吴洁基于multisim交通灯课程设计

2021年2月13日发(作者：肺部感染的症状)

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

.
.....................................
1
1

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

........................ ....................................
1
5

参考文献

.
............. .............................................
1
7

附录

.................... .......................................
1
9



























课程设计说明书

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< br>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
5 55
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< br>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。

1
课程设计说明书

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< br>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。















图
2-1

整体电路框图


四分频器

秒脉冲产生电路

工作方式控制开关
十二进制计数器

组合逻辑电路

东西信号灯

南北信号灯

系
统
电
源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< br>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：






2
课程设计说明书

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

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


图
2-2



信号指示灯白天点亮流程图









3
课程设计说明书

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
即
A
为正
B
为负时，
二极管
D
、
D
u
为正半周时，
2
2
2
3
导通，
D
、
D
截止。电流流经的路 径是：从
A
点出发，经二极管
D
、负载，
1
4
在经
D
回到
B
点。若忽略二极管的正向压降，可以认为
R
上的电 压
3
2
u
2
0
≈
u
3
2
。

当
止。

u
为负半周，即
A
为负B
为正时，二极管
D
、
D
导通，
D
、
D
截
2
1
4
4
2
电流的通路是从
B
点出发，经
D
、负载
R
回到
A
点。若忽略二极管的正向压降
u
≈
-
u
。

0
2
从 图上看出，
无论
u
的正、
负半周如何变换，
流经
R
的电流方向始终不变，
2
2
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。



3
V1
1
220 Vrms
50 Hz
0?
?

2
T1
4
2
6
D11
U1
LM7805CT
7




C1
3.3mF
4
3
1B4B42
0
R
L

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
5 55
和电阻、
电容组成的多谐振荡器。
4
课程设计说明书

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< br>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、







V
co

V
i1

Vcc
R
D

6
13
R1
5k?
?
1
9
U5
U1A
8
&




V
i2








10
2
74LS12D
R2
OPAMP_3T_VIRTUAL
3
5k?
?
U6
U2A
&
U3A
4
&
U4A
5
74LS04D7
V
0
74ALS03BN
R3
OPAMP_3T_VIRT UAL
5k?
?
0
Q1
R4
11
12
2N 5209
5?
?
74ALS03BN
V
OD







图
3-2

CB555
的电路结构图

5
2
6
7
4< br>R
S
T
V
C
C
U2
C
O
N
T
R
I
T
H
R
1

3
O
U
T




LM555CM
图
3-3

555
定时器引脚图

5
8

G
N
D
555
D
I
S
课程设计说明书

振荡周期与频率的计算公式为：< br>T=
?
R
?
2
R
?
CIn
2
=0.7
?
R
?
2
R
?
C

电源电压
1
2
1
2
V
cc
=+5V
，其中电路图中
C
2

的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般
选用
0.01
μ
F
的瓷片电容。在此课程设计中要求输出
T=1S
，选取电容为
C
1< br>
=1
μ
F
，
R
=560
Ω
，根据振荡周期计算，选择电阻
R
=560
Ω
。当元件选取完
1
1
成以后，根据电路原理图连接电路即可。













3.3
计数模块

Vcc
1
8
VCC
4
RST
DIS
THR
TRI
OUT
3
R 13
560Ω
2
R14
434Ω
7
6
2
U 19
5
u
o

u
4

c
3
5
C2
1uF
0
C3
10nF
CON
GND1
LM555CM
图
3-4

定时器
555
与
RC
组成的多谐振荡器

74LS 164
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< br>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
引脚排列和逻辑符号

6
Q
A
Q
B
Q
C
Q
D
Q
E
Q
F
Q
G
Q
H
74LS164
3
4
5
6
1
0
1
1
1
2
1
3

U1
74LS164D
~
C
L
R
9
1
2
A
B
8
C
L
K
课程设计说明书




时钟

CP
×

L
↑

↑

↑

串入


AB
Q
A

××

L
××

Q
AO

HH
H
L
×

L
×
L
L
图
3-5

74LS164
的逻辑功能表

输出

Q
B

L
Q
BO

Q
AN

Q
AN

Q
AN

Q
C

L
Q
CO

Q
BN

Q
BN

Q
BN

Q
D

L
Q
DO

Q
CN

Q
CN

Q
CN

Q
E

L
Q
EO

Q
DN

Q
DN

Q
DN

Q
F

L
Q
FO

Q
EN

Q
EN

Q
EN

Q
G
L
Q
GO

Q
FN

Q
FN

Q
FN

Q
H
L
Q
HO

Q
GN

Q
GN

Q
GN

输入

清零

R
D
′

L
H
H
H
H

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。

U2A
7404N
3
4
5
6
1
0
1
1
1
2
1
3
Q
A
Q
B
Q
C
Q
D
Q
E
Q
F
Q
G
Q
H
U 1
74LS164D
2
~
C
L
R
C
LK
R1
5kΩ
1
2
A
B
3
9
1
8
J1
Key = Space
0
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。

7
课程设计说明书

EWG
&
EWY
U1B
74LS11D
&
EWR
U2B
74LS08D
&
NSG
&
NSY
U4B
74LS11D
&
NSG
U6B
74LS08D< br>&
U3B
74LS08D
24
U5B
74LS08D
9
U9B
>
=
1
10
12
8
>
=
1
Q
H
1
3
&
74LS32D
U10B< br>74LS32D
7
13
U11B
&
U8B
74LS0 8D
74LS08D
U7B
74LS04D
U12B
U13B
74LS04D
74LS04D
11
3
4
Q
A
Q
B
16
1
0
5
6
15
1
1
Q
F
1
2
Q
G
Q
C
Q
D
Q
E
U14
74LS164D
9
8
+5V

20
R13
5k?
?
49
J1
Key = A < br>0
48
1
2
A
B
&
~
C
L
R
C
L
K
4s
图
3-7

组合逻辑电路的原理图

表

3-2

组合逻辑电路的真值表

















计数器输出

南北信号

NSG NSY NSR
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
东西信号

EWG EWY EWR
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
Q
A
Q
B
Q
C
Q
D
Q
E
Q
F

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

8
课程设计说明书

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。< br>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< br>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。



6
5
6
5
6
~
1
Q
4S
~
1
Q
1
Q
7
1
C
L
K
~
1
P
R
~
1
C
L
R
4
3
2
1
4
3
2
1
~
1
C
L
R
~
1
P
R
1
D
1
C
L
K
U8B
74LS74N
1
Q
8
U7A
74LS74N
1
D
9
1S



CP
0
1
1

图
3-8

四分频器的电路原理图



表
3-3

74LS74
功能表



D
X
0
1
Q
n+1

Q
n

0
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< br>（
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
端。图< br>3-8
为
74LS74
的管脚排布，表
3-4
为
74 LS74
的功能表。


9
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