 现代电子技术（半月刊）.第128期

附录

附件一：部分集成电路说明 同步四位二进制计数器74LS163 74LS163的逻辑功能

74LS161的逻辑符号

功能表

时序图：

在multisim中74LS163功能的实现

可预置的4位二进制同步加/减计数器74LS192

功能表

时序表：

在multisim中74LS192功能的实现