1、武漢理工大學交通信號燈控制設計課程設計說明書交通信號燈控制器設計1 方案設計意義及要求1.1 方案設計意義現代城市中，人口和汽車日益增長，市區交通也日益擁擠，人們的安全問題也日益重要。因此，紅綠交通信號燈成為交管部門管理交通的重要工具之一。有了交通燈人們的安全出行有了很大的保障。 自從交通燈誕生以來，其內部的電路控制系統就不斷的被改進，設計方法也開始多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化。尤其是近幾年來，隨著電子與計算機技術的飛速發展，電子電路分析和設計方法有了很大的改進，電子設計自動化也已經成為現代電子系統中不可缺少的工具和手段，這些為交通燈控制電路的設計提供了一定的技術基礎。1.2 方案設計

2、要求運用模擬 電子技術和數字電子技術以及電路原理的相關知識設計出交通信號燈的控制電路，完成下列的要求：1. 假設一路口為東西南北走向。初始狀態0為東西紅燈，南北紅燈，2. 然后轉狀態1東西綠燈通車，南北紅燈。3. 過25s轉狀態2，東西綠燈滅，黃燈閃爍5次，南北仍紅燈。4. 再轉狀態3，南北綠燈通車，東西紅燈亮。5. 過20s轉狀態4，南北綠燈滅，閃5次黃燈，東西仍是紅燈。6最后循環至狀態1，如此不斷周期循環下去。 2 方案設計內容21 方案設計思路方案設計要求南北方向和東西方向的交通信號燈的周期不一樣，南北方向是紅燈30秒、綠燈25秒、黃燈閃爍3秒。東西方向是紅燈25秒、綠燈20秒、黃燈閃爍

3、5秒。但是南北方向和東西方向是相對稱的，其交通信號燈的狀態轉換圖如下：狀態2南北紅燈亮 5秒東西黃燈閃 5秒狀態1南北紅燈亮25秒東西綠燈亮20秒狀態4南北黃燈閃 5秒東西綠燈亮 5秒狀態3南北綠燈亮20秒東西綠燈亮20秒圖2-1 交通指示燈狀態轉換圖 2.2 方案設計2.2.1 方案一（個人方案）設計原理交通信號燈控制原理圖如下圖所示：計數器實現五十五進制555定時 器計數器實現五進制移位寄存器南北方向信號燈東西方向信號燈 圖2-2 交通信號燈控制原理圖 根據設計方案的要求，我們可以依據南北方向和東西方向交通信號燈的亮滅情況畫出以下的時序狀態圖： 圖2-3 交通信號燈狀態時序圖 首先用NE5

4、55定時器產生1Hz脈沖作為時鐘脈沖信號源，用74LS161構成五進制計數器，產生五進制數，并且每五秒自動清零，同時利用清零信號給74LS164移位寄存器一個脈沖信號，使移位寄存器每5秒發生一次移位，然后通過74LS164移位寄存器分別實現5秒，20秒，25秒和30秒的循環控制，30秒后禁止信號輸入移位寄存器，再過25秒信號又可以重新輸入移位寄存器，這樣就可以分別使東西方向和南北方向對應的紅燈和綠燈亮和滅，最后用黃燈信號和脈沖信號源進行與邏輯運算，使得黃燈能夠每秒閃爍一次，閃爍時間為5秒。由于南北方向和東西方向的紅燈和綠燈的亮滅的時間不相等，南北方向紅燈亮30秒，綠燈亮25秒，黃燈閃爍5秒；東

5、西方向紅燈亮25秒，綠燈亮20秒，黃燈閃爍5秒，所以南北方向周期為30秒，東西方向周期為25秒，總周期為55秒。因此利用一片74LS161和構成五進制計數器的74LS161級聯起來構成一個55進制的計數器，再利用其清零端接到74LS164移位寄存器的清零端，實現移位寄存器的每55秒清一次零，從而達到對南北方向和東西方向周期不相等的控制，達到方案設計的要求。總電路圖見附錄2.2.2 方案二（小組方案）設計原理 人機交互界面單片機微處理單片機微處理人行道信號燈緊急情況 控制主干道信號燈圖2-4 方案二電路原理框圖 通過單片機寫入符合題意的程序，之后小組的成員還一起討論了，還增加了紅燈時長可編輯、緊

6、急情況的控制和人行道紅路燈等附加功能，再接上一定的外圍電路，通過程序控制I/O口的輸出狀態控制所接外圍電路的狀態來實現交通信號燈控制。總電路圖見附錄2.3 方案比較 方案一是利用555定時器來產生1Hz的脈沖，利用數據選擇器的選擇功能和移位寄存器的移位功能來實現對南北方向和東西方向不同周期的信號燈的控制，電路的設計思維容易理解，但是所用到的元器件較多較復雜，電路的接線相對要復雜。方案二是利用單片機處理器，通過軟件編程來實現設計所要求的功能，簡單明了，便于控制，并且功能上的擴展性也很強，但是相對于方案一需要更高的要求，要對匯編語言及單片機的工作原理有較深的理解。3 單元電路原理設計3.1 秒脈沖

7、信號發生器設計圖3-1 秒脈沖電路原理圖時鐘信號產生電路主要由NE555定時器、電容和電阻組成震蕩器，產生穩定的脈沖信號，送到狀態產生電路，狀態產生電路根據需要產生一定的“0” 、“1 ”信號，電路圖如下圖所示：所以時間周期就是：T=C=1s經計算可得R1=46k R2=50k 產生的秒脈沖通過3端口輸出 NE555管腳圖如圖： 圖3-2 NE555管腳圖3.2 五進制計數器設計要實現五進制計數，用74LS161四位二進制同步加法計數器，該計數器能同步并行預置數據，具有清零置數，計數和保持功能，具有進位輸出端，可以串接計數器使用。它的管腳排列如圖2-3所示：圖3-4 74LS161管腳圖 管腳

8、圖介紹：時鐘CP和四個數據輸入端P0P3清零/MR使能CEP，CET置數PE數據輸出端Q0Q3以及進位輸出TC. (TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET) 下圖為74LS161的功能表：表3-1 74LS161功能表 從74LS161功能表功能表中可以知道，當清零端CR=“0”，計數器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態分別與并行數據輸入端D3，D2，D1，D0的狀態一樣，為同步置數功能。而只有當CR=LD=EP=ET=“

9、1”、CP脈沖上升沿作用后，計數器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理應用計數器的清零功能和置數功能，一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器。所以可以利用一片74LS161實現五進制加計數，將CR=LD=EP=ET=“1”，D3,D2,D1,D0接地，二進制的五為（0101），故將Q2,Q0連到同一與非門后接CR清零端，每五個脈沖清一次零，實現五進制加計數器，同時利用清零信號，每五秒給74LS164移位寄存器一個脈沖信號。五進制電路連接圖如下圖所示： 圖3-5 五進制計數器電

10、路圖3.3 五十五進制計數器設計 因為南北方向和東西方向交通信號燈的周期不一樣，南北方向是30秒，東西方向是25秒，如果要用一片移位寄存器實現的話，就必須對移位寄存器定時清零，不然就會出現5秒的空白時間。但是總的周期是不變的，為55秒，所以利用兩片74LS161構成五十五進制計數器，前一片接成五進制，后一片接成十一進制的，這樣就使前一片的74LS161參與了兩個電路功能，達到使用減少的元件實現較多功能的目的。同時利用第二片74LS161的清零信號接到后面移位寄存器的清零信號，從而實現每55秒清一次零，這樣就可以解決南北方向和東西方向周期不相等的問題了。 五十五進制電路連接圖如圖所示： 圖3-6

11、 五十五進制計數器電路圖3.4 移位寄存器74LS164為8位移位寄存器，當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QAQH）均為低電平。串行數據輸入端（A，B）可控制數據。當A、B 任意一個為低電平，則禁止新數據輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0 為低電平。當A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數據，并在CLOCK 上升沿作用下決定Q0 的狀態。引出端符號CLOCK 時鐘輸入端 CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效） A，B 串行數據輸入端 QAQH 輸出端 74LS164封裝圖如下圖所示：圖3-7 74LS164封裝圖 74LS164邏輯圖如下圖所示： 圖3-8 74

12、LS164邏輯圖 74LS164真值表如下圖所示：表3-2 74LS164真值表 74LS164時序圖如下圖所示： 圖3-9 74LS164時序圖采用74LS164八位移位寄存器可以實現對南北方向紅燈30秒、綠燈25秒、黃燈5秒和東西方向紅燈25秒、綠燈20秒、黃燈5秒的控制。利用接成五進制的74LS161的清零信號作為74LS164的觸發信號，使移位寄存器每5秒移一次位，并且利用11腳來控制移位寄存器的串行信號的輸入，即每六個脈沖到來后就禁止信號的輸入，再利用接成五十五進制的74LS161的清零信號作為74LS164的清零信號，每55秒對移位寄存器清一次零，從而實現總周期為55秒的功能。移位

13、寄存器電路連接圖如下圖所示： 圖3-10 移位寄存器電路連接圖 3.5 信號燈控制3.5.1 紅燈信號控制南北方向的紅燈亮燈時間為30秒，所以用Qf取反后與其相連；東西方向的紅燈亮燈時間為25秒，所以將Qe與Qd相與后與其相連。3.5.2 綠燈信號控制 南北方向的綠燈亮燈時間為25秒，所以用Qd和Qf相與后與其相連；東西方向的綠燈亮燈時間為20秒，所以將Qe和Qf分別取反后再相與獲得。 3.5.3 黃燈信號控制黃燈信號的獲得比綠燈、紅燈要稍復雜，南北方向的黃燈信號通過Qd和Qe相與獲得，要實現其每秒閃爍一次，用其再和1Hz時鐘脈沖相與即可。東西方向的黃燈信號則通過Qe與Qf取非之后相與，再和1

14、Hz時鐘脈沖相與獲得。具體信號燈控制電路連接圖如圖所示：圖3-11 交通燈信號控制電路 4調試及檢測4.1 制作按照總的電路圖，規劃電路總布局，以使電路連接簡單、明了。首先一個模塊一個模塊連接，連接好一個模塊，就檢測一個，包括芯片，電路板，及導線是否接正確且接穩等，以防整體檢測時不必要的麻煩。4.2 調試過程整體連接完畢，進行調試，看是否和仿真結果相同。如有出入，仔細檢測電路，查出問題所在。這樣不斷調試，直到達到預期結果。首先對時鐘信號脈沖源進行調試，看是否產生1Hz時鐘信號，如果不能產生脈沖，檢測555定時器的引腳是否接對，電阻和電容是否接正確，阻值和電容值是否正確，如果不是這些問題，就通過

15、換芯片，看是否是芯片的問題，如果芯片也沒問題，就再檢查設計原理是不是出了問題。 再對五進制計數器和五十五進制計數器進行測試，看是否為五進制計數和五十五進制計數，然后測試移位寄存器的工作是否正常，最后檢驗信號燈是否達到預期目標，若是沒有按預期的工作，檢查邏輯門是否正常工作，導線是否連接到位。進過不斷調試后，交通燈控制電路達到了預期的全部功能。4.3 調試過程中發現的問題及解決調試過程中難免發現一些問題：（1） NE555定時器沒有產生1Hz的秒脈沖，而始終輸出為高電平，經過仔細檢查后，發現原來是NE555的2腳和6腳沒有接在一起導致無法正常工作。（2） 74LS161五十五進制計數器不能正常工作

16、，后來經過檢查發現是沒有將清零信號返回到MR端所致（3） 對于小組方案，在設計過程中，也出現了一些問題使得單片機異常工作，但都是常見的小問題，如：代碼中雙引號的使用并不是在英語書寫狀態下，輸入字母出錯等，在調試時出現異常，不過這些都是經常性錯誤，經過調試修改都一一解決，程序順利完成，并實現了其功能。 調試過程中雖然發現了很多問題，不過經過檢查一一解決。5 仿真操作步驟及使用說明5.1 仿真操作步驟5.1.1 秒脈沖源的仿真按原理圖在protues中畫好1Hz脈沖源的電路圖，在端口3（即脈沖輸出端口）接上一個示波器，開始仿真，調節示波器觀察波形及周期是否符合設計要求，不符合繼續調試直到符合，符合

17、后進行下一步仿真。5.1.2 五進制計數器的仿真按原理圖在protues中用74LS161接好五進制的電路圖，接庫文件中的1Hz脈沖源開始仿真，觀察74LS161的輸出端口高低電平變化是否符合每秒加1，每5秒鐘循環一次，不符合進一步調試直到符合，符合后進行下一步仿真。5.1.3 五十五進制計數器的仿真按原理圖在protues中用74LS161接好五十五進制的電路圖，接庫文件中的1Hz脈沖源開始仿真，觀察第二片74LS161的輸出端口高低電平變化是否符合每5秒加1，每55秒鐘循環一次，不符合進一步調試直到符合，符合后進行下一步仿真。5.1.4 移位寄存器的仿真按原理圖在protues中用74LS

18、164接好電路圖，用第一片74LS161的清零信號作為移位寄存器的脈沖輸入信號，用第二片74LS161的清零信號作為移位寄存器的清零信號，再接入1Hz脈沖源開始仿真，接入示波器觀察波形，觀察是否是每5秒移位一次、每55秒清一次零。若不符合則進一步調試直到符合，符合后再進行下一步仿真。5.1.5 設計電路整體仿真 在原有電路的基礎上按照電路原理圖連接上南北方向和東西方向的交通信號燈，之后開始仿真，看是否符合設計方案的要求，若不符合則進一步調試直到成功為止。5.2 使用說明 打開仿真程序后，點擊仿真開始按鈕開始仿真，觀察南北方向和東西方向的交通信號燈的亮滅情況是否符合設計方案的要求。 結束語 通過

19、這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。此次課程設計，學到了很多課內學不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現差錯的隨機應變，和與人合作共同提高，都受益非淺。總的說來有以下幾點心得體會：1、通過這次課程設計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在整個設計過程中，我

20、們通過這個方案包括設計了一套電路原理和芯片上的選擇，并實現的電路的仿真。這個方案總共使用了74LS161，74LS164，74LS04，74LS08，74LS11，NE555定時器。2、在設計過程中，經常會遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實際接上電路，總是實現不了，因此耗費在這上面的時間用去很多。3、我認為做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內容有限，所以在這次課程設計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。4、平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實踐讓我們對各個元件映象深刻。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。所以這個期末測試之后的課程設計對我們的作用是非常大的。5、在實現部分電路功能時，要做到模塊化操作，做好一個模塊再進行下一個模塊的連接，這樣能提高很高的效率