《电工与电子技术基础》课程设计报告题目简易交通信号灯控制器学院(部)班级姓名学号指导老师（签字）简易交通信号灯控制器一．课题名称：简易交通信号灯控制器技术要求：1.定周控制：主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒；2.每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡；3.分别用红、黄、绿色发光二极管表示信号灯。
*4.设计计时显示电路二．摘要随着经济的发展和人民生活水平的提高，交通运输业在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。
而交通信号灯的出现很好地规范了人们的出行秩序，提高了人们的出行效率，大大减少了交通事故的发生。
目前的交通信号灯电路大多分为主干道电路和支干道电路，通过适当的控制电路分别对主干道和支干道进行控制，达到合理的亮灭规律，从而很好的规范人们的出行秩序。
本次课程设计当中，我组采用数字电路对交通灯控制系统进行设计，并对提出的三个方案进行论证，最终确定方案进行设计，并使其实现主干道绿灯亮45秒、支干道绿灯亮25秒、并且在由绿灯变为红灯时有5秒时间作为过渡的技术要求，实现简易交通信号灯的功能。
三．总体设计方案论证及选择针对本次课程设计，我们提出了以下三种方案：方案一：用多个不同步的信号分别控制各信号灯的开关，即分别用持续45S、5S、25S、5S的倒时计数器来控制各信号灯。
方案二：交通信号灯的状态可以分为四种，且四种状态的周期和为T=t1+t2+t3+t4=45+5+25+5=80S，所以信号灯的每个循环周期为80S，因此，可以利用两个74LS290型十进制计数器组成一个八十进制的计数器控制电路，同时用555定时器产生周期为1S的时钟脉冲，使计数器的周期为80*1S=80S。
电源接通时，计数器清零，此时主干道绿灯和支干道红灯点亮，其余灯关灭；此后，经过组合逻辑电路使得当计数器的45个脉冲（45S）、50个脉冲（50S）、75个脉冲（75S）和80个脉冲（80S）来到时，分别控制信号灯状态改变，达到预计要求。
方案三：选择74LS161 型一位十六进制计数器，其共有十六个状态。
用555定时器产生周期为5S的时钟脉冲，所以对应计数器循环周期为16*5S=80S，并对应信号灯的80S工作循环。
然后将计数器的四个输出信号用译码器译出六个输出信号，分别控制六个信号灯。
当接通电源后，计数器清零，此时主干道绿灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭；当第9个脉冲（45S）来到时，主干道黄灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭；当第10个脉冲（50S）来到时，主干道红灯和支干道绿灯置1点亮，其他灯置0关灭；当第15个脉冲（75S）来到时，主干道红灯和支干道黄灯置1点亮，其他灯置0关灭；当第16个脉冲（80S）来到时，主干道绿灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭，即交通信号灯的状态进入了下一个循环。
此即为80S 一个工作循环。
经对比分析可知，方案一中采用倒时计数器，其电路较复杂，且我们对倒时计数器的知识储备有限；方案三中采用74LS161型一位同步十六进制计数器，与方案二的八十进制计数器相比，结构简单，更容易实现，且我们对74LS161型十六进制计数器更加熟悉，所以采用方案三可以方便我们分析电路。
因此，我们采用方案三进行设计。
四．设计方案的原理框图、电路原理图及说明对系统的逻辑功能进行分析，得出设计方案的原理框图。
→→→图4.1 设计方案原理框图本设计的电路原理图如下图所示：图4.2 总体电路原理图电路工作原理为：接通电源后，计数器清零，555定时器输出周期为5S 的时钟脉冲。
计数器输出的信号经过译码电路后，完成如下功能：清零后，Q 3=Q 2=Q 1=Q 0=0,主干道绿灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭； 当第9个脉冲（45S ）来到时，Q 0=Q 3=1，Q 1=Q 2=0,主干道黄灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭；当第10个脉冲（50S ）来到时，Q 1=Q 3=1，Q 0=Q 2=0,主干道红灯和支干道绿灯置1点亮，其他灯置0关灭；当第15个脉冲（75S ）来到时，Q 3=Q 2=Q 1=Q 0=1,主干道红灯和支干道黄灯置1点亮，其他灯置0关灭；当第16个脉冲（80S ）来到时，Q 3=Q 2=Q 1=Q 0=0,主干道绿灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭，即交通信号灯的状态进入了下一个工作循环。
这样，信号灯就会以80S 为工作周期进行工作，如此循环，达到预计要求。
五．单元电路设计、主要元器件选择和电路参数计算1.CP 脉冲发生器电路CP 脉冲发生器是由555定时器构成的多谐振荡器。
因为本控制系统以5S 为一个最小间隔，并且本系统对信号的精度要求不高，所以这里选用555定时器来实现功能。
CP 脉冲产生电路由555定时器和外接电阻R 1、R 2、变阻器R p 和电容C 构成。
其电路图如下。
R R R CC图5.1.1 占空比可调的多谐振荡电路计算电路参数得：第一个暂稳状态的脉冲宽度 ，即电容C 的充电时间为： t p1=R 1，*C *ln2≈0.7R 1，*C ；第二个暂稳状态的脉冲宽度 ，即电容C 的放电时间为： t p2=R 2，*C *ln2≈0.7R 2，*C ； 振荡周期为：T= t p1+ t p2=0.7（R 1，+R 2，）*C=5S ； 振荡频率为： f=T1≈C R )'2'1R (7.01+⨯=0.2Hz ；得(R1，+R2，)C=7.14,即（R1+R2+Rp）C=7.14；根据以上的计算结果，我选择R1=R2=240KΩ，Rp=240KΩ，C=10μF，T=0.7（R1+R2+Rp）C=0.7*（240000+240000+240000）*0.00001=5.04S，与要求结果近似相等，选择方案可行。
V CC =5V，调节RP时，通过二极管的最大电流IOM=5/240000≈0.00002A=0.02mA。
所以，选择2AP2二极管，其最大整流电流为16mA，反向工作峰值电压为30V。
针对555定时器，我们选择NE555芯片，其管脚如下图所示。
图5.1.2 NE555芯片管脚图2.主控电路主控电路主要由触发器和清零电路构成。
按照要求，交通信号灯的亮灭规律如下表所示：表5.2 交通信号灯亮灭状态表按照信号灯的亮灭规律，可以将信号灯的状态分为四种，且四种状态的周期和为t1+t2+t3+t4=45S+5S+25S+5S=80S。
主控电路触发器选用74LS161型十六进制计数器(管脚如下图所示)，每5S 计数器管脚2接收一次时钟脉冲，由Q0Q1Q2Q3输出信号，作为译码电路的输入信号。
当Q3=Q2=Q1=Q=0,主干道绿灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭，直到Q0=Q3=1，Q1=Q2=0,主干道黄灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭，再到Q 1=Q3=1，Q=Q2=0,主干道红灯和支干道绿灯置1点亮，其他灯置0关灭，再到Q 0=Q1=Q2=Q3=1,主干道红灯和支干道黄灯置1点亮，其他灯置0关灭，最后Q 3=Q 2=Q 1=Q 0=0,主干道绿灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭，即交通信号灯的状态进入了下一个工作循环。
图5.2.1 74LS161管脚图经过分析可知，电路在开始工作之前应先进行清零工作，以保证计数器的初始状态为Q 0=Q 1=Q 2=Q 3=0，方便电路分析。
清零支电路由两个电阻和一个电容组成。
其电路图如下。
图5.2.2 清零电路图经查找资料可知74LS161型十六进制计数器的t pd 约为20nS ，其清零端低电平有效，即电压要小于0.4V ，清零完成时，高电平电压要大于2.4V 。
当接通电源时，电源为清零电路提供一个5V 的电压，电容进行充电，要保证电路能够正常清零，充电时间必须保证远大于 t pd ，并且清零后C1两端电压U 大于2.4V 。
因此选择C1=10μF, R 3= 10Ω，R 4=1k Ω则充电时间T= C1* R 3=10*10-5=10-4S ＞＞20nS,U=5/(10+1000)*1000≈4.95V ＞2.4V,满足清零要求。
3.译码电路触发器通过Q 0Q 1Q 2Q 3输出信号，译码电路将各个信号接收，并通过若干门电路的组合，译出六个信号分别对灯色电路进行控制，实现主干道绿灯45S ，支干道绿灯25S ，每次由绿灯变为红灯时有5S 黄灯亮作为过渡的功能。
分析电路，将十六进制计数器Q 0Q 1Q 2Q 3输出状态表与信号灯亮灭状态相对应，得到如下表格。
表格中用G1、Y1、R1、G2、Y2、R2分别代表主干道绿灯、主干道黄灯、主干道红灯、支干道绿灯、支干道黄灯和支干道红灯的亮灭状态。
1代表灯置1点亮，0代表灯置0关灭。
根据以上逻辑状态表，可以分别得到六个信号灯的逻辑表达式：经化简得最终逻辑关系式：根据以上逻辑式，应用与门、或门、非门组合逻辑门电路设计灯色控制电路，分别控制六个信号灯。
电路图如下所示。
G 1 Y 1 R 1 G 2 Y 2 R 21230图5.3 译码电路图本电路共有：①12个非门，可选择两个74LS04型六反相器（每个74LS04有六个非门）； ②3 个2输入端或门，可选择一个74LS32型2输入端四或门（每个74LS32有四个2输入端的或门）；③7个双输入端与门，可选择两个74LS08型2输入端四与门（每个74LS08有四个双输入端的与门）；④1个三输入端与门，可选择一个74LS11型3输入端三与门（每个74LS11有三个三输入端的与门）；⑤2个四输入端与门，可选择一个74LS21型4输入端双与门（每个74LS21有两个四输入端的与门）；⑥1个三输入端或门，可选择一个74HC4075型3输入端三或门（每个74HC4075有三个三输入端的或门）。
经过上述组合逻辑电路之后，由计数器发出的四个输出信号就被译码电路译成六个不同的信号，分别控制六个信号灯的亮灭状态。
4.灯色电路经过灯色控制电路，由触发器的输出信号便转化成为控制信号灯亮灭的灯色亮灭信号，从而控制各信号灯发光二极管，达到预计功能。
将二极管的一端如下图所示置低电平，当高电平到来时，发光二极管点亮，低电平到来时，发光二极管不点亮。
电路运行中，为了防止由于电路中电流过大，而导致发光二极管损坏，采用510Ω的限流电阻（R=510Ω）加以限流。
灯色电路如下图所示。
G1R1G2Y2R2Y1图5.4=5/510≈0.01A，所以选在不考虑其他电阻的情况下，通过二极管的最大电流IOM择：①SL-0603UG型绿光发光二极管（最大整流电流I=0.02A）OM=0.02A）②BQ5446URD型红光发光二极管（最大整流电流IOM=0.02A）③SL-HF3020型黄光发光二极管（最大整流电流IOM六．收获与体会，存在的问题等本次课程设计中，我们以组为单位，对交通信号灯控制器进行了明确的分工，组内的每一个成员都尽心尽力地查阅资料，保证自己的任务能够按时完成。