摘要
此次课程设计主要是设计一个交通灯管理系统，此系统主要由分频电路，n 进制计数控制器，05秒译码电路，00译码电路，4-7段译码电路，动态扫描控制，黄灯闪烁控制，红绿灯交替控制，手动/自动模式选择，手动切换控制红绿灯等部分组成。其中各部分电路之间存在一定的相互控制及制约作用，比如某个方向的绿灯转化为红灯之前，黄灯需要闪烁，同时绿灯要熄灭，那么就由控制黄灯的信号同时控制绿灯。在手动模式和紧急情况下，开关需要对整个系统进行独立控制，这样就可以避免自动模式与手动及紧急情况下的矛盾。
在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。
Abstract
The main aim of this Course Design is to design a system of managing traffic lights,which contains frequency divider circuit,control of N counters,encoders of 05 seconds an 00 seconds,4-7 segment of decoding circuit,control of dynamic scanning,yellow lights flashing ,the red and green lights working in turn,selection of manual mode or automation,manual switching control traffic light and so on.There are some relations among some partial circuits,for example,before the green light in one direction turn to red ,the yellow light should flash and green light should extinguish at the same time,which will be controlled by the signals that controls yellow lights.When the system is in manual mode and an emergency,it need to be independent controlled by switches,which can avoid the conflicts between the automation and manual mode,emergency.
目录
摘要 .................................................................................................................................................. 1
Abstract ............................................................................................................................................. 1
设计要求........................................................................................................................................... 3
一、 任务 . ................................................................................................................................ 3
1) 系统设计 ..................................................................................................................... 3
2) 实验调试 ..................................................................................................................... 3
3) 设计总结 ..................................................................................................................... 3
二、 设计给定条件 . ................................................................................................................ 3
三、 设计基本要求 . ................................................................................................................ 4
红绿灯管理 . ...................................................................................................................... 4
时间牌管理 . ...................................................................................................................... 4
四、 设计附加要求 . ................................................................................................................ 4
红绿灯管理 . ...................................................................................................................... 4
时间牌管理 . ...................................................................................................................... 4
正文 .................................................................................................................................................. 5
一、 设计要求分析 . ................................................................................................................ 5
二、 系统框图及工作原理 . .................................................................................................... 5
三、 模块电路 . ........................................................................................................................ 6
1) 64Hz脉冲产生电路 . .................................................................................................... 6
2) 分频电路 ..................................................................................................................... 8
3) 时间牌起始数设定电路 ............................................................................................. 8
4) 时间牌起始数选择电路 ............................................................................................. 9
5) 时间牌工作控制电路 ................................................................................................. 9
6) 数码管控制及驱动电路 ........................................................................................... 10
7) 黄灯控制及驱动电路 ............................................................................................... 10
8) 红绿灯控制及驱动电路 ........................................................................................... 11
9) 控制开关电路 ........................................................................................................... 11
四、 总体电路图分析 . .......................................................................................................... 12
1) 功能介绍 ................................................................................................................... 12
2) 创新部分 ................................................................................................................... 12
3) 自动模式下电路分析 ............................................................................................... 12
4) 手动模式下电路分析 ............................................................................................... 13
5) 紧急情况下电路分析 ............................................................................................... 14
五、 芯片功能表 . .................................................................................................................. 15
六、 调试步骤 . ...................................................................................................................... 18
七、 元器件清单 . .................................................................................................................. 19
八、 收获体会 . ...................................................................................................................... 20
九、 附件 . .............................................................................................................................. 21
参考文献......................................................................................................................................... 21
设计要求
一、任务
根据给定的设计要求，在一定的条件限制范围内，综合运用模拟/数字电子技术知识进行方案分析、电路设计、参数计算，并经仿真调试得到一个满足设计要求的系统电路。
1) 系统设计
系统设计就是根据设计任务书给定的技术要求设计完整的系统电路。具体要求:
✧ 仔细分析设计任务书给定技术指标和设计要求，比较选择总体方案，并绘制系统方案结
构框图；
✧ 针对系统方案结构框图中的各个子功能模块，逐一设计并绘制各功能模块的单元电路
图；
✧ 根据系统结构框图进行各单元电路之间的信号连接；
✧ 通过反复检查、修改, 最后绘制出完整的系统设计电路图。
2) 实验调试
利用EDA 开发环境MAX+PLUSII，完成系统电路图的设计输入、逻辑综合、时序仿真、编程下载和硬件验证全过程，实现片上系统SOC 设计。具体要求:
✧ 设计输入以逻辑原理图方式为主，文本、波形等其它设计输入方式也可以考虑；
✧ 熟练掌握 MAX+PLUSII开发环境的操作与使用，独立完成系统设计的输入、编译、仿
真、下载、硬件测试等工作。
3) 设计总结
整理设计资料，体会设计过程，撰写课程设计总结报告。基本内容包括：
✧ 设计任务与设计要求并简述设计系统功能；
✧ 系统结构框图并简述各功能模块的工作原理；
✧ 各单元电路原理图并简述各子电路设计过程；
✧ 总体电路图及其相关说明(绘制规范标准3#图纸1张) ；
✧ 进行必要的方案讨论、参数计算、仿真分析、波形说明；
✧ 收获体会与改进意见(包括设计中对遇到问题的分析以及解决办法) 。
二、设计给定条件
● 东、西、南、北四个方向的红、黄、绿信号灯分别用红黄、绿三色发光二极管代替。(东
西-南北方向共用两只红、两只绿和两只黄发光管) ；
● 用一个时间显示牌代表四个方向的时间显示牌, 并用七段共阴数码管代替时间显示牌
（动态扫描显示）；
● 应用MAX+PLUS II开发环境及EPF10K10LC84芯片进行交通管理系统的软硬件设计与
开发；
● 工作电源与时钟信号源CP 可利用实验箱上已有资源。
三、设计基本要求
红绿灯管理
信号灯要求 当东西方向绿灯亮时（表示允许东西方向车辆直行或右转弯通过十字路口），这时，南北方向应亮红灯； 当南北方向绿灯亮时，东西方向应亮红灯。
工作模式要求
自动工作模式：
东西方向和南北方向的红绿信号灯每隔一定时间应能交替点亮；红、绿信号灯显示时间相等，显示时间应能在20s-60s 范围内人工设定，且设定间隔为10s ；
红、绿灯交替之前，从第五秒开始黄灯应以2Hz 频率闪动，至红绿灯交替时结束。 手动工作模式：
能手动控制两个方向的红、绿灯显示；
红、绿灯交替之前，不要求黄灯闪动；
由手动转入自动时，对红灯或绿灯先转至何方向无特别要求。
时间牌管理
自动工作模式时：
时间牌数码管应从设定值开始，按秒递减显示，直至0秒交替时刻，循环工作
手动工作模式时：
时间牌数码管应熄灭
四、设计附加要求
红绿灯管理
信号灯要求：
当紧急情况发生时，报警电路工作，可手动控制东西方向和南北方向同时亮红灯并灭时
间显示牌；
当黄灯分时段控制时，黄灯在绿变红前5S 闪烁，而在红变绿前5S 不闪。
时间牌管理
自动工作模式时：
时间牌的两位数码管当有0值出现时能自动实现灭零显示；
东西方向和南北方向的时间牌数码管的初值；
可以进行不一致设置。
正文
一、设计要求分析
该交通灯管理系统应具有的功能如下：
时间牌驱动电路
时间牌控制电路
红绿黄灯的驱动电路
红绿黄灯的控制电路
在设计的过程中应该注意各个模块电路之间的联系，在设计时间牌电路时，要考虑这块电路为红绿灯及黄灯送去控制信号，其中时间牌和红绿黄灯均要受手动和紧急信号的独立控制，另外红绿灯和黄灯之间要相互控制。
二、系统框图及工作原理
工作原理：首先由脉冲产生与分频电路为控制器送去脉冲信号，同时时间初值设定模块为控制设定计数器的起始值，然后由手动/自动选择模块对控制器进行选择，决定控制器是处于自动模式还是手动模式，在这些信号设置好后，由控制器来控制数码管驱动器和信号灯控制器，接着就由数码管驱动器和信号灯控制器分别控制时间显示和红黄绿信号灯的工作状态，从而完成系统的功能。
三、模块电路
1) 64Hz 脉冲产生电路
由555定时器接成的多谐振荡器，由于接入了二极管D1和D2，从而电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放电电流只流经R2，因此电容C 的充电时间变为：
T 1 R 1CLn 2
而放电时间为：
T 2=R 2CLn 2
故得输出脉冲的占空比为：
q =
若取R 1=R 2，则q =50%
如图电路的振荡周期也相应地变为： R 1 R 1+R 2
T =T 1+T 2=(R 1+R 2) CLn 2
若取C =12μF , R 1=R 2, f =64Hz
则经过理论计算得出R 1=R 2=940Ω
然而经过multisim 仿真最后得出R
1=R 2=850Ω
仿真图中显示了由555接成的多谐振荡器产生脉冲的波形，频率以及电容充放电过程。
2) 分频电路
此处用74161——TTL 可预置四位二进制异步清除计数器进行分频，当由555振荡器送给74161_1 64Hz持续信号时，74161_1便开始加计数，当74161加满16位时，RCO 端产生一个上升沿，从而使74161_2加一次数，如此重复，便使得74161_2的QA 端产生一个2Hz 的脉冲信号，QB 端产生一个1Hz 的脉冲信号，从而达到分频的效果。
3) 时间牌起始数设定电路
此处电路可以作为两个不同方向，时间牌进行减计数时，起始数的设定。其中A 端控制的是南北红灯和东西绿灯所亮的时间，B 端控制的是南北绿灯和东西红灯所亮的时间。当A20s=H,A30s=L,B20s=L,B30s=H，则此时东西绿灯亮的时间为30s 而南北绿灯亮的时间仅为20s ，这样有利于东西方向车辆的通行。此处电路主要是为了解决两个不同方向车流量的不同而设计，以便使得交通更为畅通。
4) 时间牌起始数选择电路
由于设计了时间牌起始数设定电路，所以必须要配有一个时间牌起始数选择电路，这样才能发挥起始数设定电路的作用，如图，74257_1即发挥这种作用，当select 为低电平时，选择A 端的信号，此时Y1Y2Y3Y4=A1A2A3A4；当select 为高电平时选择B 端信号此时Y1Y2Y3Y4=B1B2B3B4。
5) 时间牌工作控制电路
时间牌工作控制电路主要控制数码管的工作，为数码管送去0~9的BCD 码。其中高位的QAQBQCQD 和低位的QAQBQCQD 进行或运算，为74192_H和74192_L送去低电平置数信号，从而计数器从新进行减计数；74257_2主要受64Hz 脉冲信号的控制，当64Hz 的低脉冲送入74257_2的SEL 端时，Y1Y2Y3Y4=A1A2A3A4，即高位信号被选中，此时64Hz 的低脉冲信号同时控制7448的灭零输入端RBIN ，使得在选中高位信号时，灭零输入端RBIN 有效，从而达到高位灭零的效果；当64Hz 的高脉冲信号作用于74257_2时，Y1Y2Y3Y4=B1B2B3B4，而7448的灭零输入端RBIN 无效，所以低位的零不灭。当灭牌信号blackout 为高电平时，7448正常工作，而当灭牌输入信号blackout 为低电平时，7448的灭牌输入端BIN 有效，从而达到灭牌的作用。另外64Hz 的信号还同时选择数码管的高低位，使得两个数码管看上去在同一个时间工作，此处64Hz 信号相当于一个扫描信号。
6) 数码管控制及驱动电路
此处电路主要是数码管的驱动的电路，数码管中的二极管均采用共阴接法，电流由abcdefg 端输入，由HB 和LB 信号控制数码管是否处于工作状态。
7) 黄灯控制及驱动电路
首先二极管导通压降大概在1.8V 左右，流过电流大概是5~20mA，直流电源VCC=5V，由此可以计算出限流分压电阻的范围为160Ω~640Ω，此处选择的是300Ω，，从而达到限流的作用，同时能够使得二极管足够亮而不至于烧毁。
此处黄灯的控制电路主要有三部分，第一部分是受5~1s的信号控制，第二部分是受同一个方向的红灯信号控制，第三部分是受2Hz 信号控制。
对于第一部分，首先HQA ，HQB ，HQC ，HQD ，LQD 进行或非运算，然后与灭牌信号blackout 进行与运算，从而控制74138的一个使能端G1，当G1无效时，74138ABC 端输入的信号无效，当G1端有效时，74138ABC 端输入信号有效，然后在74138的输出端识别5~1s的信号，从而使得NAND5的输出端为高电平，于是AND3_1和AND3_2均打开，接受其他信号的输入与控制；
对于第二部分，当其中一个方向的红灯为高电平时，该方向的黄灯必将熄灭，则控制另一个方向黄灯的与门打开，接受其他信号的控制；
对于第三部分，当第一部分和第二部分均满足时，第三部分的2Hz 脉冲信号即可控制黄灯开始闪烁。
8) 红绿灯控制及驱动电路
该部分电路是本次课程设计的一个难点与重点，也是逻辑性最强的一部分，因为该部分电路需要受以下几部分控制，第一是自动模式下，TFF 的翻转信号控制红绿灯的转换，5~0s信号控制黄灯亮时，同时控制绿灯熄灭；第二是手动模式下，手动控制信号控制两个方向的红绿灯；第三是紧急情况下，紧急信号控制熄灭绿灯，同时点亮两个方向的红灯。
当handauto 信号为高电平时，21MUX 选择A 端信号，此时由TFF 的输出端Q 来控制红绿的亮灭情况，等0sl 低脉冲信号作用于TFF 的T 端时，输出端Q 发生翻转，从而两个方向上的红绿灯切换，但当5~1s低脉冲信号控制的AND2_3和AND2_5关闭时，绿灯熄灭；当handauto 信号为低电平时，21MUX 选择B 端信号，此时由rgchange 信号来控制两个方向的红绿灯亮灭情况，rgchange=1时，r1g2亮，rgchange=0时r2g1亮。
上述情况是在正常情况下进行的，当发生紧急情况时，不管21MUX 选择哪路的信号，对红绿灯的控制均无效，此时仅有紧急信号控制红灯点亮。
9) 控制开关电路
这部分电路主要是物理控制环节，由开关对内部电路进行控制，从而达到选择控制的目的。
当urgent 接低电平时，系统处于紧急状态，当urgent 接高电平时，系统处于正常状态； 在系统处于正常状态时，当handauto 接高电平时，系统处于自动模式，当handauto 接低电平时，系统处于手动模式；
在系统处于手动模式时，当rgchange 接高电平时，r1g2点亮，当rgchange 接低电平时，r2g1点亮。
四、总体电路图分析
1) 功能介绍
该电路主要能完成如下几点功能：
利用555定时器制作产生64Hz 脉冲信号的多谐振荡器； 时间牌和红黄红灯的控制和驱动电路；
自动情况下，在某一个方向上的绿灯转化为红灯前5s 时，黄灯开始以2Hz 频率开始闪
烁，同时该方向上得绿灯熄灭；
自动情况下，能够实现东西，南北方向绿灯亮的时间不一致，比如东西方向的绿灯亮
30s ，同时南北方向的红灯亮30s ；然后南北方向的绿灯只亮20s ，同时东西方向的红灯只亮20s ；
手动情况下，能够把时间牌和黄灯熄灭，同时能够手动控制东西的绿灯，南北的红灯和
东西的红灯，南北的绿灯；
紧急情况下，能够把时间牌，黄灯，绿灯都熄灭，同时四个方向上得红灯均亮。
2) 创新部分
该电路图主要创新部分如下：
选择不同方向的时间不一致的选择信号仅由控制某个方向上的红灯信号控制； 05s 译码电路对黄灯和绿灯的控制。
3) 自动模式下电路分析
时间牌一致电路分析
此情况下，urgent=1，handauto=1，启动的是系统的自动模式，A20s=0，A30s=1，B20s=0，B30s=1，此时选中的是两个方向上的20s ，这样两个方向上的计数器均由20s 开始减计数。
时间牌不一致电路分析
此情况下，urgent=1，handauto=1，启动的是系统的自动模式，A20s=1，A30s=0，B20s=0，B30s=1，此时选中的是A 方向上是30s ，B 方向上是20s ，这样A 方向上的计数器开始由30s 进行减计数，B 方向上的计数器开始由20s 进行减计数。
4) 手动模式下电路分析
R2G1工作电路分析
此情况下，urgent=1，handauto=0，启动的是系统的手动模式，此时rgchange=0，于是R2G1开始工作，而黄灯不工作。
R1G2工作电路分析
此情况下，urgent=1，handauto=0，启动的是系统的手动模式，此时rgchange=1，于是R1G2开始工作，而黄灯不工作。
5) 紧急情况下电路分析
此情况下，urgent=0，则仅有两个方向上的红灯工作，其他信号灯均不工作。
五、芯片功能表
六、调试步骤
根据实验要求设计好电路原理图后，在上机调试时，需要对原理图进行一定的改变。其中需要去除原理图中的驱动电路，因为实验板上已经有驱动电路，对于一些开关输入量，在max+plus2里需要定义为input ，对于控制驱动电路的输出在max+plus2中应定义为output 。
调试步骤如下：
1. 双击桌面上的max+plus2图标，打开max+plus2，然后在菜单栏中打开File 下拉菜单，单击new „，新建一个gdf 文档，并在File 中的project 里选择Set Project to Current File。接着在gdf 文档中画出修改后的原理图，并保存； 2. 在画好电路图后，在菜单栏中的Assign 里选择Device „，打开Device 选项，除去Show Only Fastest Speed Grades前面的勾，然后选择EPF10K10LC84-4，单击确定后打开菜单栏中的MAX+PLUS2，选择Compiler ，对所画的电路图进行编译，如果编译出现错误，需要对电路图进行查错并修正，如果编译正确，新建一个scf 文档，并保存为文件名与gdf 文件名相同的scf 文档，然后进行仿真操作；
3. 打开菜单栏中的File ，并选择其中的End Time„，设置其为1.0ms ，接着选择菜单栏中Node 下拉菜单里的Enter Nodes from SNF„, 打开Enter Nodes from SNF选项，在Registered 前面的复选框里打勾，然后单击List ，接着点击两个方框中间的“=>”按键，将Available Nodes&Groups中的节点全部导入到Selected Nodes&Groups中，然后点击OK ，最后按以下几步开始仿真：
① 自动模式下，时间牌一致电路仿真：64Hz 端设置为脉冲信号，A20s 端和B20s 端设置为“1”，A30s 和B30s 设置为“0”，handauto 端设置为“1”，urgent 端设置为“1”，设置完成后选择菜单栏中MAX+PLUS2里的simulator ，进行第一步仿真；
② 自动模式下，时间牌不一致电路仿真：64Hz 端设置为脉冲信号，A20s 端和B30s 端设置为“1”，A30s 和B20s 设置为“0”，handauto 端设置为“1”，urgent 端设置为“1”，设置完成后选择菜单栏中MAX+PLUS2里的simulator ，进行第二步仿真；
③ 手动模式下，r1g2亮电路仿真：64Hz 端设置为脉冲信号，urgent 端设置为“1”，handauto 端设置为“0”，rgchange 端设置为“1”，设置完成后选择菜单栏中MAX+PLUS2里的simulator ，进行第三步仿真；
④ 手动模式下，r2g1亮电路仿真：64Hz 端设置为脉冲信号，urgent 端设置为“1”，handauto 端设置为“0”，rgchange 端设置为“0”，设置完成后选择菜单栏中MAX+PLUS2里的simulator ，进行第四步仿真；
⑤ 紧急情况下电路仿真：64Hz 端设置为脉冲信号，urgent 端设置为“0”，设置完成后选择菜单栏中MAX+PLUS2里的simulator ，进行第五步仿真。
4. 在上述仿真完全正确后准备硬件接线，首先打开菜单栏中MAX+PLUS2里的Floorplan Editor ，然后根据软件中显示的电路连接图连接硬件电路；
5. 在硬件电路完全连接正确后，打开菜单栏中MAX+PLUS2里的Programmer ，在下载之前，在菜单栏的Options 里选择下载方式，其中选择ByteBlaster[MV]，设置完成后，点击Configure ，将程序下载到芯片中；
6. 最后就是对开关的操作完成必要的功能。
七、元器件清单
八、收获体会
对于课程设计这门课程，我还是比较喜欢的，因为我一直就喜欢实验课，对于理论课的学习对于我来说可以说是相当乏味的，而在实验课上，我可以自己动手做实验，遇到问题需要自己动手实践去解决，有时实践上遇到的问题并不是可以查资料的，需要自己慢慢去摸索，在这其中，我们会学会很多东西。
针对本次实验课，我真的学会了很多东西，以前上智能车模课的时候，郎老师就教我们使用Protel DXP，但是一直都没有找电路图过来训练，而正好趁这次课程设计，对于Protel DXP 的基本操作，我在本次设计中已经掌握了，并且能够用它画出一套完整的电路图，我想以后我完全可以用Protel DXP来制作电路了。
这次实验看上去很简单，但是在设计的过程中，我遇到了很多问题，从第一个电路图的说起。
老师是建议6个人一组进行设计，然后我们就组了一个队，但是组队算是组成了，我在经过对设计要求进行分析之后，几乎能够将整体的电路划分成四个部分，第一部分是64Hz 脉冲产生及分频电路的设计，第二个部分是时间牌控制电路的设计，第三部分是红绿黄灯控制电路的设计，第四部分是整体控制电路的设计，然后就是交给队友们去设计，但是设计的结果并不是很理想。在这过程中，我真正感觉到一个团队不好管理，可能一些原因也出在我的身上，可能是我没有调动起大家的积极性，正如在企业管理里所说的团队就是一个有口才的对着一群有耳朵的人说话，然后调动大家的积极性，所以如果以后我还有机会管理一个团队，我应该想一些创新的方法调动队员的积极性，这样才有利于一个团队的发展。
由于设计第一个电路图时特别仓促，所以在一些细节方面出现了很多问题，于是我不得不在原电路图的基础上加一改进，并增加一些附加功能，接着就出现了第二，三，四，五张的电路图，这些电路图都是经过一步步改进后得到的。由于这些电路还是在我设计原图的基础上改进的，所以有些起初的错误依旧没有解决，导致我在模拟上机的没有完成任务，但是我依然没有放弃自己电路图的创新点，依旧在坚持，在我获得另一个上机的机会后，我拿着改进后的电路图又去上机，结果又是以失败而告终，这时，我的心情极差，处于极度崩溃状态，为此我郁闷了一天，但是电路中的错误依旧没有解决。于是我开始参考其他组设计的电路，在经过对几个电路图进行分析后，我慢慢开始引用其他电路图中值得借鉴的地方，并加以修改，最后终于获得一份成功的电路图，在我获得最后一次模拟上机，并成功后，我兴奋至极。在此过程中个，我深刻体会到单凭自己一个人能力有时还是不行，如果有可以借鉴的地方尽量还是去借鉴一下，这样会使你少走很多弯路，同时可以学习别人的优点，并将别人的优点转化为自己的优点。
总体来说，这次课程设计还是很有意义的。
电子技术基础课程设计报告
九、附件
附件一：手绘电路原理图
附件二：打印电路原理图
附件三：上机调试电路原理图
参考文献
[1]阎石 数字电子技术基础（第五版） 高等教育出版社 2006
[2]童诗白，华成英 模拟电子技术基础（第四版） 高等教育出版社 2006
[3]游春豹 电子技术基础课程设计 安徽工业大学出版社 2012.2
21 交通灯管理系统