资源描述
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目录
1 引言 1
2 交通信号灯控制电路的概述 2
3 单元模块 4
3.1 电源模块 4
3.2秒脉冲发生模块 4
3.3计数模块 6
3.4 逻辑电路模块 7
3.5 分频器模块 9
4 数字电子钟电路的仿真与调试 11
4.1仿真软件简介 11
4.2交通信号灯控制电路的仿真 11
4.3 交通信号灯控制电路的实现 13
4.4调试方法 13
4.5 调试中出现的问题、原因分析及解决方法 14
5 总结 15
参考文献 17
附录 18
1 引言
随着我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入了寻常老百姓的家庭，再加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆越来越多，许多大城市如北京、上海、南京等均出现了道路交通超负荷运行的情况。因此，自80年代后期以来，很多城市纷纷扩建城市道路，在道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制，扩建道路并没有充分发挥出预期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。在这种情况下，道路交通信号灯开始发挥了越来越重要的作用，并已成为交管部门管理交通的重要工具之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分．
由于现代社会模拟电子技术基础和数字电子技术基础的高速发展，因而由这种技术制造出来的产品也越来越先进，交通信号灯控制电路就是其中之一。
交通信号灯控制电路的应用十分广泛，通过各种组合逻辑电路的组合和秒脉冲的激励，可以很清晰地将信号灯的亮灭情况反映出来，便于人们的观察，以及解决交通问题。它具有亮灭准时精确，显示直观，无机械传动，无需人的经常调整等优点。它广泛用于大中小各个城市中人口聚集的地方。
交通信号灯控制电路的设计涉及到模拟电子技术与数字电子技术。其中，绝大部分是数字电路部分：逻辑门电路、计数器，触发器，555定时器等的基本原理。交通信号灯控制电路的设计与制作不仅加深了对数字电路的了解，而且由于交通信号灯控制电路包括组合逻辑电路和时序电路，进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法，为数字电路的制作提供思路。
本系统采用小规模集成电路构成交通信号灯控制电路的硬件电路，由555定时器构成的多谐振荡器作为秒脉冲产生电路，经过双D触发器构成的T’触发器作为4分频器电路，利用74LS164构成十二进制扭环形计数器，来控制组合逻辑电路实现其逻辑功能。最后用电路仿真软件绘制出交通信号灯控制电路的完整电路图。对数字电路的学习起到了良好的辅助作用。
自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段。
2 交通信号灯控制电路的概述
较通信号灯控制电路的逻辑框图如图2-1所示。它由555集成芯片构成的多谐振荡电路、双D触发器构成的分频器、十二进制扭环形计数器、直流稳压电源构成部分以及组合逻辑电路组成。555集成芯片构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为4秒脉冲，4秒脉冲送入计数器，来控制红黄绿灯的工作状态及工作时间。可通过观察亮灯的情况形成有序的交通。其整体电路框图如图2-1所示。
东西信号灯
南北信号灯
组合逻辑电路
十二进制计数器
四分频器
秒脉冲产生电路
系统电源
工作方式控制开关关
图2-1 整体电路框图
该系统的工作原理是：信号灯黑天工作，即开关闭合时，计数器被置零，不工作，A、B输入为低电平，使红灯、绿灯不工作。当555多谐振荡器产生的秒脉冲为高电平时，黄灯亮，为低电平时，黄灯灭。产生黄灯闪烁的现象。
信号灯白天工作，即开关断开时，计数器正常工作，由直流稳压电源为其提供5V直流电压，555定时器形成的多谐振荡器为其提供秒脉冲， A、B输入为高电平，通过与、或、非门组成的组合逻辑电路决定亮灯的情况，使其某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。其中信号灯白天点亮流程图如图2-2所示：
图2-2 信号指示灯白天点亮流程图
南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t
南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 1t
南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t
南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t
3 单元模块
3.1 电源模块
电源电路如图所示，直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。
电源电压采用直流5V，通过变压器将市电220V降压到交流9V，在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流5V电压。直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要。
在变压器次级交流电压为正半周时，即A为正B为负时，二极管、导通，、截止。电流流经的路径是：从A点出发，经二极管、负载，在经回到B点。若忽略二极管的正向压降，可以认为上的电压≈。
当为负半周，即A为负B为正时，二极管、导通，、截止。
电流的通路是从B点出发，经、负载回到A点。若忽略二极管的正向压降≈-。
从图上看出，无论的正、负半周如何变换，流经的电流方向始终不变，即由C→D 。四只二极管中对应桥臂上的两只为一组，两组轮流导通。在负载上，即可得到全波脉冲的直流电压和电流。因为这种整流属于全波整流类型。
图3-1 直流稳压电源电路图
3.2秒脉冲发生模块
秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡器。基本RS触发器、双极型三极管T和输出缓冲器组成，其外部有八个引脚，第8脚为电源端，第1脚为接地端，第3脚为输出端，第4脚为直接复位端，第5脚为控制电压输入端，第6脚为复位控制端，第2脚为置位控制端，第7脚为放电端。如图3-2所示CB555的电路结构图，3-3所示555定时器引脚图。为了电路简单和调节振荡周期方便，采用555定时器组成多谐振荡器。
双极型555定时器由电阻分压器、比较器、
Vcc
RD
Vco
Vi1
Vi2
V0
图3-2 CB555的电路结构图
VOD
图3-3 555定时器引脚图
555
振荡周期与频率的计算公式为：T= =0.7 电源电压 =+5V，其中电路图中 的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01μF 的瓷片电容。在此课程设计中要求输出T=1S，选取电容为 =1μF， =560Ω，根据振荡周期计算，选择电阻 =560Ω。当元件选取完成以后，根据电路原理图连接电路即可。
74LS164
图3-5 74LS164引脚排列和逻辑符号
图3-4 定时器555与RC组成的多谐振荡器
Vcc
3.3计数模块
74LS164是用8位串行输入并行输出的移位寄存器组成的扭环形十二进制计数器。数据通过两个输入端（A 或 B）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。它具有异步清零、置数、计数、保持等功能，图3-5为其引脚排列和逻辑符号，逻辑功能见表3-1。
图3-5 74LS164的逻辑功能表
输入
输出
清零
时钟
串入
RD′
CP
AB
QA
QB
QC
QD
QE
QF
QG
QH
L
L
L
L
L
L
L
L
L
H
L
QAO
QBO
QCO
QDO
QEO
QFO
QGO
QHO
H
↑
HH
H
QAN
QBN
QCN
QDN
QEN
QFN
QGN
H
↑
L
L
QAN
QBN
QCN
QDN
QEN
QFN
QGN
H
↑
L
L
QAN
QBN
QCN
QDN
QEN
QFN
QGN
用74LS164组成的十二进制扭环型计数器电路 ，其中秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。其电路图和功能表如下所示。
图3-6 计数器电路图
3.4 逻辑电路模块
逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。控制电路的特点：从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。组合逻辑电路的原理图如图3-6所示。组合逻辑电路的真值表如表3-2所示。
表 3-2 组合逻辑电路的真值表
NSG
NSG
EWR
EWY
EWG
图3-7 组合逻辑电路的原理图
+5V
=
NSY
4s
计数器输出
南北信号
东西信号
QA QB QC QD QE QF
NSG NSY NSR
EWG EWY EWR
0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0
1 1 1 0 0 0
1 1 1 1 0 0
1 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 1
0 1 1 1 1 1
0 0 1 1 1 1
0 0 0 1 1 1
0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 0 1
0 0 0 0 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
0 1 0
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
1 0 0
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
0 1 0
0 0 1
3.5 分频器模块
所用的扭环形十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。本次课程设计使用两个D触发器（74LS74）组成4分频器电路。使555多谐振荡器与分频器共同为逻辑电路提供4S脉冲。如表3-3为D触发器功能表，图3-7为两个D触发器组成的四分频器。
4S
图3-8 四分频器的电路原理图
1S
表3-3 74LS74功能表
CP
D
Qn+1
0
X
Qn
1
0
0
1
1
1
74LS74内含两个独立的D上升沿双D触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（）复位输入（）、时钟输入（CP）和数据输出（Q、Q’）。、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。图3-8为74LS74的管脚排布，表3-4为74LS74的功能表。
表3-4 74LS74的功能表
输入
输出
SD
RD
CP
D
Qn+1
Qn
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
Φ
Φ
1
1
↑
1
1
0
1
1
↑
0
0
1
1
1
↓
Qn
Qn
图3-9 为74LS74的管脚排布
4数字电子钟电路的仿真与调试
4.1仿真软件简介
Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借 Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。有如下特点：
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通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试 ；
通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短研发时间。
4.2交通信号灯控制电路的仿真
按照原理图逐部分仿真，先仿真直流稳压电源的产生部分，然后仿真秒脉冲产生部分，最后是整体电路的仿真。仿真直流稳压电源产生部分电路图及仿真结果为：
图4-1 直流稳压电源仿真图
图4-1 秒脉冲仿真图
图4-2 仿真结果
仿真秒脉冲产生电路的电路图及仿真结果为:
图4-3 秒脉冲仿真图
图4-4 仿真图
通过仿真正确的两部分电路，结合组合逻辑电路及计数器，分频器部分实现电路的整体仿真。整体仿真电路图及仿真结果见附录。
4.3 交通信号灯控制电路的实现
1. 交通信号灯控制电路的完整电路图见附录仿真图
2. 交通信号灯控制电路的工作原理：信号灯白天工作，即开关断开时，计数器正常工作，由直流稳压电源为其提供5V直流电压，555定时器形成的多谐振荡器为其提供秒脉冲， A、B输入为高电平，通过与、或、非门组成的组合逻辑电路决定亮灯的情况，使其某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。
信号灯黑天工作，即开关闭合时，计数器被置零，不工作，A、B输入为低电平，使红灯、绿灯不工作。当555多谐振荡器产生的秒脉冲为高电平时，黄灯亮，为低电平时，黄灯灭。产生黄灯闪烁的现象。
4.4调试方法
1. 首先调试直流稳压电源。用电压表观察直流稳压电源的输出电压，确定电路连接及所用原件是否正确，输出电压是否为5V。
2. 调试555定时器。用示波器观察555定时器输出波形，确定555定时器是否正常工作，振荡频率是否是1Hz。
3. 调试分频器。用示波器观察分频器输出波形，确定信号频率是否是0.25Hz。
4.调试计数器电路。将双D触发器组成的4分频器电路产生的4秒脉冲信号作为计数器的输入信号，观察计数器是否正常工作。
5. 整体调试。各部分电路连接起来，观察交通信号灯控制电路是否正常工作
4.5 调试中出现的问题、原因分析及解决方法
1．对直流稳压电源进行仿真时，发现在直流稳压电源的输入输出均符合要求的情况下，接入整体电路后发现总是出现故障，把直流稳压电源产生电路换成直流电源，则结果正确。经同学和老师的共同努力，发现变压器型号错误。改变型号后，实验结果与预期结果相同。
2．对555定时器形成的多谐振荡器进行仿真时，与预期结果差不多，有一定的误差。接入整体电路后发现亮灯情况与理论结果不一致，但是直接用秒脉冲时，得到理想结果。经过讨论分析，555定时器运用型号错误，再次犯了相同的错误，经过更改，得到理想的的结果。
3．对整体电路进行检验时，发现亮灯情况与理论结果不一致，经过细心观察，发现电路连接上出了问题，有一个端口未接线，改正后得到理想结果。
5 总结
万事开头难，一开始拿到设计题目，花了好长时间才进入状态，设计所需的电路图。通过这次的设计，我发现只要不放弃，在最困难的时候坚持下去，那么所有的事情都能迎刃而解。开头是重要的，只有做好了，才能有好的结果。
学了一个学期的《数字逻辑》课程，知道这次课程设计时，才发现，原来自己掌握的知识那么有限，能够运用到实际中的知识更是少之又少。平时，我们都只是学习原理知识，但是没有进行实践。许多知识学了就忘，很难将它们长期的保存在脑海中。所以说，实践是检验真理的唯一标准。一切事物，对与不对，都需要通过实践来证明。同时，实践还是真正掌握知识、掌握技能的重要途径，一切的成就都来源于实践，空想是行不通的。
通过本次课程设计,我明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风.我这课程设计由于我采用的是数字电路来实现的,所以电路较复杂,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多种设计方法.
时间很紧，这一周又在忙碌中过去了，经过一周的数电课程设计，我从原先看见电路图就一头雾水到现在能够设计复杂的交通信号灯控制电路，并且能够实现电路的仿真与实物板的制作与调试，之间的巨大变化着实令人吃惊。但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题，正是在解决问题的期间我才慢慢地熟悉了数字电子技术基础的基础知识，才慢慢学会了如何去按照给定的要求设计出合适的电路，作出电路的实物并对电路进行调试。
本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计一个符合要求的交通信号灯控制电路，本次设计不仅要求我们要掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对交通信号灯控制电路的各个组成部分的原理，包括555组成的多谐振荡器的原理、计数器的原理、直流稳压电源产生原理以及逻辑电路的功能都有深刻的理解和掌握，本次课程设计最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有一定的动手能力，能够根据电路图买到我们所需的原件，绘制出仿真电路并调试。
在课设过程中我遇到很多问题，原因有很多比如如何安装软件、如何正确快速的查找各个器件，调试过程中遇到的问题都不尽相同，但是通过老师与同学交流都迎刃而解。
在每次课设中，遇到问题最好的办法就是请教别人，因为每个人掌握的情况都不一样，一个人不可能做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才能够简单化。在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就遇到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简单，来得快。
虽然我现在已经初步学会了如何设计符合要求的交通信号灯控制电路，但是离真正能够利用已学的数电知识自由设计使用电路的还有一段的距离。课设的这段时间我确实受益匪浅，不仅是因为它发生在特别的实践，更重要的是我的专业知识又有了很大的进步，因为进步总是让人快乐的。
这次实习让我有很深的感悟：课本知识固然重要，但是实践环节也是必不可少的，希望平时能够多提供一些实践动手环节，拓展我们多方面的思维。
参考文献
[1] 电子工程实践技术．付家才．北京工业出版社，2003
[2] 电子技术实验与课程设计．毕满清．机械工业出版社，2001
[3] 数字电子技术基础（第五版）．阎石主编．高等教育出版社，2009
[4] 电子工程手册．丁润涛主编．机械工业出版社，1995
[5] multisim10应用教程.韩力.电子工业出版社，2008
附录
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