一、設計題目

交通信號燈控制器

二、主要內容

• 分析設計題目的具體要求
• 完成課題所要求的各個子功能的實現
• 用multisim軟件完成題目的整體設計
  

三、要求完成的主要功能

1、設計一個十字路口的交通燈控制電路，要求東西方向和南北方向車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設為45s。時間可設置修改。

• 在綠燈轉為紅燈時，要求黃燈先亮5s，才能變換運行車道。
• 黃燈亮時，要求每秒閃亮一次。
• 東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時間都用顯示器進行顯示。
  

5、假定+5V電源給定。

四、自己增加的新功能

  交通燈每次進行紅綠黃的轉換時，會有喇叭進行提示路人。

五、進度安排

第一天：介紹所用仿真軟件；布置任務，明確課程設計的完整功能和要求。

第二天：消化課題，掌握設計要求，明確設計系統的全部功能，圖書館查閱資料。

第三天：確定總體設計方案，畫出系統的原理框圖。

第四天：繪制單元電路并對單元電路進行仿真。

第五天：分析電路，對原設計電路不斷修改，獲得最佳設計方案。

第六天：完成整體設計并仿真驗證。     

第七天：對課程設計進行現場運行檢查并提問，給出實踐操作成績。

第八天：完成實踐報告的撰寫

六、成績評定

• 理論設計方案，演示所設計成果，總成績20％；
• 設計報告，占總成績30％；
• 回答教師所提出的問題，占總成績30％；
• 考勤情況，占總成績20％；
  

無故曠課一次，平時成績減半；無故曠課兩次平時成績為0分，無故曠課三

次總成績為0分。遲到20分鐘按曠課處理。

摘要當今時代是一個自動化時代，交通燈控制等很多行業的設備都與計算機密切相關。因此，一個好的交通燈控制系統，將給道路擁擠、違章控制等方面給技術革新。隨著大規模的集成電路及計算機技術的迅速發展，以及人工智能在控制技術方面的廣泛運用，智能設備有了很大的發展，是現在科技發展的主流方向。  

交通信號燈是日常生活中遇到的一個普通實例，它的控制也頗具典型和實用價值。由于交通路口的形狀和規模不一，所采用的信號燈的數量、控制要求不一，控制的復雜程度也就不一樣，這里設計的是由東西，南北方向匯合點形成十字交叉路口，為確保車輛安全和迅速的通行，在交叉道口的每個入口處設置了紅、黃、綠三色LED信號燈，依據紅燈停綠燈行黃燈亮了等一等的規律工作。同時在每個入口設置了與交通燈同時工作的蜂鳴器，以方便提示行人通過。本設計是采用74LS190，JK觸發器和一些門電路等簡單元器件完成的，通過multisim軟件仿真驗證了電路的功能。

AbstractToday's era is an era of automation, traffic lights, control and many other industries are closely related to the computer. Therefore, a good traffic light control system, will give the road congestion, illegal control etc. for technological innovation. With the rapid development of large-scale integrated circuits and computer technology, as well as the extensive use of artificial intelligence in control technology, intelligent equipment has been greatly developed. It is the mainstream direction of the development of science and technology.

Traffic signal lamp is a common example encountered in daily life, and its control is also typical and practical value. Due to the different shapes and sizes of traffic junctions, the number of signals used and the requirements of control are different, and the complexity of the control is also different, The design here is made up of things, the intersection of the north and south directions, forming a crossroad, To ensure vehicle safety and rapid access, the red, yellow and green LED lights are set at each entrance of the crossing, according to the regular routine of the red light, the stop light, the yellow light, etc.. A buzzer is also provided at each entrance to work with the red light to allow the blind person to pass. The design is to use 74LS190, JK trigger and some door circuit and other simple device completed, through the Multisim software simulation to verify the function of the circuit.

目錄

當今時代是一個自動化時代，交通燈控制等很多行業的設備都與計算機密切相關。因此，一個好的交通燈控制系統，將給道路擁擠、違章控制等方面給技術革新。隨著大規模的集成電路及計算機技術的迅速發展，以及人工智能在控制技術方面的廣泛運用，智能設備有了很大的發展，是現在科技發展的主流方向。  

交通信號燈是日常生活中遇到的一個普通實例，它的控制也頗具典型和實用價值。由于交通路口的形狀和規模不一，所采用的信號燈的數量、控制要求不一，控制的復雜程度也就不一樣。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、科學化、簡便化。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。

NI Multisim是一款著名的電子設計自動化軟件，與NI Ultiboard同屬美國國家儀器公司的電路設計軟件套件。是入選伯克利加大SPICE項目中為數不多的幾款軟件之一。

Multisim是一款Multisim在學術界以及產業界被廣泛地應用于電路教學、電路圖設計以及SPICE模擬，著名的電子設計自動化軟件，是EDA仿真設計系統的一個重要組成部分，它創建電路方便且仿真所用的儀器及仿真數據讀取方法都與實際實驗方法相似，有各種虛擬儀器和儀表可以使用且不消耗實際元器件，降低了實驗成本，節省實驗時間，提高了實驗效率。

Multisim在學術界以及產業界被廣泛地應用于電路教學、電路圖設計以及SPICE模擬。Multisim是以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。我們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣我們無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。

實際工作中可以利用此軟件實現計算機仿真設計與虛擬實驗，并且設計與實驗可以同步進行，可以邊設計邊實驗、修改調試方便、設計和實驗用的元器件及測試儀表齊全，可以完成各種類型的電路設計與實驗，仿真時可方便地對電路參數進行測試和分析,可直接打印輸出實驗數據、測試參數、曲線和電路原理圖，并且在實驗中不消耗實際上的元器件，實驗所需元器件的種類和數量不受限制，從而降低了實驗成本低，加快了實驗速度，提高了實驗效率高。基于上述優點，我們利用虛擬實驗室中的虛擬儀器來組織完成交通燈控制電路的仿真設計。

依設計要求，交通燈控制系統主要由秒脈沖信號發生器，倒計時定時計數器，信號燈轉換控制器和譯碼驅動器等單元電路組成，其原理框圖如圖2.1.1所示。其中，秒脈沖信號發生器是倒計時定時電路和黃燈閃爍控制電路的標準時鐘信號源；倒計時定時計數器輸出兩組驅動信號，分別為黃燈閃爍和紅綠燈轉換的控制信號，這兩組信號經信號燈轉換控制器控制信號燈有序工作。譯碼驅動器用以驅動點亮東西，南北兩個方向車道的交通信號燈。

根據設計任務與要求, 系統主要由秒脈沖信號發生器、計數器、控制器、信號燈顯示器四大部分組成。其中秒脈沖信號發生器用于給各個組成部分提供脈沖信號，向控制器發出定時信號，使相應的發光二極管發光。計數器在控制器的控制下，改變交通燈信號，產生倒計時時間顯示，控制器根據計數器的信號，進行狀態間的轉換，使顯示器的顯示發生相應轉變。計數器可由74LS190實現，交通信號控制器可由JK觸發器實現。擴展功能為交通燈轉換提示功能，以提示行人交通燈轉換了，請注意。

上述方案所示的交通信號燈控制器的工作過程：先手動對倒計時模塊進行預置數設置，然后倒計時和信號燈同時開始工作，一開始東西方向是綠燈，南北方向為紅燈，倒計時從45開始以一秒減1的工作狀態進行減計時；當倒計時減到“05

”時，狀態轉換，東西方向為黃燈閃爍，南北方向為紅燈；當倒計時減到“00”

時，狀態轉換，東西方向是紅燈，南北風向為綠燈，然后計數器重新預置數為45；當倒計時減到“05”時，狀態轉換，東西方向為紅燈，南北方向為黃燈閃爍。如此循環下去，進行交通燈運作。

1、設計一個十字路口的交通燈控制電路，要求東西方向和南北方向車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設為45s。時間可設置修改。

• 在綠燈轉為紅燈時，要求黃燈先亮5s，才能變換運行車道。
• 黃燈亮時，要求每秒閃亮一次。
• 東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時間都用顯示器進行顯示。
  

5、假定+5V電源給定。

3.1各芯片的用法和功能

圖3.1.1（1）74LS190的外引線圖

圖3.1.1（2）74LS190的邏輯符號

圖3.1.2（2） JK觸發器邏輯簡圖

與門是實現邏輯“乘”運算的電路，有兩個以上輸入端,一個輸出端(一般電路都只有一個輸出端,ECL電路則有二個輸出端)。只有當所有輸入端都是高電平（邏輯“1”）時,該電路輸出才是高電平（邏輯“1”）,否則輸出為低電平（邏輯“0”）。[1]  其二輸入與門的數學邏輯表達式：Y=AB，對應的真值表如下：

表3.1.3 與門的真值表

與門有3種邏輯符號，包括：形狀特征型符號（ANSI/IEEEStd 91-1984）、IEC矩形國標符號（IEC 60617-12）、DIN符號（DIN 40700）。

圖3.1.3（1）與門的邏輯符號

圖3.1.3（2） 與門引腳圖

或門（OR gate），又稱或電路、邏輯和電路。如果幾個條件中，只要有一個條件得到滿足，某事件就會發生，這種關系叫做“或”邏輯關系。具有“或”邏輯關系的電路叫做或門。或門有多個輸入端，一個輸出端，只要輸入中有一個為高電平時（邏輯“1”），輸出就為高電平（邏輯“1”）；只有當所有的輸入全為低電平（邏輯“0”）時，輸出才為低電平（邏輯“0”）。

其真值表如下所示：

表3.1.4 或門的真值表

或門有3種邏輯符號，包括：形狀特征型符號（ANSI/IEEEStd 91-1984）、IEC矩形國標符號（IEC 60617-12）和DIN符號（DIN 40700），以二輸入或門為例，邏輯符號如圖示：

圖3.1.4（1） 或門的邏輯符號

圖3.1.4（2）或門的引腳圖

與非門有3種邏輯符號，包括：形狀特征型符號、IEC矩形國標符號、DIN符號。

圖3.2.1(1)  由JK觸發器組成的信號燈轉換控制器

依據交通信號燈交替地按綠，黃，紅順序循環點亮的設計要求，選取S0=00，S1=01，S2=11 ，S3=10等4種狀態。由于信號燈轉換控制器的控制狀態數M=4，由式M<=2n,可知選用的觸發器個數n=2。現選用工程上常用的雙JK觸發器74LS73N組成轉換控制器，其2個JK觸發器FF1,FF0對應的輸出分別為Q1，Q0。

S0：東西方向車道的綠燈燈亮，車道通行；

南北方向車道的紅燈燈亮，車道禁止通行；

S1：東西方向車道的黃燈燈亮，車道緩行；

南北方向車道的紅燈燈亮，車道禁止通行；

S2：東西方向車道的紅燈燈亮，車道禁止通行；

南北方向車道的綠燈燈亮，車道通行；

S3：東西方向車道的紅燈燈亮，車道禁止通行；

南北方向車道的黃燈燈亮，車道緩行；

用以下6個符號來分別表示東西（a）,南北（b）方向上各燈的狀態。

Ga=1：東西方向車道的綠燈燈亮；

Ya=1：東西方向車道的黃燈燈亮；

Ra=1：東西方向車道的紅燈燈亮；

Gb=1：南北方向車道的綠燈燈亮；

Yb=1：南北方向車道的黃燈燈亮；

Rb=1：南北方向車道的紅燈燈亮。

采用JK觸發器實現信號燈的轉換：

用a表示東西方向，b表示南北方向，用G,Y,R分別表示綠，黃，紅色指示燈，用邏輯1表示燈亮，邏輯0表示燈滅，則有交通信號燈轉換控制器狀態轉換圖，狀態轉換表以及狀態編碼與交通信號燈狀態的關系表，分別如圖3.2.1（2），表3.2.1（1）和表3.2.1（2）所示。

            

由表可以得出信號燈狀態的邏輯表達式：

Ga=Qn1’Qn0’;   Ya=Qn1’Qn0 ;   Ra=Qn1 ;

Gb=Qn1 Qn0      ;     Yb=Qn1Qn0’ ; Rb=Qn0’;

由表，用卡諾圖得觸發器的次態方程（狀態方程）:

Qn+11= Qn0    ;     Qn+10=Qn1  ;

對照JK觸發器的特性方程Qn+1=JQn’+K’Qn,有:

J1=K1’=Qn0   ; J0=K0’= Qn1’。

根據設計要求，交通指示燈亮要有倒計時時間顯示。具體工作方式：當某方向綠燈點亮時，置倒計時數字顯示器為35s，然后每秒減1，直至減為“5”和“0”，綠，黃，紅交通指示燈作相應變換，一次工作循環結束，進而進入下一方向的工作循環。在倒計定時計數過程中，定時計數器應向交通信號燈轉換控制器分別提供定義為T5和T0的定時控制信號，以控制黃燈的閃爍和綠，黃，紅信號燈的變換。

為簡化電路，倒計定時顯示器件擬采用8421BCD碼輸入的七段數碼管，并由倒計時計數器直接驅動。

根據設計要求，選用具有同步可逆十進制計數和異步并行置數功能的74LS190N組成計數器。74LS190N沒有專用的清零輸入端，但可以借助低電平有效的置數功能，利用預置數碼DDCCBBAA=0000，間接實現清零。74LS190的功能表見表3.1.1。

要實現35s的倒計定時，先用兩塊74LS190芯片級連成一個從99減到00的（模100）減法計數器。其中，個位數芯片74LS190（右）的輸入端CLK接秒脈沖信號發生器，輸出端QA和QD通過一個與門連接到十位數芯片74LS190（左）的輸入端CLK。這樣，當個位數減到0再減1，即為9時，與十進制數0和9所對應的二進制數0000和1001中相對應得數位QA，QD會同時由0變為1。因為74LS190（右）的QA，QD是通過一個與門與十位數芯片74LS190（左）的CLK端相連接，即相當于74LS190(左)輸入了一個時鐘脈沖的上升沿，產生了一個借位信號，從而實現了十位數數字逢10減1。

定時計數器的預置數設置，可用8位數開關S1分別與十位數芯片74LS190（左）FF1和個位數芯片74LS190（右）FF0的預置數輸入端D1,C1,B1,A1,D0,B0,C0,A0,相連接。預置數的范圍為1~99。置數開關與正電源接通時相當于接1，懸空時相當于接0。根據設計要求，紅，綠燈通行時間為35s，可按圖3.2.2（2）所示方法連接，十位數芯片74LS190（左）FF1的預置數輸入端D1,C1,B1,A1,置為0011（相當于十進制數3），個位數芯片74LS190（右）FF0的預置數輸入端D0,B0,C0,A0,置為0101（相當于十進制數5）。

倒計時減法計數器電路如圖3.2.2（1）所示。圖中，依照74LS190功能表，計數控制端CTEN’(CT’)接低電平，加/減計數定時控制端U’/D接高電平，以實現減計數。當開機工作初始時，74LS190（左）和74LS190（右）的初始狀態為0000 0000，置數控制端LOAD’(LD’)為低電平0,74LS190（左）和74LS190（右）執行預置數，之后LOAD’變為1，計數定時器開始倒計時計數。或者說，由于，該倒計時減法計數器具有自啟動能力，開機工作后，定可進入初始狀態0000 0000狀態。當倒計時計數減到數00時，LOAD’又變為0，計數定時器又預置數，之后又開始倒計時計數，再與預置端不止。由此，可用或門將74LS190（左）和74LS190（右）的8個輸出端連接起來，再與預置端LOAD’相連接。由于沒有8輸入的或門，故用兩個4輸入或非門和一個與非門相連接來實現。

依據設計要求黃燈每秒閃一次，即黃燈0.5s亮，0.5s滅，故將a向，b向黃燈控制輸出信號分別和一個頻率為1HZ的時鐘信號各自通過一個與門后，與a向，b向黃燈相連接，如圖3.2.1（1）相關部分。

增加功能，希望在交通燈每個燈轉換時，可以有個提示路人的裝置，提示路人注意交通燈轉換了。只需在兩個JK觸發器的CLK端增添一個信號燈即可，如圖3.2.1（1）相關部分所示。

將圖3.2.2（1）所示的倒計時計數器電路與圖3.2.1（1）所示的信號燈轉換控制器電路組合的交通信號控制器電路，如圖3.2.5所示。圖中，倒計時計數器向信號燈轉換控制器提供定時控制信號T5和T0，以實現交通信號燈4 個狀態的循環轉換。T0是一個只有當倒計時計數減到數“00”（0000 0000）時，才會產生并輸入到信號燈轉換控制器的控制信號。該信號是把個位，十位計數器的輸出端QA,QB,QC,QD分別用一個4輸入或非門連起來，再通過一個與非門后，輸入到倒計時計數器的置數控制端。當計數器減到數“00”時，一路T0信號經與非門輸出為低電平有效置數信號，使計數定時器重新置數為35；另一路T0信號經與門，或門輸入到信號燈轉換控制器的時鐘信號輸入端，并使信號燈發生轉換，一個方向的綠燈亮，另一個方向的紅燈亮。T5是一個只有當倒計時計數減到“05”（0000 0101）時，才會產生并輸入到信號燈轉換控制器的另一個控制信號，當計數器減到“05”時，由十位計數器的輸出端QA,QB,QC,QD通過一個4輸入的或非門產生的輸出信號，個位計數器輸出端QB,QD通過一個2輸入或非門產生的輸出信號，個位計數器輸出端QA和QC的輸出端信號四者通過一個與門后產生的T5信號，通過一個或門輸入到信號燈轉換控制器的時鐘信號輸入端，使交通信號燈的狀態隨之轉換，綠燈變為黃燈，紅燈不變。也就是說，由T0和T5形成的時鐘信號使交通信號燈按預制的S0，S1，S2，S3等4種狀態循環點亮。

打開3.2.5所示的交通信號控制器電路，啟動仿真，便可以進行交通信號燈控制器的仿真，電路默認把通行時間設為45s，東西方向車道的綠燈亮，南北方向車道的紅燈亮。時間顯示器從預置的45s，以每秒減1的速率開始倒計時。減到數5時，東西方向車道的綠燈轉換為黃燈，而且黃燈每秒閃一次，南北方向車道的紅燈狀態不變，減到數0時，1s后顯示器又轉換成預置的45s，東西方向車道的黃燈轉換為紅燈，南北方向車道的紅燈轉換為綠燈。減到數5時，南北方向車道的綠燈轉換為黃燈，而且黃燈每秒閃一次，東西方向車道的紅燈狀態不變。如此循環不止。

圖4.1.1 東西綠燈 南北紅燈

圖4.1.2 東西黃燈 南北綠燈

圖4.1.3 東西紅燈 南北綠燈

圖4.1.4 東西方向 南北紅燈

通過撥動預置時間的開關可以把通車時間修改為其他的值再進行仿真（時間范圍為1~99s），效果應同上。啟動仿真，東西方向綠燈亮，時間倒計數定時，交通信號燈進行一次轉化，到0s時又進行轉換，而且時間重置為預置數的數值，如此循環。

為加快檢測，調試速度，可將頻率為1HZ的秒數時鐘信號暫時設置的更高一些，如100HZ；如發現8位置數開關S1又返回到了0000 0000 狀態，應重新進行預置數設置。

圖4.2.1 東西紅燈 南北綠燈

圖4.2.2 東西黃燈 南北綠燈

圖4.2.3 東西綠燈 南北紅燈

圖4.2.4 東西綠燈 南北黃燈

在剛接觸到這道題時，自己完全不知道該如何下手，從哪里開始做，查找教材，資料，相應軟件，為了這次課程設計，我在圖書館查找了大量的相關資料，終于被我找全了和本次課程設計相關的不懂問題。根據所分析的系統的電路原理圖，結合系統的設計要求，在Multisim環境下進行元器件之間的連線和編譯與仿真，及時檢查元器件的放置、連線是否有錯誤。根據交通燈系統的控制要求，經過實驗，排除所有實驗中的錯誤并實現了預定的功能。然后，在進行自己增添功能的設置，在各通道上放一個提示燈，然后仿真運行，完成自己本次的課程設計電路圖。

經過一個星期的課程設計，在自己的研究下，老師的指導下，通過學習交通燈系統控制器的設計的實驗，學習一種設計電子的軟件，增加了我對電子設計的了解和自我學習能，增加了自己在遇到問題時的應變能力和自我處理能力。雖然，不否認在第二天剛開始進行畫電路圖時，沒有得到自己想要的運行結果，很慌，也很煩，感覺畫了好久的電路圖卻沒有結果感覺挫敗，但是后來在網上搜了相關問題，發現只是一個很小的設置錯誤，然后自己改正，再運行，反復檢查錯誤。

連接完電路并且得到想要的運行結果后，開始對電路進行更深層次的研究，在網上查找，翻閱圖書，搞懂電路，認真弄懂每個元器件的功能，想清楚黃燈是怎么實現的，紅綠燈轉換是怎么實現的，4個狀態是通過什么進行交替運行的。這也更加深了我對課程的了解。

從大一到大二，課設設計也是經歷了許多，沒有失敗就沒有進步，這次課程設計雖然過程有點艱辛，但是經過這次實驗讓我明白了理論知識固然很重要，但是要想更好的學習好理論知識，我們就應該動手去驗證它，理論和實踐完美的結合才是最重要的！

最后，感謝老師在此次課程設計中的指導和幫助。

20150303234劉芳.doc (2.61 MB, 下載次數: 131)

2018-6-13 09:41 上傳

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