唐 山 学 院
《数字电子技术》课 程 设 计
题 目 交通信号灯控制电路的设计与仿真 系 (部) 信息工程系 班 级 09电气工程及其自动化4班 姓 名 耿廑 学 号 4090208432 指导教师 赵庆利、岳姝、李海涛、樊艳
2011年7月4日至 7月8日 共1周
2011年 7 月8日
《数字电子技术》 课程设计任务书
一、设计题目、内容及要求 设计题目：交通信号灯控制电路的设计与仿真 设计内容：1.信号灯白天工作要求 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。 如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。 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。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。 2.夜间工作方式 南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。 设计要求： （1）要求根据设计要求实现交通灯的现实功能； （2）用Multisim进行仿真 （3）最后要有设计说明书； 二、设计原始资料 Multisim仿真软件、芯片资料 三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等） 课程设计说明书、仿真结果
四、进程安排 周1 讲解整个设计要实现的功能，查阅相关资料，画出整体电路， 周2、3进行仿真并调试； 周4 撰写课程设计任务书 周5 课程设计答辩并交设计说明书 五、主要参考资料 [1] 付家才．电子工程实践技术．北京：北京工业出版社，2003 [2] 毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，2001 [3] 阎石主编．数字电子技术基础（第五版）．北京：高等教育出版社，2009 [4] 丁润涛主编．电子工程手册．北京：机械工业出版社，1995 指导教师（签名）： 教研室主任（签名）：
课程设计成绩评定表
出勤 情况 出勤天数 缺勤天数 出勤情况及设计过程表现成 绩 评 定 （20分） 课设答辩（20分） 设计成果（60分） 总成绩（100分）
提问 （答辩） 问题 情况 综 合 评 定 指导教师签名： 年 月 日
目 录
1 引言 ................................................................................................................................ 1 1.1设计目的 .................................................................................................................. 1 1.2设计的背景 .............................................................................................................. 1 2 MULTISIM的简介 ........................................................................................................ 2 3 设计的思路 .................................................................................................................... 3 4设计的各个模块 ............................................................................................................. 4 4.1 4分频器模块 ............................................................................................................ 4 4.2 计数器与信号灯模块 .............................................................................................. 5 4.3 555定时器模块 ........................................................................................................ 6 4.4 直流电源模块 .......................................................................................................... 7 5整体模块 ....................................................................................................................... 10 5.1 简单概述 ................................................................................................................ 10 5.2 时序仿真结果 ........................................................................................................ 10 6课程总结 ....................................................................................................................... 13 参考文献 .......................................................................................................................... 14 附录1 ............................................................................................................................... 15 附录2 ............................................................................................................................... 16
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1 引言
1.1设计目的
通过本次设计，加深对数字电子技术课程的全面认识、复习和掌握，对数字电子技术的应用进一步的了解。
1.2设计的背景
现在城市人们日常出行都少不了遇到十字路口，要想确保十字路口交通正常运行，必须要有命令统一指挥，以前是交警值班进行指挥，这样不仅浪费人力资源，不利于自动化控制，而且遇到严寒酷暑天气，对交警的身体素质是一个很大的挑战。而如果有一个能自动控制的装置，则节省了人力而且避免了恶劣天气对人身的危害，且控制的时间更加准确化，于是，交通灯便是一个很好的设计。
一个好的交通信号灯非常重要，不仅要求工作稳定，还要求工作合理。例如：信号灯红黄绿灯的亮灭时间要合理，否则有可能会造成交通拥堵。
设计的交通灯应满足以下两个要求： 1 信号灯白天工作要求：
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。
如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。
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。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。
2 夜间工作方式
南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。
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2 Multisim的简介
EDA（电子设计自动化）技术是一门以计算机为工作平台进行电子产品自动化设计的技术，利用EDA工具，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出PCB版图的整个过程在计算机上自动完成。EDA的软件很多，其中Multisim是目前最为流行的电路仿真软件，是广大专业及业余电路设计人员及在校大学生设计电路的得力工具。
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
Multisim 10通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路;通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为；借助高级电路分析, 理解基本设计特征；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上市时间。
NI 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NI 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。
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3 设计的思路
作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。
设计的交通信号灯要求的工作方式为： 1 白天工作方式：
(1) 南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮共5t； (2) 南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮共1t； (3) 南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮共5t； (4) 南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮共1t； (5) 上述过程依次循环。
2 夜间工作方式为：黄灯每秒闪烁一次，其它灯全熄灭。
总的设计思路为：信号灯由组合逻辑电路控制，由于白天灯亮时间之比为：黄：绿：红=6:5:1，因此组合逻辑电路应由十二进制器输入脉冲；
十二进制器的时间单位为4秒，为保证其工作步调一致，需要由1秒脉冲经一个4分频器得到4秒脉冲，因此需要设计一个4分频器；
由于有白天和夜间模式之分，因此，在分频器输入组合逻辑电路之前要有一个工作方式控制开关来进行白天与夜间工作方式切换；
为简单起见，秒脉冲应由555定时器和电阻、电容连接成的多谐振荡器产生； 另外，整个电路需要的电源为5V直流稳压电源，应由室电220V交流电经变压器变为9V交流电，再经过桥式整流电路、滤波电路、稳压器稳压等过程，最后得到5V直流稳压电源。
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。
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4设计的各个模块
4.1 4分频器模块
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。采用两个D触发器组成4分频器电路。
电路图及其仿真时输入分频器前后波形对比：
XSC1Ext Trig+_A+_+B_GNDGND4U1B4321~1PR1CLK1D~1CLR1Q~1Q5321U1A~1PR1CLK1D~1CLR1Q~1Q56174LS74D74LS74D23XFG1图4-1 4分频器连接图 图4-2 经4分频器后脉冲波形对比
通过示波器可以看出，当输入脉冲为1S时，经4分频器后输出脉冲变为4S， 其经4分频器前后脉冲高低电平对比表如表4-1：
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表4-1 经4分频器前后脉冲高低电平对比表
Cp1 0 1 0 1 0 1 0 1
Q2 0 0 0 0 1 1 1 1
4.2 计数器与信号灯模块
十二进制计数器: 计数器可以用触发器组成，也可以用中规模集成计数器组成，以及用移位寄存器组成环形或扭环形计数器。建议用中规模移位寄存器组成扭环形12进制计数器。
表4-2 74LS1芯片真值表
RD′ L H H H H
CP × L ↑ ↑ ↑
A × × H L ×
B QA × L × QA0 H H × L L L
QB L QB0 QAn QAn QAn
QC L QC0 QBn QBn QBn
QD L QD0 QCn QCn QCn
QE L QE0 QDn QDn QDn
QF L QF0 QEn QEn QEn
QG L QG0 QFn QFn QFn
QH L QH0 QGn QGn QGn
由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为5：1：6），因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LS1。
电阻的选取：集电极直流负载电阻RC的计算与确定：发光二极管的驱动电流为10mA ～20mA，发光二极管的驱动电压大概是1.7V左右，其截止时不工作，正常工作时处于饱和状态，由于UCES=0.3V可忽略，Rc=(Vcc-1.7)*1000/（3～20） ，即Rc为165Ω～1100Ω，可取Rc=220Ω，此时它的驱动电流为15mA。因此R1=220Ω。
发光二极管饱和时UCE=0.7V,iBS≈15/100=0.15 mA,因为iB>iBS,可取iB=1mA。高电平时，RB=5kΩ。因此R2=5kΩ。
经仿真后的白天模式下红黄绿灯的波形及分频器的输出波形图为见图4-3。 由波形图可知，同一个方向上红黄绿三个灯中只能有且只有一个是高电平，即在同一个时刻，三个灯中只能有且只有一个灯是亮的，另外两个必须熄灭。这种情况与实际情况相符合，如果三个灯中有不止一个灯亮，则势必造成交通的混乱；如果一个都不亮，
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图4-3 白天模式下的某方向红黄绿灯波形及分频器的输出波形
车辆各行其是，也必然容易引发交通事故。
夜间模式即开关闭合后，晚上停止白天红黄绿三灯工作方式，但为了提醒司机到了十字路口，于是用黄灯闪烁的方式作为夜间模式，而红黄灯都停止工作。夜间模式如图4-4：
图4-4 夜间模式下的某方向红黄绿灯波形及分频器的输出波形
以上两个图的电路图见图4-5。
4.3 555定时器模块
由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。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
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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。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。
0图4-5 电路原理图
振荡周期与频率的计算公式：T=(R1+2R2).CIn2=0.7(R1+2R2)C电源电压Vcc=+5V,电路图中C2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。课程设计中要求T=1S,选取电容C1=1μF，经计算选择R1=560KΩ，R2=434.285 KΩ，原件选取完成后，根据电路图连接线路。
图4-6 555定时器芯片
555定时器电路连接图见图4-7。
555定时器直接输出为500mV，通过一个运算放大器将电压放大10倍，输出5V 仿真结果输出波形见图4-8。
4.4 直流电源模块
作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。78系列和79系列三端线性集成稳压器为输出固定电
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压的集成稳压器。78系列输出正电压，79系列输出负电压。它们输出的固定电压标称值分别为:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V。如7805输出电压为5V，7806输出电压为6V，…7824输出电压为24V。79系列输出电压与此类同。输出电流档次由78（79）与输出电压档次之间的英文字母决定：L(0.1A)、M(0.5A)、空（1.5A）、T(3A)、H（5A）、P(10A)。
VCC5VVCCU11555_TIMER_RATEDVCCXSC1Ext Trig+_A+_+B_R12560k¦¸2R15434.285k¦¸RSTDISTHRTRICONOUT4R199¦¸R256U17GNDCOMPARATOR_VIRTUALR3100¦¸GND3C31uFGNDGND1C210nFGNDGNDGND1k¦¸GNDGND图4-7 多谐振荡器连接电路图
图4-8 秒脉冲波形图
根据电源的负载电流，折算成RL值，利用有关公式选择滤波电容的容量。其耐压应高于变压器次级电压峰值2倍以上。
根据负载电流，选择整流二极管，要求二极管最大整流电流大于负载电流的2倍以上。其耐压应大于变压器次级电压峰值的2倍以上。
变压器的功率应大于系统功率2倍以上，次级输出电压有效值根据桥式整流电容滤波输出电压为1.1~1.2U2，而这个值应大于稳压输出电压值的3~5V，从而选定变压器次
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级电压的有效值。而整流滤波的输出为8~10V，本系统采用8299整流桥。变压器选择
9/12V即可。
因此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。
U10LM7805CTV14T1220 Vrms 50 Hz 0¡ã 352421D11LINEVOLTAGEVREGCOMMONXMM16C11mF31B4B42XMM20图4-9 直流电源电路稳压电路图 采用Multisim软件进行仿真如图：
图4-10 变压器副边电压
图4-11 输出电压
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5整体模块
5.1 简单概述
作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。
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。
整体电路图见附录2。 信号灯白天工作方式见表5-1：
表5-1白天模式灯的亮灭情况 时间 0—20s 21—24s 24—44s 44—48s
南北灯红 红 绿 黄
东西灯绿 黄 红 红
以上灯的变化情况依次循环。
夜间模式（开关闭合后）灯的工作方式见表5-2。 两个方向都是黄灯每秒闪烁一次，其它灯均灭。
表5-2 夜间模式灯的亮灭情况 时间 1s 2s 3s 4s
南北灯黄 黄 黄 黄
东西灯黄 黄 黄 黄
以上灯的变化情况依次循环，与理论结果一致。
5.2 时序仿真结果
1 白天工作方式
交通灯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。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。
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图5-1 东西方向红灯亮南北方向绿灯亮
图5-2 东西方向红灯亮南北方向黄灯亮
图5-3 东西方向绿灯亮南北方向红灯亮
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图5-4 东西方向黄灯亮南北方向绿灯亮
2 夜间工作方式
南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮，如图4-6。设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。
图5-5 交通灯夜晚工作图
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6课程总结
一周的课程设计就要结束了，通过这次课程设计，我学到的最重要的东西就是对于这种工程量比较大的任务，一定要学会采取先分模块实现的思想。开始的时候没有采用这种方法，结果导致当想要的结果出不来时根本不知道是哪出的错，想要修改电路根本无从下手，最后还是重新绘制，而且是先分块后整体才把结果做了出来。因此，分块思想应在以后其它类似的设计中着重注意应用。这次数电的课程设计，运用了许多数字电路和模拟电路的知识，通过这次设计，不仅对以前学过的许多理论知识很好的复习了一遍，而且还明白了许多知识的具体应用，理论与实际算是得到了一次比较小的结合，对数电模电整体认识又有了一次质的提升。从本次课设中我还学到了做事必须严谨的的精神，尤其是我们学工科的同学，不严谨结果就要有很大的偏差，就得不到想要的结果。
在课设中还学会了Multisim软件的安装、调试、以及一些简单的应用，当然也出现了一些问题，但是经过分析，将问题解决后的感觉也是很好的。
还有就是在课设中学会了又问题请教别人与一起讨论，因为以后很多东西的工程量都是很大的，单靠个人力量是不可能实现的，这就要求我们必须学会具有团队精神，一定要学会和别人合作，因为很多困扰你的问题在集体力量面前会迎刃而解。
总之，通过这次数字电子技术的课程设计，我觉得自己学会了很多东西，进步很大，真的是受益匪浅，而且更重要的不是学会了哪些东西，而是学习的方法和设计的一些思想，真的很感谢这次课设。
还有很重要的一点，就是要按老师的要求与指导来做，老师的角色是非常重要的。 我相信通过这次课程设计，我学到的东西绝对不是只在课本上能学到的，有很多东西，尤其是实践性质的，不能仅靠理论，实践是非常必要的，理论与实践相结合，才能得到真理。这次中遇到了前所未有的问题，可以说是困难重重，把我快逼到了崩溃的边缘，但功夫不负有心人，到最后，还是把这些问题都一一解决了。在就要完成这次设计的此刻，心情是万分激动的，因为这是我的努力成果。
我一定以这次课设为借鉴，今后做任何事情都要有这种做课设的精神。
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参考文献
[1] 付家才．电子工程实践技术．北京：北京工业出版社，2003 [2] 毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，2001 [3] 阎石主编．数字电子技术基础（第五版）．北京：高等教育出版社，2009 [4] 丁润涛主编．电子工程手册．北京：机械工业出版社，1995
[5] 童诗白.模拟电子技术基础（第五版）. 北京：高等教育出版社，2006
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附录1
器件明细表
器件名称 非门 或门 与门 D触发器 计数器 定时器 整流桥 电容 器件型号 74LS04 74LS32 74LS11 74LS08 74LS74 74LS1 IC555 14B42 3300μF 1μF 0.01μF 220Ω 电阻 开关 三极管 稳压块 LED 5kΩ 560kΩ 434kΩ 手动开关 2N2219 LM7805 LED灯 器件数目 1个 1个 1个 2个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 1个 6个 7个 1个 1个 1个 6个 1个 6个
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附录2
187R1220¦¸151LED1154Q1155Q2R2220¦¸152LED3156Q3R3220¦¸R4220¦¸R5220¦¸153LED2157Q4158Q5LED4185Q61842N2219GNDGNDR13220¦¸186LED6LED5R715915k¦¸2N2219U1A74LS11DGND&&R81601665k¦¸2N2219U3A74LS08DGND&R91611675k¦¸2N2219U4A74LS08DGND&GND171GNDGNDR101621655k¦¸2N2219U2A74LS11DGNDGNDR111631685k¦¸2N2219U5A74LS08DGNDGND169R125k¦¸U6A74LS08D188&173>=1>=1U7A74LS32D172U9A74LS08D176U8A74LS32D174U10A74LS08D&XSC1180&&U11A74LS04D177U13A74LS04D179U12A74LS04D170178175101112131U15B4~1PR1CLK1D~1CLR1Q~1Q5321U15A~1PR1CLK1D~1CLR1Q~1Q56345QCQAQBQD6QEQFQGQHU1474LS1D321~CLRCLKAB&18374LS74D74LS74D18298R65k¦¸181J1Key = A GNDGNDU16LM7805CTV1193T1220 Vrms 50 Hz 0¡ã 192194XMM21910212U17555_TIMER_RATEDR14560k¦¸196R15434.285k¦¸195C210nFGNDGNDGNDRSTDISTHRTRICONGNDVCCOUT198R1699¦¸R17199U18D11901LINEVOLTAGEVREGR18100¦¸COMPARATOR_VIRTUALGND200GNDGND1k¦¸COMMONXMM1197C31uFGNDGND4C11mF31B4B42整体电路图
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