1、摘 要 交通信號燈常用于交叉路口，用來控制車輛的流量，提高交叉路口車輛的通行能力，減少交通事故。本交通燈設計主要由定時器、控制器、譯碼顯示電路組成。定時器由74ls190實現，控制器由74ls73組成，譯碼電路采用bd4511和七段數碼管來顯示。控制器通過74ls32、74ls08、74ls00對定時器進行控制，從而顯示紅黃綠燈的轉換。關鍵字：交通燈 控制器 定時器 譯碼器目 錄摘 要11.1 設計任務31.2 設計要求32 系統設計42.1 系統要求42.2方案設計52.2.1 控制電路方案設計52.2.2 計數電路方案設計62.2.3 譯碼電路方案設計62.2.4 信號燈與數字顯示方案設計

2、73 單元電路設計83.1脈沖信號發生電路的實現83.1.1電路的基本特點83.1.2電路基本原理83.1.3電路原理圖93.2計數電路93.2.1 計數電路工作原理93.2.2 74ls190功能介紹103.2.3 計數電路原理圖113.3控制電路123.3.1控制電路工作原理123.3.2控制電路原理圖143.4譯碼電路153.4.1譯碼電路工作原理153.4.2 譯碼電路原理圖163.5顯示部分173.5.1共陰極led七段數碼管173.5.2 cd4511譯碼器183.5.3 譯碼電路原理圖203.6直流電源設計204 電路安裝與調試224.1電路安裝224.1.2安裝焊接224.1.

3、2焊盤應注意的常見問題234.2電路調試23結 論24總結與體會25參考文獻26附 錄271 設計任務和要求1.1 設計任務設計并制作一個十字路口的交通信號燈控制器，控制甲、乙兩條交叉道路上的車輛通行。1.2 設計要求1、 每條道路設一組信號燈，每組信號燈由紅、黃、綠三個燈組成， 綠燈綠表示允許通行，紅燈表示禁止通行，黃燈表示該車道上已 過停車線的車輛繼續通行，未過停車線的車輛禁止通行；2、每條道路上每次通行的時間為25s；3、每次變換通行車道之前，要求黃燈先亮5s，才能變換通行車道；4、黃燈亮時，要求每秒鐘閃爍一次；5、電源：220v/50hz的工頻交流電供電；（注：直流電源部分僅完成設計即

4、可，不需制作，用實驗室提供的穩 壓電源調試，但要求設計的直流電源能夠滿足電路要求）6、按照以上技術要求設計電路，繪制電路圖，對設計的電路用multisim或orcad/pspicead9.2進行仿真，用萬用板焊接元器件，2 系統設計 2.1 系統要求在這一方案中，系統主要由控制器、定時器、譯碼器等部分組成。譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經驅動電路后驅動信號燈工作，控制器是系統的主要部分，由它控制定時器和譯碼器的工作。圖中： tl: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間間隔。定時時間到，tl=1，否則，tl=0。 ty：表示黃燈亮的時間間隔為5秒。定時時間到，ty=

5、1，否則，ty=0。 st：表示定時器到了規定的時間后，由控制器發出狀態轉換信號。由它控制定時器開始下個工作狀態的定時。交通燈控制系統的原理框圖如圖1所示圖1 系統的原理框圖一般情況下，十字路口的交通信號燈工作狀態如下：（1）甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規定的時間隔tl時，控制器發出狀態信號st，轉到下一工作狀態。 （2）乙車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規定時間間隔ty時，控制器發出狀態轉換信號st，轉到下一工作狀態。 （3）甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮。表示甲

6、車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行綠燈亮足規定的時間間隔tl時，控制器發出狀態轉換信號st，轉到下一工作狀態。 （4）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上位過縣停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續通行。黃燈亮足規定的時間間隔ty時，控制器發出狀態轉換信號st，系統又轉換到第（1）種工作狀態。 交通燈以上4種工作狀態的轉換是由控制器器進行控制的。設控制器的四種狀態編碼為00、01、11、10，并分別用s0、s1、s3、s2表示，則控制器的工作狀態及功能如表1、2所示，控制器應送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。2.2方案設計2.2.1 控制

7、電路方案設計選用jk觸發器，設狀態編碼為：s0=00,s1=01,s2=11,s3=10,其輸出為q1 q0 ，則其狀態如表1所示：表1. 狀態編碼與信號燈關系現態次態輸出q1nq0nq1n+1q0n+1agayarbgbybr00011000010111010001111000110010000010102.2.2 計數電路方案設計 十字路口除指示燈顯示外，還有數字倒計時顯示。具體為：當某方向綠燈亮時，置顯示器為某值，然后以每秒減1的計數方式工作，直至減到數字為“05”時綠燈滅，黃燈閃爍。減到“00”時此方向黃燈滅，紅燈亮，而另一方向紅燈滅，綠燈亮。十字路口綠、黃、紅燈變換，一次工作循環結束

8、，而進入下一步某方向的工作循環。在倒計時過程中計數器還向譯碼器提供模4的定時信號t4和模0的定時信號t0。 倒計時計數器選用集成電路74ls190進行設計。74ls190是十進制同步可逆計數器，具有異步并行置數功能、保持功能。74ls190沒有專用的清零輸入端，但可以借助qa、qb、qc、qd的輸出數據間接實現清零功能。表2. 74ls190狀態表ctend/uclkloada b c dqa qb qc qd0xx0x x x xa b c d01pos1x x x xcount down00pos1x x x xcount up1xxxx x x xqa0 qb0 qc0 qd0 選用兩個

9、74ls190級聯成一個六十進制倒計時計數器。將其中作為個位數的芯片的clk端接秒脈沖發生器（1hz的脈沖），rco端接在十位數芯片的clk端。個位數預置為9，即a接“1”、b接“0”、c接“0”、d接“1”。十位數預置為5，即a接“0”、b接“1”、c接“0”、d接“1”（接電源相當于接1，接地相當于接0）。工作開始時，ld為0，計數器預置數，置數完后摁動開關，ld變為1，計數器開始倒計時，并循環下去。2.2.3 譯碼電路方案設計 向觸發器提供模4的定時信號t4和模0的定時信號t0：t0 表示倒計時減到數“00”（也即綠燈的預置時間，到00時，計數器重新置數），t0=1，此時t0給jk觸發器

10、一個脈沖，使信號燈發生轉換，一個方向的綠燈亮，另一個方向的紅燈亮。接法為：把兩個74ls190計數器的8個輸出端用一個集成的八輸入一輸出或門連起來。 t4表示倒計時減到數“05”時。t4=1，此時t4給jk觸發器一個脈沖，使信號燈發生轉換，綠燈的變為黃燈，紅燈的不變。接法為：當減到數為“05”（0000 0110）時，把十位計數器的輸出端qa、qb、qc、qd連同個位計數器的輸出端qa、qb、qd用一個或非門連起來，再把這個或非門與個位計數器的輸出端qc用一個與非門連接起來。 要求黃燈每秒閃一次，用頻率為1hz的脈沖連在控制黃燈的輸入端即可。2.2.4 信號燈與數字顯示方案設計信號燈采用了發光

11、二極管，當輸出信號為“0”時二極管發光。信號燈旁用cd4511和數碼管顯示器顯示當前秒數。3 單元電路設計3.1脈沖信號發生電路的實現3.1.1電路的基本特點 在數字電路和數字系統中，需要各種脈沖波形。例如時鐘脈沖，控制過程中的定時信號等。我們可以采用脈沖信號產生電路或通過已有的信號進行變換，來獲取所需要的脈沖信號以滿足實際系統的要求。當然，有些電路對時鐘脈沖的要求并不是很高，所以可以依據自己電路的實際需求，從性價比方面來選擇脈沖發生器，例如石英振蕩脈沖發生器雖然性能很高，但是價格高，有些電路不太實用，而多諧振蕩器則可以滿足要求。3.1.2電路基本原理我們知道，含有儲能原件c或l的電路存在暫態

12、過程，即有充放電現象。脈沖波形就是利用惰性元件的充放電而形成的。脈沖電路主要有惰性電路和開關兩部分。開關是用來破壞穩定，使惰性電路產生暫態的。開關可利用不同的電子器件來完成，如可以利用運算放大器，分立器件晶體三極管或場效應器，也可以邏輯門。目前利用最多的是555定時電路。本設計中，脈沖信號發生器可以用一片555定時電路構成的多諧振蕩器來實現，脈沖周期為1s，其計算公式為t=(r1+2r2)cln2,以此信號作為下一步計時電路的cp脈沖。因為本電路中用到的是1s的脈沖，所以依據電阻和電容的定值表可以得，我們選r1=r2=47k，c2=10uf,c1=10nf。3.1.3電路原理圖圖2 555原理

13、圖3.2計數電路 3.2.1 計數電路工作原理 定時器由與系統信號源同計數器構成，要求計數器在狀態信號作用下，首先置數，然后在時鐘脈沖下升沿作用下，計數器從30開始進行減1計數，向控制器提供模30的定時信號。倒計時計數器選用集成電路74ls190進行設計。74ls190是十進制同步可逆計數器，具有異步并行置數功能、保持功能。74ls190沒有專用的清零輸入端，但可以借助qa、qb、qc、qd的輸出數據間接實現清零功能。3.2.2 74ls190功能介紹 74ls190 的預置是異步的。當置入控制端（ ld ）為低電平時， 不管時鐘cp 的狀態如何，輸出端（q0q3）即可預置成與數據輸入端（d0

14、d3）相一致的狀態。 74ls190 的計數是同步的，靠cp 加在4 個觸發器上而實現。當計數控制端（ ct ）為低電平時，在cp 上升沿作用下q0q3 同時變化，從而消除了異步計數器中出現的計數尖峰。當計數方式控制（u /d）為低電平時進行加計數，當計數方式控制（u /d）為高電平時進行減計數。只有在cp 為高電平時ct 和u /d 才可以跳變74ls190 有超前進位功能。當計數溢出時，進位/錯位輸出端（co/bo）輸出一個低電平脈沖，其寬度為cp 脈沖周期的高電平脈沖；行波時鐘輸出端（ rc ）輸出一個寬度等于cp 低電平部分的低電平脈沖。利用 rc 端，可級聯成n 位同步計數器。當采用

15、并行cp 控制時，則將rc 接到后一級ct ；當采用并行ct 控制時， 則將rc 接到后一級cp。74ls190引出端符號 co/bo 進位輸出/錯位輸出端 clk 時鐘輸入端（上升沿有效） cten計數控制端（低電平有效） d0d3 并行數據輸入端 load 異步并行置入控制端（低電平有效） q0q3 輸出端 rco 行波時鐘輸出端（低電平有效） u /d 加/減計數方式控制端74ls190外引腳排列如圖3所示圖3 74ls190外引腳排列3.2.3 計數電路原理圖 計時電路設計如圖4所示 圖4 交通燈計時電路 其工作原理為：由信號源產生的脈沖cp送給74ls190低位片的時鐘端clk處。輸

16、入端a b c d分別接地.。低位片的行波時鐘輸出端rco1與高位片的clk相連，實現異步置數。兩個芯片的u /d端分別接高電平實現減計數控制 。 高位片輸出端qa.qb接或門u1，低位片輸出端qa,qb和qc,qd分別接或門u2.u3實現三十置數.當有信號脈沖時，計數器開始進行減計數.u2和u3的輸出再接或門u4，u4的輸出和u1的輸出再接或門u5,u5的輸出端送給兩片74ls190的load異步并行置入控制端，只有當高位片qa qb qc qd 和低位片qa qb qc qd端全為零時，即計數器減到00時，重新置數30，實現了30進制減計數控制方式。 3.3控制電路3.3.1控制電路工作原

17、理控制電路由紅綠燈控制和黃燈控制兩部分組成，要了解電路的特點，首先應了解交通燈的實際工作工程。當啟動交通燈系統開關后，交通燈開始工作：假設當甲方向紅燈亮時，乙方向綠燈亮，led數碼管從30秒開始減法計數；25秒后，甲方向紅燈繼續亮，乙方向的綠燈熄滅，而黃燈開始有頻率的閃爍，led數碼管從5秒開始減法計數；5秒后，甲方向的綠燈亮，乙方向的紅燈亮，同時乙方向的黃燈熄滅，led數碼管從30秒開始計數；25秒后，甲方向的綠燈熄滅，黃燈有頻率的閃爍，而乙方向的紅燈繼續亮，led數碼管從5秒開始計數；5秒后，甲方向紅燈亮，黃燈熄滅，乙方向的綠燈亮，led數碼管又一次從30開始減法計數。在我們所設計的電路中

18、，控制電路主要是由計數器輸出端的高低電平來控制，當計數器從30s開始計數，一直到05s出現時給控制電路一個脈沖讓其控制黃燈發光，而到0s出現時，再給一個脈沖，讓它控制紅綠燈，黃燈與紅燈的反轉。從而實現燈的有序控制。從上面的燈的幾種狀態看，一共有四種狀態，也就是說一次循環共有四次變化。這四種狀態如下：設控制器的四種狀態編碼為00、01、11、10，并分別用s0、s1、s3、s2表示，則控制器的工作狀態及功能如下表所示，控制器應送出甲乙車道紅黃綠燈的控制信號。為了簡便起見，把燈的代號和燈的驅動信號合二為一，并作如下規定：表3 交通燈的四種狀態控制狀態信號燈狀態車道運行狀態s0（00）甲綠，乙紅甲車

19、道通行，乙車道禁止通行s1（01）甲黃，乙紅甲車道緩行，乙車道禁止通行s3（11）甲紅，乙綠甲車道禁止通行，乙車道通行s2（10）甲紅，乙黃甲車道禁止通行，乙車道緩行根據圖中的狀態轉換，控制器有四個狀態，因此可由兩個觸發器構成，本設計中選用兩個jk觸發器產生四個狀態。控制器的輸入為觸發器的現態和控制器觸發器的次態,由此可得到狀態轉換圖如下所示：圖5 狀態轉換圖觸發器采用雙jk觸發器74ls73，正是利用了jk的置數功能，每60s實現四次置數，而燈也正是利用了這四次的狀態加上門電路來實現的。譯碼器電路的作用是將控制器輸出構成的四種狀態轉換為甲乙車道上六個信號燈的控制信號。定義：甲車道綠燈亮為ag

20、=1，綠燈滅為ag=0；黃燈亮為ay=1，黃燈滅為ay=0；紅燈亮為ar=1，紅燈滅為ar=0。同樣可以令乙車道上綠燈亮為bg=1，綠燈滅為bg=0；黃燈亮為by=1，黃燈滅為by=0；紅燈亮為br=1，紅燈滅為br=0。則可以得到如下關系：表4 交通燈與控制器的四種狀態的關系狀態agayarbgbybr00100001010100011100110010001010設計中要求黃燈亮時每秒鐘閃爍一次，可將ay（by）信號與秒沖信號共同送入與門，然后用其輸出信號控制黃燈即可。3.3.2控制電路原理圖 控制電路設計如圖6所示 圖6 交通燈控制電路設3.4譯碼電路3.4.1譯碼電路工作原理譯碼器的主

21、要任務是將控制器的輸出 q1、 q0的4種工作狀態，翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態。控制器的狀態編碼與信號燈控制信號之間的關系如表4所示。表中a、b代表甲、乙車道。表5 控制器狀態編碼與信號燈關系表q1 q0ag綠燈ay黃燈ar紅燈bg綠燈by黃燈 br紅燈0 01000010 10100011 00011001 10010103.4.2 譯碼電路原理圖由信號源產生的周期性變化的clk脈沖，一部分送給了定時器的74ls190芯片，另一部分送給了控制器的或門控制黃燈閃爍。 譯碼電路設計如圖7所示 圖7 交通燈譯碼電路工作原理：計數器向觸發器提供模4的定時信號t4和模0的定時信號t0：t0

22、 表示倒計時減到數“00”（也即綠燈的預置時間，到00時，計數器重新置數），t0=1，此時t0給jk觸發器一個脈沖，使信號燈發生轉換，一個方向的綠燈亮，另一個方向的紅燈亮。接法為：把兩個74ls190計數器的8個輸出端用一個集成的八輸入一輸出或門連起來。 t4表示倒計時減到數“04”時。t4=1，此時t4給jk觸發器一個脈沖，使信號燈發生轉換，綠燈的變為黃燈，紅燈的不變。接法為：當減到數為“04”（0000 0100）時，把十位計數器的輸出端qa、qb、qc、qd連同個位計數器的輸出端qa、qb、qd用一個或非門連起來，再把這個或非門與個位計數器的輸出端qc用一個與非門連接起來。要求黃燈每秒閃

23、一次，用一個頻率為1hz的脈沖連在控制黃燈的輸入端即可。3.5顯示部分譯碼顯示電路主要是由共陰極led七段數碼管，cd4511譯碼器組成。3.5.1共陰極led七段數碼管數碼管分為共陽極結構和共陰極結構。若顯示器共陽極連接，則對應陽極接高電平的字段發光；而顯示器共陰極連接，則接低電平的字段發光。此次設計采用的是共陰極連接如圖圖8 共陰極數碼管引腳圖3.5.2 cd4511譯碼器圖9 cd4511管腳功能排列圖1.以下介紹各引腳的功能：其功能介紹如下：bi：4腳是消隱輸入控制端，當bi=0 時，不管其它輸入端狀態如何，七段數碼管均處于熄滅（消隱）狀態，不顯示數字。lt：3腳是測試輸入端，當bi=

24、1，lt=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 dcba 狀態如何，七段均發亮，顯示“8”。它主要用來檢測數碼管是否損壞。 le：鎖定控制端，當le=0時，允許譯碼輸出。 le=1時譯碼器是鎖定保持狀態，譯碼器輸出被保持在le=0時的數值。a1、a2、a3、a4、為8421bcd碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。2.數碼連接譯碼電路。cd4511是一種bcd碼輸入端,其中d是高電位;a、b、c、d、e、f、g是輸出端,輸出高電平有效,和共陰極半導體發光數碼管各發光段的陽極引出線相互連接，下面是七段數碼顯示器管腳接法，cd4511和數碼管的管腳排列圖:6fs電

25、子資料網6fs電子資料網3-3-6fs電子資料網圖10 段數碼顯示器管腳接法3. 真值表共陽極數碼管的數字顯示真值表如下表所示表6 七段顯示譯碼電路真值表3.5.3 譯碼電路原理圖圖11 顯示電路3.6直流電源設計1. 直流穩壓電源的工作原理 直流穩壓電源一般由變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路組成，其工作原理圖如圖12.圖3.直流穩壓電源各部分電路的功能（1）變壓器用于把220v的交流電轉換成整流電路所需要的電壓u2。（2）整流電路把交流電u2轉變為脈動的直流電。（3）濾波電路的作用是將脈動直流電壓變為脈動較小的直流電uf。（4）穩壓電路的作用是將比穩定的直流電轉換成穩定的直流電壓。2.直

26、流穩壓電源multism仿真原理圖如圖8圖12 直流穩壓電源仿真原理圖4 電路安裝與調試4.1電路安裝4.1.2安裝焊接在整體電路進行和單元電路仿真充分驗證后，列出元件清單，購買元器件開始安裝。該設計是在萬能實驗板上進行安裝的，根據元器件的布局，首先擺放集成電路塊座，待位置合理后，焊接集成塊座，然后焊接相鄰的分立元件，再依照各集成電路以及分立元件引腳之間的關系，用導線焊接起來，最后再焊接電源線和接地線。1 布線方向： 從焊接面看，元件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致，布線方向最好與電路圖走線方向相一致，因生產過程中通常需要在焊接面進行各種參數的檢測，故這樣做便于生產中的檢查，調試及檢修（注：

27、指在滿足電路性能及整機安裝與面板布局要求的前提下）。 2各元件排列，分布要合理和均勻，力求整齊，美觀，結構嚴謹的工藝要求。3電阻的放置方式分為平放與豎放兩種： （1） 平放：當電路元件數量不多，而且電路板尺寸較大的情況下，一般是采用平放較好；對于1/4w以下的電阻平放時,兩個焊盤間的距離一般取4/10英寸，1/2w的電阻平放時,兩焊盤的間距一般取5/10英寸。 （2）豎放：當電路元件數較多，而且電路板尺寸不大的情況下，一般是采用豎放，豎放時兩個焊盤的間距一般取12/10英寸。 4進出接線端布置 （1）相關聯的兩引線端不要距離太大，一般為23/10英寸左右較合適。 （2）進出線端盡可能集中在1至

28、2個側面，不要太過離散。 5設計布線圖時要注意管腳排列順序，元件腳間距要合理。 6在保證電路性能要求的前提下，設計時應力求走線合理，少用外接跨線，并按一 定順序要求走線，力求直觀，便于安裝，高度和檢修。 7設計布線圖時走線盡量少拐彎，力求線條簡單明了。8布線條寬窄和線條間距要適中，電容器兩焊盤間距應盡可能與電容引線腳的間距相符；9設計應按一定順序方向進行，例如可以由左往右和由上而下的順序進行。4.1.2焊盤應注意的常見問題焊盤內孔邊緣到多功能板板邊的距離要大于1mm，這樣可以避免以后焊盤缺損。 焊盤的開口：有些器件是在經過波峰焊后補焊的，但由于經過波峰焊后焊盤內孔被錫封住，使器件無法插下去，解

29、決辦法是在印制板加工時對該焊盤開一小口，這樣波峰焊時內孔就不會被封住，而且也不會影響正常的焊接。 焊盤補淚滴：當與焊盤連接的走線較細時，要將焊盤與走線之間的連接設計成水滴狀，這樣的好處是焊盤不容易起皮，而是走線與焊盤不易斷開。相鄰的焊盤要避免成銳角或大面積的銅箔，成銳角會造成波峰焊困難，而且有橋接的危險，大面積銅箔因散熱過快會導致不易焊接。4.2電路調試如果等到焊接完畢后再進行電路調試,由于電路連線復雜和模塊多,則電路調試并不容易,因此最好分塊進行調試.本電路中使用分塊焊接和分塊調試,即首先焊接好的是555時鐘脈沖電路,用一個發光二極管和秒表測試其完好性和準確性.再焊接發光二極管群,用電源加上

30、限流電阻進行測試,如果二極管均正常發光則該模塊焊接完畢.接下來焊接譯碼顯示電路和數碼管,并加先流電阻后測試所有段碼能否正常工作.接下來焊接的要是計時電路,因為計時電路要通過數碼管來進行檢測.給計時電路加上已經測試好的時鐘脈沖,數碼管按照要求正確進行30秒倒計時.最后焊接的是控制電路以及和交通燈之間的邏輯電路,本塊焊接完畢后電路按照要求工作則最后的模塊以及整個電路是正確的,否則問題很有可能出在最后的模塊上,只用對最后一塊模塊進行檢查即可.在調試過程中如果發光二極管亮度不夠，而其他電路檢查無誤，則一種可能就是二極管的限流電阻太大，可以依據實際調試進行修改。 結 論利用整體電路圖在multisim進行仿真，從計時電路和交通燈各個方面都能夠滿足要求，焊接后對電路進行了調試，能夠滿足任務書的要求，而且電路板工作可靠性也能夠達到要求。但是當前，大量的信號燈電路正向著數字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者關系的協調， 多值化方向發展隨著社會經濟的發展，城市交通問題越來越引起人們的關注。隨著社會的發展,城市規模的不斷擴大,城市交通成為制約城市發展的一大因素,因此,有許多設計工作者為改善城市交通環境設計了許多方案,而大多數都為交通指揮燈,而且此交通燈僅僅控制單一通道上車輛的行駛，要想使其更加實用可靠，就必須改進電路，不但能夠控