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交通信号灯左边的 74LS161 通过清
交通信号灯电路的设计_信息与通信_工程科技_专业资料。武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 交通信号灯电路的设计 1 技术指标: 设计一种利用发光二极管作为交通信号灯的指示，实现南北、东西车道的交替通行， 要求实现南北车道方向循环显示的顺序是
武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 交通信号灯电路的设计 1 技术指标: 设计一种利用发光二极管作为交通信号灯的指示，实现南北、东西车道的交替通行， 要求实现南北车道方向循环显示的顺序是绿灯、黄灯、红灯；东西车道方向循环显示的顺 序是红灯、绿灯、黄灯。 2 设计方案及其比较： 如今，社会公路交通日趋发达，因此为控制行人和车辆通行秩序以及避免交通事故的 发生人们设计产生了交通信号灯。因为要根据不同交通道路情况指定不同的通行规则，于 是交通信号控制电路应运而生。 2.1 设计总思路： 由于数字电路技术的逻辑性很强，用它来设计交通灯的控制系统很容易实现。只要数 字集成块在一定范围内输入，都能得到确定的输出，调试起来也比较容，电路的工作状态 会比较稳定。 这次的设计就是通过一些基本的数字芯片组合来实现对十字路通等的六个不同信 号灯的控制，另外还加以数码管显示。以做到十字路口信号灯的仿真模型，这个电路的设 计看似较为复杂，其实就是一些基本的数字电路组成。只要将整个电路的基本方向确定下 来，画出电路流程图，在对各项功能进行设计，一步步突破，后进行整理总结。 首先分析实际交通灯控制电路，从主干道（南北方向）和支干道（东西方向）入手， 路口均有红、黄、绿三个交通灯显示数码管。其示意图如下： 图 1，十字路通信号灯控制示意图： 为了相对的更符合实际情况，我们取 S0,S1,S2,S3 分别为 27s，3s，27s，3s，即：要 求实现逻辑功能，在 1-3 状态循环。 1、东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间 27s； 1 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 2、东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮，时间 3s； 3、南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间 27s； 4、南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮，时间 3s； 图 1 十字路通信号灯控制示意图 2.2 方案一 设计电路图如图所示（为了能让读者观察方便，我们将图二完整的电路图拆分成图三 与图四两部分）： 2 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 图 2 完整电路图 图 3 部分电路图 其中 74LS161 的 CLK 接受方波脉冲，74LS138 的 Y0、Y1、Y2、Y3 去置数和控制信 号灯的状态。左边的 74LS161 通过清零反馈实现十进制计数，右边的 74LS161 通过清零反 馈实现六进制计数，其中，由于 74LS161 是通过上升沿来触发的，所以我们在 Q2，Q3 接 个与非门来实现十进一的功能。经过 74138 译码后控制交通灯的状态变化以及置数的变化， 从而控制整个系统，其中 74160 的 QC 端经过一个非门接其置数端，当 QC 为 1 时，计数器 置数回到 0，从而控制电路的状态循环，同时 QA，QB 的变化经过译码器 74138 后控制整 3 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 个电路及交通灯的循环。 74LS160 是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器 , 管脚图如 5。只有当 EP、ET 均为高电平时才能正常工作。 整个交通灯状态分为四部分，线。横纵向干道的红、黄、绿信号灯 主要由状态控制器输出决定。用 1 表示灯亮。用 0 表示灯不亮。 时间 0~26 27~29 30~56 57~59 表 1 交通灯状态真值表 对应二进制 横向的交通信号灯 纵向的交通信号灯 红(R1) 黄(Y1) 绿(G1) 红(R2) 黄(Y2) 绿(G2) 0000 0000~0010 0110 0 0 1 1 0 0 0010 0111~0010 1001 0 1 0 1 0 0 0011 0000~0101 0110 1 0 0 0 0 1 0101 0111~0101 1001 1 0 0 0 1 0 根据表中数据，可得出各个信号灯与时间的关系。如下表 2 所示： 红(R1) 十位 个位 0011 0000~1001 0100 0101 表 2 信号灯与时间关系表 黄(Y1) 绿(G1) 十位 个位 十位 个位 0010 0111 0000 0000~1001 1000 0001 1001 0010 0000~0110 红(R2) 十位 个位 0000 0000~1001 0001 0010 黄(Y2) 十位 个位 0101 0111 1000 1001 绿(G2) 十位 个位 0011 0000~1001 0100 0101 0000~0110 即： 4 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 R1 ? Y3Y4Y5 R2 ? Y0Y1Y2 Y1 ? Y2 ? Z7 QD1 Y 2 ? Y2 ? Z7 QD1 G1 ? Y0Y1 ? Y2 ? Z0Z1Z2Z3Z4Z5Z6 G2 ? Y3Y4 ? Y5 ? Z0Z1Z2Z3Z4Z5Z6 其中，Y0 Y1 ?Y7 分别表示译码器 U2 的 8 个输出端口， Z0 Z1 ? Z7 分别表示译码器 U6 的 8 个输出端口。QD1 表示计数器 U1 的第 11 端口。根据上式，即可列出相应的逻辑电 路图。 2.3 方案二 电路设计图如图所示： 图 4 部分电路图 5 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 图 5 方案二电路图 下面我们具体介绍一下电路。 控制器：十字路口的车辆运行情况由以下 4 种可能：A 主干道通行支干道不通行，此 时主绿灯支红灯亮，持续 27 秒。B 主干道停止，支干道仍不通行，此时主黄灯支红灯亮， 持续 3 秒。C 主干道不通行支干道通行，此时主红灯支绿灯亮，持续 27 秒。D 主干道仍不 通行支干道停止，此时主红灯支黄灯亮，持续 3 秒。则主控制器有 S0、S1、S2、S3 四种 状态。因此主控制器可由 74LS161 接成四进制计数器实现这四种状态。 U12 NOT 3 4 5 6 7 10 2 9 1 D0 U13 Q0 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 RCO 14 13 12 11 15 ENP ENT 74LS161 CLK LOAD MR 图 6 控制器电路图 6 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 计数器：计数器有两个作用：一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间 进行 30 秒，27 秒，3 秒 3 种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根 据状态转换信号进行转换。计数器工作状态由主控制器控制：S0 状态时，计数器开始 30 秒 计时，30 秒后产生归零脉冲并向主控制器发出状态转换信号，计数器归零，主控制器进入 S1 状态，计数器开始 3 秒计时，5 秒后产生归零脉冲并向主控制器发出状态转换信号，计数 器归零，主控制器进入 S2 状态，计数器开始 27 秒计时，27 秒后产生归零脉冲并向主控制 器发出状态转换信号，计数器归零，主控制器进入 S3 状态，，计数器又开始 3 秒计时，3 秒 后产生归零脉冲并向主控制器发出状态转换信号，计数器归零，主控制器回到 S0 状态。开 始新的循环。 控制信号灯译码电路：如表所示 表 3 信号灯与状态关系表 状态 对应六个灯的状态 A B 红(R1) 黄(Y1) 绿(G1) 红(R2) 黄(Y2) 绿(G2) 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 U3 NAND 3 4 5 6 7 10 2 9 1 D0 U6 Q0 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 RCO 14 13 12 11 15 ENP ENT 74LS161 CLK LOAD MR 即得出关系式为： 1 2 3 6 4 5 A U2 Y0 B Y1 C74LS138 Y2 Y3 Y4 E1 Y5 E2 Y6 E3 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 U5 NAND 3 4 5 6 7 10 2 9 1 D0 U1 Q0 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 RCO 14 13 12 11 15 ENP ENT 74LS161 CLK LOAD MR 图 7 计数器电路图 7 1 2 3 6 4 5 A U4 Y0 B Y1 C74LS138 Y2 Y3 Y4 E1 Y5 E2 Y6 E3 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 R1 ? A Y1 ? A? B R2 ? A Y2 ? A?B 相应的电路图如图所示： A G1 ? A? B G2 ? A?B B NOT U17 AND U18 AND U20 AND U21 AND D1 LED-GREEN D2 LED-YELLOW D3 LED-RED D4 LED-GREEN D5 LED-YELLOW D6 LED-RED R1 10 图 8 信号灯电路图 多谐振荡电路：秒振荡电路可由 555 多谐振荡器构成，其震荡频率为 f=1/(R1+2R2)Cln2, 通过改变 R 和 C 的参数改变其频率为 1Hz 参数计算如下：取 C2=10 ? F，要得到 1HZ 的方 波 信 号 ， 低 电 平 时 间 T2=0.5S ， 高 电 平 时 间 T1=0.5S 由 （ R1+2R2 ） C*0.69=T ， T1=(R1+R2)*C*0.69，T2=R2*0.69*C，得：R2=72.4k，R1=0。 8 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 BAT1 9V R5 50k C1 10nF R6 50k 4R 5 CV VCC 8 U1 Q3 DC 7 1 GND 2 TR TH 6 NE555 A B C +88.8 Volts D C2 10uF 图 9 多谐振动器电路图 2.4 方案三 考虑到所给的实验器材有限，很难完成上述两个较为复杂的电路，所以第三个方案我 们根据已有的实验器材设计一个较为简单的电路。 实验电路原理图如图所示： R3 300 B1 4 R 6V Q3 DC 7 5 CV U1 NE555 2 TR TH 6 VCC 8 R1 50k U2 3 4 5 6 7 10 2 9 1 D0 D1 D2 D3 ENP ENT CLK LOAD MR Q0 Q1 Q2 Q3 RCO 14 13 12 11 15 74LS161 R2 50k 1 GND C1 10nF C2 10uF U3 1 2 3 A B C 6 4 5 E1 E2 E3 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 74LS138 图 10 方案三电路图 1 2 U4:A 13 74LS11 D1 LED-GREEN1 12 1 U5:A 3 2 74LS08 D4 LED-YELLOW1 D6 LED-RED2 3 4 U4:B 5 74LS11 D2 LED-GREEN2 6 4 U5:B 5 74LS08 D3 D5 6 LED-RED1 LED-YELLOW2 根据以上的设计，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 9 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 成甲车道 3 秒，1 秒，4 秒，乙车道 4 秒，3 秒，1 秒的定时任务。该定时器由 1 片 74LS161 构成的十六进制可预置数加法计数器完成；时间状态由带译码器的 led 数码管对加法计数 器进行译码显示；预置到加法计数器的时间常数，通过状态控制电路的译码器 74138 的输 出端 Y0、Y1、Y2、Y3。当状态控制器 74LS161 的输出 QCQBQA=000，001，002 时经过 译码器 74138 后对应的输出为低电平，经过三输入非门，就可以控制相应绿灯的状态。此 时只有在 000，001，010 时对应输出为低电平，同理，状态控制器状态变化时，通过对应 门电路去控制灯的电位，这样就形成了置数的循环控制，实现了交通的定时循环系统。 其实交通的定时系统分为 4 部，甲车道为 3 秒、1 秒、4 秒，对应乙车道为 4 秒、3 秒、 1 秒。正好用译码器的四个输出端 Y0Y1Y2Y3 来控制，因为 Y0Y1Y2Y3 为低有效所以经过 非门后 只有其中一个端口有效置数。 2.5 方案比较 从电路布线来看，方案三简单，方案一二较为复杂。就原理上来说方案一二也虽然 电路复杂，但原理简单。方案一三原理基本相同，直接通过译码器以及相关的门电路设计 相应的逻辑结构。而方案二则是通过四个关键的时间点，结合相应的门电路，一旦到了那 个时间点，就出发相应的四进制计数器，通过该计数器的四种不同状态以及对应的不同输 出从而可以控制灯的亮暗。 3 实现方案 3.1 电路布线及原理 本次试验本小组选用方案一作为用来实现要求的方案。其电路图如方案一中图 10 所 示，下图 11 为测试电路的布线 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 图 11 电路布线 各个元器件的说明 名称 直流稳压电源 发光二极管 万用表 74HC161 74LS138 74LS11 74LS08 NE555 面包板 剪刀 镊子 导线 各个元器件说明 功能 为芯片提供电压使其正常工作 观察输出显示 帮助实验布线 参见方案二的详细说明 参见方案二的详细说明 参见方案二的详细说明 参见方案二的详细说明 参见方案二的详细说明 用于实验布线 帮助实验布线 帮助实验布线 导通电流 参见方案二的详细说明 参见方案二的详细说明 注 红绿黄个 2 个 计数器 译码器 三输入与门 二输入与门 0.01u 10u 300 27K 部分元器件的详细说明： 74HC161：74LS161 是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运 用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能。74HC161 是 4 位二 11 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 进制同步加计数器。图 12 是它的逻辑电路图，其中 RD 是异步清零端，LD 是预置数控制端， A、B、C、D 是预置数据输入端，EP 和 ET 是计数使能（控制）端，RCO（＝ET·QA·QB·QC·QD） 是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。交流波形图： 图 12 74HC161 交流波形图 表 5 是 74HC161 的功能表： 表 5 74HC161 的功能表 清零 预置 使 能 时钟 预 置 数 据 输 入 输 出 RD LD EP ET CP A B C D QA QB QC QD L ×××××××× L L L L H L ××↑ A B C D A B C D H H L ×××××× 保 持 H H × L ××××× 保 持 H H H H ↑×××× 计 数 NE555：555 定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便， 只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产 生、变换、控制与检测。 目前生产的定时器有双极型和 CMOS 两种类型，其型号分别有 NE555（或 5G555） 和 C7555 等多种。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的 驱动能力，而 CMOS 定时电路具有低功耗输入阻抗高等优点。555 定时器工作的电源电 压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电电压范围为 5～16V，负 载电流可达 200mA；CMOS 定时器电源电压范围为 5～16V，负载电流在 4mA 以下。 12 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 图 13 555 定时器原理图 555 定时器内部结构的简化原理图如图 4 所示，引脚图如图 5 所示。它由 3 个阻值为 5kΩ 的电阻组成的分压器、两个比较器 C1 和 C2 、基本 RS 触发器、放电 BJT 以及缓冲器组 成。 定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制 RS 触发器和放电 BJT 的状态。 图中 RD 为复位输入端，当 RD 为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出VO 为低电平。 因此在正常工作时，应将其接高电平。 复位（ RD ） 0 1 1 1 表 6 555 定时器功能表 阈值输入（VI1 ） 触发输入（VI 2 ） ╳ ╳ 输出（VO ） 0 ＜ 2VCC 3 ＞ 2VCC 3 ＜ 2VCC 3 ＜VCC 3 ＞VCC 3 ＞VCC 3 1 0 不变 放电管（T） 导通 截止 导通 不变 13 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 图 14 555 定时器结构图 74LS138：图 15 为常用的集成译码器 74HC138 的逻辑图，它的功能表如表 4.3 所示。 由图 15 可知，该译码器有 3 个输入端 A、B、C，它们共有 8 种状态的组合，即可译出 8 个输出信号 Y0～Y7，故该译码器也称为 3 线 线 线译码器相比较， 该译码器的主要特点是，设置了 G1，G2A 和 G2B 3 个使能输入端。由功能表可知，对于 正逻辑，当 G1 为 1，且 G2A 和 G2B 均为 0 时，译码器处于工作状态。74hc138 作用原理 于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统,在 高性能存贮器系统中,用 这种译码器可以提高译码系统的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时,译码器的延迟时 间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间,这就是说由肖特基钳位的系统译 码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计。74HC138 引脚图如下： 图 15 74LS138 结构图 表 7 74LS138 逻辑功能表 输 G1 G2A G2B C ×H ×× ××H × 入 BA ×× ×× 输 出 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 HHHHHHHH HHHHHHHH 14 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 L ×××××H H H H H H H H HL L L L L L HHHHHHH HL L L L HHL HHHHHH HL L L HL HHL HHHHH HL L L HHHHHL HHHH HL L HL L HHHHL HHH HL L HL HHHHHHL HH HL L HHL HHHHHHL H HL L HHHHHHHHHHL 74HC138 译码器除了有以上译码功能外还可以作为数据分配器来使用。数据分配是将 一个数据源来的数据根据需要送到多个不同的通道上去，实现数据分配功能的逻辑电路称 为数据分配器。它的作用相当于多个输出的单刀多掷开关。将 G2B 接低电平，G1 作为使 能端，C 、B 和 A 作为选择通道地址输入，G2A 作为数据输入。 4 调试过程及结论 通电之后，经观察，实验现象与预期结果相符，实验成功。 图 16 方案三电路图 15 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 根据我的设计，实验现象是红黄绿灯依次按设计的时间闪亮，但是实际应用中的交通 灯却是黄灯闪烁的。为了达到真正的交通灯仿真，我觉得黄灯的点亮方式还可以改进。 如果将黄灯的接电源的一端通过一定的与非门的逻辑组合接到 NE555 的 3 管脚上，由 于 555 输出的是秒脉冲，电压变化是 0V 与 5V 以一秒为周期交替出现。正好符合我们对电 压的要求。 经过我的改进后，我设计的交通灯就达到很高程度的仿真了。虽然现阶段这个设计没 有投入实际的可能，但是为我以后的设计打下了坚实的基础。 5 心得体会 首先这次课程设计是成功的，运用了数电课程知识完全独立自主地进行设计，参考的 资料只有课本和 TTL 的 74LS 系列芯片的说明书。 其次，本设计有利于巩固数电课程知识，加深对基本器件、FF、时序电路、逻辑电路 的理解。这次设计使我更加懂得了自己所学知识是多么的有限，自己的各个方面都需要再 加强。而我们要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践；才能使自己 不被社会淘汰。在这次设计中，也要感谢同组的同学的帮助，相互讨论中也使我学习了他 们不同的思考方式，训练了我的团队合作能力，使我明白了团体合作是很重要的。 在经历了多次失败后，渐渐地总结出一些好的捷径，就是在接线时按整个电路划分的 各个功能块逐一接线，接完一个功能块就给予测试通过了再接下一个功能块电路，这样做 在接错线时能更好地排除故障。 课题的要求是根据优先级别依次输入四路信号并能逐个清除掉，而我们只实现的两路 信号的输入和清除，虽说到后我们这一组没能完全达到课题的要求，但我觉得重要的 不是结果，而是努力去做的这一过程，正因为这样就不会有太多得遗憾，毕竟自己经努力 了，也解决了很多操作过程中出现的问题。 这次试验就这样结束了，后总结这次电子技术课程设计中，我受益匪浅，在接近两 周的日子里，可以说得是困难重重，举步维艰，但是在操作过程中通过老师的指点，同学 的交流，将遇到的问题逐一解决了，真的感觉到学会了很多很多的的东西，不仅巩固了以 前所学过的相关知识，更重要的是学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课 程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，要把所学 的理论知识与实践相结合起来，总结出经验和规律，从而提高自己的实际动手能力和独立 16 武汉理工大学《专业课程设计（二）》课程设计说明书 思考的能力，同时也感触到了团队协作精神的可贵。后感谢邱红老师不辞辛苦对为我们 的指导！ 6 参考文献 [1]康华光.数字电子技术基础.北京.高等教育出版社，2006 [2]杨志中.电子技术课程设计.北京.清华大学出版社，2010 [3]彭介华.电子技术课程设计指导.北京.高等教育出版社.2010 [4]陈大钦.电子技术基础实验.北京.高等教育出版社.2009 17
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