. 总体设计方案
2.1方案比较
方案一：
用数电电子技术来实现交通灯控制
交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中： TL:表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。 TY ：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。 ST ：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
图1系统的原理框图交通灯控制器
（1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL 时，控制器发出状态信号ST ，转到下一工作状态。
（2）乙车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY 时，控制器发出状态转换信号ST ，转到下一工作状态。
（3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL 时，控制器发出状态转换信号ST ，转到下一工作状态。
（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY 时，控制器发出状态转换信号ST ，系统又转换到第（1）种工作状态。交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表1、2所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作
如下规定：
控制状态信号灯状态车道运行状态S0（00）甲绿、乙红甲车道通行，乙车道禁止通行S1（01）甲黄、乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行S3（11）甲红、乙绿
甲车道禁止通行，乙车道通行S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，乙车道缓行AG=1甲车道绿灯亮甲车道通行BG=1乙车道绿灯亮乙车道通行AY=1甲车道黄灯亮甲车道缓行BY=1乙车道黄灯亮乙车道缓行AR=1甲车道红灯亮甲车道禁止通行BY=1乙车道红灯亮乙车道禁止通行。如表1。
方案二：
图2. 交通控制灯电路设计
如图1所示为交通控制电路设计方案图，根据概述中的设计思想
及方法来实现下图的交通指示灯状态转换图中描述的指示灯的转换及每种状态维持的时间（用数码显示管来显示）。 方案三：
采用M AX7000S 系列的E PM128L _7芯片设计
采用这种设计主要就在芯片使用，但是所使用的芯片比较贵，并且软件的设计比较大，而且对软件的设计需要借助一定的工具，然而使用这种逻辑编程的工具很贵。 方案四：
用单片机技术来实现交通灯控制
采用单片机A T89C51来设计并制作，这种方案的硬件较少，基本上硬件没什么难度，用单片机来实现交通灯控制是最容易实现的，而且该电路可靠性也很高，但是这是要求设计者要有单片机编程的基础上才能完成设计。由于本人单片机编程基础不是很好，所以选用了数字电子技术来实现交通灯控制。
2.2方案的论证与选择
由于我们做的是数字电路的课程设计，而且通过对以上三种方案的可行性的比较，同时为了加深对数电知识的理解和掌握，此次设计我们悬着了方案一，用数电电子技术来实现交通灯控制。
3. 单元模块设计：
3.1电源模块
电源模块主要为交通灯控制电路提供电源，其主要结构是由220V 市电通过一个变压器降压，再通过由二极管构成的整流桥转换成直流电，再通过滤波和稳压，最后输出我们需要的5V 直流电压。如图3。
图3 电源的设计
3.2秒脉冲发生器
N E555的特点有：
1. 只需简单的电阻器、电容器，即
可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2. 它的操作电源范围极大，可与TTL ，C MOS 等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。
3. 其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4. 它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。
Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发N E555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC ，下缘须低于1/3 VCC 。
Pi n 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1. 7伏的高电位。周期的结束输出回到O 伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA
。
Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下, 这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC 电压以下移至2/3 VCC 以上时启动这个动作。 Pi n 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON 时为LOW ，对地为低阻抗，当输出为OFF 时为HIG H ，对地为高阻抗。
Pi n 8 (V +) -这是555个计时器IC 的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值) 至+16伏特(最大值) 。 555定时器构成的多谐振荡器
图4. 555定时器构成的多谐振荡器
如图3所示为555定时器构成的多谐振荡器，Cf 为10nF ，若C 取100nF ，依据公式周期T=（R1+2R2）Cln2 可计算出R1+2R2≈150k Ω时可得到周期为0.01s 的振荡信号; 若C 取10uF ，依据公式周期T=（R1+2R2）Cln2 可计算出R1+2R2≈150k Ω时可得到周期为1s 的振荡信号。
3.3定时器
定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST 作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号T Y 和模15的定时信号T L 。
计数器选用集成电路74LS160进行设计较简便。74LS160是10进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。74LS160功能表如表1-4所示。
表2
表中RD 是低电平有效的同步清零输入端，LD 是低电平有效才同步并行置数控制端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q 3是数据输出端。设计如图1-5
图5 交通灯定时器
其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CLK 分别送给两个74LS160
的清零端9处。如图所示：输入端3.4.5.6分别接地. 。U1的7和10由U2的11、14经过与门相与后相连。. 即：只有当时11、14处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲。当U13C74LS04的ST 信号分别送给U1和U2的LOAD 。就可以得到TY 和TY 非是秒脉冲的5倍；TL 和TL 非的结果是秒脉冲的15倍。 74LS160引脚图及引脚介绍：
PE ：使能输入端 P0–P3：输入端
CEP ：Count Enable Parallel Input CET ：Count Enable Trickle Input CP ：时钟信号输入端
MR ：Master Reset (Active LOW) Input
SR ：Synchronous Reset (Active LOW) Input Q0–Q3：输出端
TC ：Terminal Count Output (Note b)
3.4控制器
制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。列出控制器的状态转换表，如表1-6所示。选用两个D 触发器74LS74做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为T L 和T Y ，当控制器处于Q 1n+1Q 0n+1＝ 00状态时，如果T L ＝ 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q 1n+1Q 0n+1＝ 01状态。这两种情况与条件T Y 无关，所以用无关项"X" 表示。其余情况依次类推，就可以列出了状态转换信号ST 。表1-3控制器状态转换表
表3
根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q 1n+1、Q 0n+1和 ST 为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中"1" 用原变量表示，"0" 用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：
根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D 触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。
控制器原理图如图1-6所示。图中R 、C 构成上电复位电路。由两个双多路转换器74LS153和一个双D 触发器74LS74组成控制器。触发器记录4种状态，多路转换器与触发器配合实现4种状态的相互交换。
图6 交通灯控制器
其原理为： CLK 分别送给U6A 和U6B 的3和11的清零端。将TY 接入U4的5和U5的4和5；TY 非接入U4的4。如上图所示：74LS74两个D 触发器作为时序寄存器产生4种状态。选用数据选择器74LS153来实现每个D 触发器的输入函数，将触发器的的现态值加到74LS153的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。
3.5 译码电路
译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表1-4所示。表中A 、B 代表甲、乙车道。
表4 控制器状态编码与信号灯关系表
由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CLK 脉冲，一部分送给了定时器的74LS160芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST 同时加到定时器74LS160芯片的情况下，通过芯片74LS10将会输出TY 、TY 非；TL 、TL 非。即TY 和TY 非放大的结果是秒脉冲的5倍；TL 和TL 非放大的结果是秒脉冲的15倍。前者输出的信号是后者的1/5。将定时器输出的TY 。TY 非；TL 。TL 非分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK 脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片74LS08组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。电路图设计如图1-9
图7 译码器部分原理图
3.6 显示部分
显示部分由74LS48和共阳极七段数码管组成，74LS48作为译码器，对74LS160的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出74LS160的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计如图8
图8 共阳极七段数码管显示电路
4. 软件设计
本设计主要运用到的软件有仿真软件Protues 和Multisim 以及画图软件Protel99se 等。其中Protues 和Multisim 主要用于各部分仿真调试和总得电路设计仿真调试。Protel 99se用于原理图的绘制和PCB 印制电路的绘制。 其流程图如下：
方案选择
Protues 模块仿真调试
Protel99se 绘制原理图和
PCB
图9 流程图
5. 系统调试
（1）组装调试秒脉冲电路。
（2）进行定时电路的组装和调试。当输人1Hz 的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到25时，能输电有效的定时时间到信号。
（3）调试交通灯控制器以及显示部分。
（4）判断各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。
最终调试如下：
接上电源, 便可以进行交通灯控制系统的仿真，甲车道方向绿灯亮25秒，行人车辆都可自由通行；乙车道方向的红灯亮，车辆禁止通行。25秒后，甲车道亮黄灯，时间为5秒，此时乙车道依然亮红灯。这5秒过后，乙车道改亮绿灯，甲车道亮红灯，时间25秒，然后乙车道亮黄灯，甲车道继续亮红灯，维持5秒。然后甲车道亮绿灯，乙车道亮红灯，依次循环。
6. 系统功能，指标参数
（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替通行，每次通行时间都设为25秒。
（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。
（3）指标和参数见设计步骤
7. 总结和体会 1、能实现的功能
交通灯的状态转换和计时时间的显示，基本能实现甲、乙道路直行和转弯灯的显示功能。
2、不足之处
设计过程中用的芯片太多。
通过这次设计，掌握了对数字电路交通灯的设计方法，掌握了NE555构成多谐振荡器的做法，对555产生脉冲信号有进一步的控制。懂得了分频电路的设计，对芯片有了一个新的看法，对芯片的功能有了进一步的了解。设计中遇到的问题也可以通过自己的查询和同学的帮助解决，锻炼了自己的独立思维能力和动手动脑能力。要有一个明确的目标和一颗团结合作的心，还要保持一个良好的心态，才能把设计做得更好！
8. 谢辞
首先谢谢张老师为我们这个设计付出的心血。为我们一个个的去矫正问题，一点也不厌烦同学们知识上的欠缺，一一为我们指出，这样的老师是好老师。在这次的设计里，我懂得了许多以前未懂或者不太懂的知识，给了同学们一个自己锻炼的机会和舞台。在这次的设计里面，充分验证同学们的团结，积极，主动精神。也要谢谢我们的组长以及组员同志们，给了我很多的帮助。谢谢老师，谢谢他们。
9. 参考文献
[1] 康华光. 电子技术基础：数字部分. 5版. 北京高等教育出版社.2007
[2] 阎石. 数字电子技术基础 高等教育出版社 2006.5
[3] 郑家龙. 集成电子技术基础教程. 北京高等教育出版社2002.
[4] 罗杰等编. 电子技术基础试验. 北京高等教育出版社，2008年
[5] 金唯香等编.
子测试技术. 长沙湖南大学出版社，2004年 电
附录
附录一：电路原理图
附录三：仿真图