1 选题背景 .............................................................................................................................. 3
1．1 指导思想 ................................................................................................................ 3 1．2 方案论证 ................................................................................................................ 3 1．3 基本设计任务 ........................................................................................................ 3 1．4电路特点 ................................................................................................................. 3 2 电路设计 .............................................................................................................................. 4
2.1 总体方框图 .............................................................................................................. 4 2.2 工作原理 .................................................................................................................. 4 3 各主要电路及部件工作原理 .............................................................................................. 5
3.1 555单稳态触发电路 ............................................................................................... 5 3.2计数器电路 ............................................................................................................... 5 3.3控制电路 ................................................................................................................... 6 3.4显示电路 ................................................................................................................... 7 4 原理总图 .............................................................................................................................. 8 5 元器件清单 .......................................................................................................................... 9 6 调试过程及测试数据（或者仿真结果） .......................................................................... 9
6.1 通电前检查 .............................................................................................................. 9 6.2 通电检查 .................................................................................................................. 9
6.2.1按钮开关的检查 ........................................................................................... 9 6.2.2 NE555单元电路的调试 ............................................................................... 9 6.2.3计数器电路和显示电路的调试 ................................................................. 10 6.2.4 74LS112控制电路的调试 ......................................................................... 10 6.2.5发光二极管的调试 ..................................................................................... 10 6.3 结果分析 ................................................................................................................ 10 7 小结 .................................................................................................................................... 10 8 设计体会及今后的改进意见 ............................................................................................ 11
8.1 体会 ........................................................................................................................ 11 8.2 本方案特点及存在的问题 .................................................................................... 11 8.3 改进意见 ................................................................................................................ 11 参考文献 ................................................................................................................................ 12
2
正 文
1 选题背景
随着人们生活水平的提高，私家车逐渐成为很多人首选的代步工具，然而如何解决私家车给交通带来的巨大压力，特别是如何保证十字路口车辆的通行有条不紊，这就需要设计出比较符合实际要求的、人性化的交通信号灯控制器。 1．1 指导思想
通过555电路产生秒脉冲信号，计时器开始计数，再设计主控电路实现不同状态信号灯以及计数时间的转换，最后通过显示电路将信号灯以及计数时间显示出来。 1．2 方案论证
方案一：通过脉冲驱动电路将秒脉冲信号转换成所需要的三种脉冲，即45s，5s，25s，
然后通过74LS138译码器和主控电路在三种信号中进行转换和译码。
方案二：通过JK触发器和门电路实现控制信号的转换。达到设定时间后反馈信号会给
JK触发器一个脉冲使触发器的输出状态进行变化，继而通过门电路将输出信号进行处理使下个计数状态工作。
综合考虑，我们采用方案二。方案一中将秒脉冲转换成45s，5s，25s三种信号需要大量的门电路，并且后面的计数和主控部分共同实现，逻辑性很强电路也很复杂。方案二相比简而言电路简单，思路也比较简单，唯一的缺点就是JK触发器初始值不稳定，需要想办法让它稳定。 1．3 基本设计任务
设计一个交通信号灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则停止行驶（给行驶中的车辆有时间停在禁行线以外）。具体要求如下： （１）用红、绿、黄发光二极管作信号指示灯。
（２）主支干道交替允许通行。主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒。 （３）在每次由绿灯亮转换到红灯亮的过程中，要亮5秒钟的黄灯作为过渡。
1．4电路特点
（1）主干道、支干道分开记数
（2）计数紊乱时可以手动复位
3
2 电路设计
2.1 总体方框图
计数器显示 信号灯显示 秒脉冲发生器 计数器 输出 反馈
主控电路（ＪＫ触发器及相应门电路） 图2-1 总体方框图
2.2 工作原理
如上面的总体方框图所示，电路主要由秒脉冲发生器、计时器，JK触发器，门
电路等部分组成。秒脉冲发生器是电路中计数器的标准时钟信号源，由555电路以及外接定时元件Ｒ，Ｃ构成。计数器部分用74ls160，主干道和支干道分开显示，主干道完成45s、5s、30s循环，支干道完成50s、25s、5s循环。计数器采用的是复位法实现所需进制的计数，首先设置的是45s的计数，将计数器的输出端（片1的Q2、片2的Q0Q2）与与非门连接，当45s计数完成时，3个输出端全部为1，与非门输出由1变成0，并产生脉冲信号给主控电路中的JK触发器（默认Q端的初始值为0，JK端接高电平），触发器的输出状态发生变化，即Q由0变为1，Q’由1变为0，同时将与非门的输出端接到计数器的清零端，重新开始下一次计数。其次是5s的计数，将计数器的输出端以及JK触发器的Q端与与非门连接，由于此时的Q端为1，当计数器计数到5s时与非门输出0使计数器清零重新计数，尽管45s设置有效但到了5s计数器就清零了，也就是说计数器无法完成45s的计数，同样将产生的进位脉冲信号给JK触发器，即Q由1变回0，Q’由0变回1，5s设置无效。接着是30s的计数，将计数器输出端以及另一片JK触发器的Q端与与非门连接，触发器的CP端与5s计数电路中与非门的进位输出端连接，45s、5s计数时第二片触发器的Q端为0,30s计数不工作，当5s计数完成后Q端由0变成1,30s计数开始工作。最后将30s计数电路中的与非门输出端和JK触发器的复位端连接，即30s工作完后产生低电平使触发器复位，开始下一轮计数。在实现整个循环的过程中，计数器一直处于工作状态，每一个技术状态完成后产生进位信号使计数器清零后重新工作，另外，45s计数设置一直有效，只是5s、30s计数工作时无法完成45s计数，相当于45s计数不工作，而5s、30s技术状态由JK触发器的输出端控制。支干道的50s、25s、5s计数和主干道基本原理一
4
样。显示部分分为两种：数码管显示和信号灯的变化显示。数码管的显示通过CD4511的译码和若干保护电阻就可以完成。信号灯的显示通过或门和JK触发器的输出端来控制。
3 各主要电路及部件工作原理 3.1 555单稳态触发电路
VDD5VVDD8U1OUT3R147kΩ1R247kΩVCC47RSTDISTHRTRICONGND262510uF 410nF 01LM555CM
图3-1NE555构成的秒脉冲发生器电路
555定时器是一种应用方便的中规模集成电路, 广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。因此秒脉冲发生器采用由555定时器及外围元件组成的多谐振荡器。多谐振荡器只有暂态无稳态，所以可以用来做秒脉冲发生器。外围所需电阻均采用47kΩ，电容C为10uf。 由T=(R1+2R2)Cln2可得周期，本电路不要求秒冲周期必须为1s，因此采用以上数据的元件。实现高低电平等周期相间出现。 3.2计数器电路
计数器部分用74ls160，主干道和支干道分开显示，主干道完成45s、5s、30s循环，支干道完成50s、25s、5s循环。计数器采用的是复位法实现所需进制的计数。计数器的有效输出端与与非门连接，图为主干道计时器，后两个与非门的1端分别和两片JK触发器的Q端相连。
5
图3-2 主干道计时器
3.3控制电路
45s计数完成时，3个有效输出端全部为1，与非门输出由1变成0，并产生脉冲信号给主控电路中的JK触发器（默认Q端的初始值为0，JK端接高电平），触发器的输出状态发生变化，即Q由0变为1，Q’由1变为0，同时将与非门的输出端接到计数器的清零端，计数器复位。由于Q端和第2个与非门连接，当45s完成后Q端变为高电平，5s计数开始工作，同样5s完成后出发第2片JK触发器，使30s开始工作。支干道与主干道原理一样。
表3-3-1 计数状态与触发器输出状态表
计数状态 主干道45s 主干道5s 主干道30s JK触发器1 Q端 Q'端 0 1 1 0 0 1
6
JK触发器2 Q端 Q'端 0 1 0 1 1 0
图3-3-2 主干道控制电路
3.4显示电路
数码管显示电路所选用的是共阴数码管和CD4511译码器，用510Ω的保护电阻。
信号灯显示电路采用红黄绿三色的发光二极管，共阴极接法，并联接5v电源时
分别接510Ω的保护电阻。信号灯的状态转换由JK触发器的输出端控制，两片JK触发器的Q端通过或门和主干道绿灯连接，当Q端同时为0时主干道绿灯亮。JK触发器2的Q’端和主干道红灯连接，Q’端为0时主干道红灯亮。JK触发器1的Q’端与JK触发器2的Q端通过或门和主干道黄灯连接，两端同时为0时主干道黄灯亮。主干道和支干道信号灯和触发器的输出端关系表如下：
表3-4 主干道和支干道信号灯和触发器的输出端关系表
主干道红灯亮 主干道黄灯亮 主干道绿灯亮 支干道红灯亮 支干道黄灯亮 支干道绿灯亮
主干道JK触发器1 主干道JK触发器2 支干道JK触发器1 支干道JK触发器2 Q X X 0 X X X Q' X 0 X X X X Q X 0 0 X X X 7
Q' 0 X X X X X Q X X X 0 X X Q' X X X X X 0 Q X X X 0 X 0 Q' X X X X 0 X
4 原理总图
图3-4-1 主干道信号灯显示 图3-4-2 支干道信号灯显示
图4-1 原理总图
8
5 元器件清单
表5-1 元件清单
元件序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
型号 74LS10 74LS11 74LS20 74LS32 74LS112 74LS160 NE555 CD4511 数码管 LED(红) LED(黄) LED(绿) 电解电容 陶瓷电容 开关 电阻 电阻 导线 主要参数 10uF 0.01uF 47kΩ 510Ω 数量 2个 1个 1个 2个 2个 4个 1个 4个 4个 2个 2个 2个 1个 1个 1个 2个 若干 若干 备注 三输入与非门 三输入与门 双四输入与非门 二输入或门 双JK触发器 计数器 555定时器 BCD译码器 共阴极 交通灯（红灯） 交通灯（黄灯） 交通灯（绿灯） 555外围元件 555外围元件 单刀双掷 555外围元件 6 调试过程及测试数据（或者仿真结果）
为使电路便于调试我们采用分块调试的方法。 6.1 通电前检查
电路安装完毕后，经检查电路各部分接线正确，电源、元器件之间无短路，无虚焊，器件无接错现象。 6.2 通电检查
6.2.1按钮开关的检查
首先将按钮开关和其他电路模块断开，只留按钮开关部分。其次，给电路两端接5伏直流电压。理论上对于其他模块和按钮开关断开时，其他模块未上电，应该不工作。用电压表测得其各模块电压为低电平。 6.2.2 NE555单元电路的调试
断开其他单元，将NE555模块与按钮开关之间的电路连接起来。理论上当开关按
9
钮打开时，NE555组成的秒脉冲发生器已上电，可以工作。为了调试此模块，上电后将555的输出端（引脚3）接到示波器上，观察到的波形为周期的方波 。 6.2.3计数器电路和显示电路的调试
将NE555模块与计数器电路和显示电路之间的电路连接起来。当开关置于闭合时，即电路通电，则NE555产生的秒脉冲信号加到计数器电路，计数器的输出接到显示电路的输入端，理论上各部分正常工作时，计数器应该计数且显示电路显示从0数值并每秒加1。调试此模块后，现象与理论相符。 6.2.4 74LS112控制电路的调试
将控制电路与以上已调试电路连接。当电路通电时，计数器与显示电路正常工作，当主干道记数到达45s后，若控制电路正常，则控制计数器电路清零，计数；当主干道计数5s后，再清零，计数；当到达30s时，控制电路将计数器电路清零。并以此作为循环往复（次干道分别在50s,25s,5s依次清零）。 6.2.5发光二极管的调试
未接电源时，万用表打到电阻档上,将电压表的红表笔接到二极管的正引脚（长正短负）；将电压表的黑表笔接到二极管的负引脚。理论上二极管的电阻应>50Ω，若将两表笔反接，则电阻趋于无穷。 6.3 结果分析
电路通电后，主干道计数器进行45s计数支，道计数器进行50s计数，同时主
干道绿灯亮，支干道红灯亮。主干道45s计数完后，开始5s计数，此时主干道黄灯亮，支干道继续50s计数且支干道红灯继续亮。然后主干道5s和支干道50s计数同时结束，主干道红灯亮开始30s计数，支干道绿灯亮开始25s计数。支干道25s计数完成后，开始5s计数同时黄灯亮，此时主干道继续30s计数且主干道红灯继续亮。最后5s完成后，进位信号给JK触发器脉冲，使JK触发器复位重新开始下一轮计数。即下一个循环。若刚开始主干道45s计数和支干道50s计数发生紊乱则需要用复位开关进行复位。
7 小结
1．JK触发器的初始值不稳定，实际中我们用复位开关人为进行复位。 2. 电源电压太高计数器会发生跃变，实际中我们只用3节干电池。
10
8 设计体会及今后的改进意见
8.1 体会
通过这次课程设计,我对数字电子技术在实践中的应用有了更深刻的理解。不仅激发了我的学习积极性而且学到了一些课本上没有的东西，例如怎样查线怎样分析问题所在以及掌握数字电路中有关器件的应用等。另外我积累了很多实际操作经验，也深刻地体会到数字电子技术在实际生活中的重要作用。
课程设计对于我来说是第一次，听完课程设计指导课仍然觉得一头雾水，也不知道该选哪个题，考虑了一段时间后我们决定做交通信号灯控制器。于是接下来几天就是到处找资料，一起讨论，在这个过程中我把以前许多没有弄懂的知识点搞清楚了，对许多模糊的知识点加强了印象，终于经过两个星期的努力草稿图弄了出来。一般课程设计需要在仿真软件上运行仿真后才能动手实践，我们刚开始用的是multisim软件，用了几天后发现它的仿真效果并不理想，整个软件运行速度比较慢，后来决定用protues软件，在边学边用的情况下完成了草图。在制图的过程中不断地发现问题解决问题，尽量用最少的元器件实现最多的功能，力求做到做好。最终我们的原理图成功设计出来了，经过短暂的喜悦后我们又将全部精力投入到实际制作中，因为我们知道实际制作同样不能小瞧。如我们所料，在焊接的过程中的确出现了很多和理论差距很大的问题，好在最终我们克服了重重困难完成了这次课程设计。
尽管课程设计很累，有的时候几乎是整天泡在实验室里直到到实验室要关门的时候才离开。但是我们觉得过得比较的充实。在这一段时间里我明白了课程设计意义，它不仅仅将理论知识与实践结合起来，而且提高实际动手能力和独立思考的能力，以及团队合作能力。我觉得这是一次成功的实践。 8.2 本方案特点及存在的问题
本方案的特点是主干道、支干道分开计数，当计数紊乱时可以手动复位。设计的
原理比较简单，所用的芯片都很常见，从原理总图可以看出主干道和支干道基本上对称。主要存在的问题就是计数器用的是加法计数，JK触发器初始值不稳定，偶尔会在实际运行中计数状态出现紊乱现象，为了防止这种现象得认为加个复位开关，不过这种紊乱想象出现的概率很低。 8.3 改进意见
1．JK触发器的初始值不稳定，应该将手动复位改进成自动复位。 2. 电源电压太高计数器会发生跃变，应该使电路在5v电压下稳定工作。 3. 计数部分采用的是加法计数，应从减法计数方面进行改进。
11
参考文献
【1】 阎石.数学电子技术基础.清华大学.高等教育出版社.2006 【2】 党宏社.电路、电子技术试验与电子实训. 电子工业出版社.2008.7 【3】 何希才【常用集成电路应用实例】电子工业出版社 2007
12
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容