一款数字交通灯的设计与实现——电子技术课程设计探讨

陈　晔, 黎锦钰, 邵炳乾

(海南大学 应用科技学院, 海南 儋州　571700)



一款数字交通灯的设计与实现
——电子技术课程设计探讨

陈晔, 黎锦钰, 邵炳乾

(海南大学 应用科技学院, 海南 儋州571700)

介绍了一种数字交通灯的设计与实现。该方案涵盖了数字逻辑电路课程的主要教学内容,难度适中,采用常用元器件设计,利于学生掌握该门课程的设计精髓；并将仿真软件Proteus引入课程设计实践教学中,加强了教学效果；最后,通过Altium Designer画出单面板的电路图,在实验室中完成实物的制作。整个课程设计,既提高了学生的设计能力,又提升了学生的动手能力。

数字交通灯； Proteus7.8仿真； Altium Designer10.0制图

课程设计是实践教学的重要内容,通过课程设计可以加深理论的学习,掌握电路设计的方法,提高动手的能力[1-2]。我们在教学过程中结合教学内容,用常用的元器件完成数字交通灯[3]各个功能模块的设计,巩固了教学成果[4]，并引入了仿真软件Proteus对电路进行设计,使学生掌握了电路的设计方法,为后续单片机等课程打下基础[5]。通过Protel画出电路图后,在实验室中制作单面板的实物[6],提高学生的实际动手能力[7-8]。

1　设计原理和实现方案

1.1功能

数字交通灯实现功能如下:一个具有主、支路的路口,主路通行时间30 s、支路通行时间20 s、黄灯各为5 s。

1.2工作状态

一个十字路口主道方向的红、黄、绿灯分别用G、R、Y表示；支道方向的红、黄、绿灯分别为g、r、y表示。十字路口要有数字倒计数显示装置作为时间提示,以便人们更直观地了解时间。

整个流程为:

(1) 主车道绿灯亮,支道红灯亮。表示主道上的车辆允许通行,支道禁止通行。绿灯时间到30 s时,控制器发出状态信号,转到下一工作状态。

(2) 主车道黄灯亮,支车道红灯亮。表示主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,支车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔5 s时,控制器发出状态转换信号,转到下一工作状态。

(3) 主车道红灯亮,支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行,支车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔20 s时,控制器发出状态转换信号,转到下一工作状态。

(4) 主车道红灯亮,支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行,支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5 s时,控制器发出状态转换信号,系统又转换到第(1)种工作状态[9]。

1.3方案

利用循环一个周期的时间。如本实验是60 s,做一个计数器。把它截为4个时间段:30 s、5秒、20 s和5 s。这样可以在整个周期上单独地分离每个状态所需的时间、状态以及红绿灯的变化,进而完成周期循环工作。

2　交通灯电路设计

交通灯由以下几部分模块电路构成:循环计数电路、控制器电路、交通灯驱动电路、倒计时数码管显示电路、数码管显示控制器、时钟电路和电源电路[10]。

工作原理:循环计数电路循环计时并输出状态信号给控制器电路,控制器直接控制交通灯驱动电路实现交通状态的转换,并通过显示控制器选择对应的倒计时数码管计数。

(1) 循环计数电路。循环计数电路负责整个电路的计时和状态控制,是整个电路的关键部分。它由循环计数和状态判断输出两部分组成,采用2块74HC161以及若干与门、非门实现0-59的循环计数,由若干与门、或门和非门组成状态判断输出电路,在29、34、54、59四个计数值时输出脉冲控制信号。

(2) 状态控制电路。状态控制电路是整个设计的核心部分,它是控制红、绿、黄灯的枢纽部分。由上述分析可知,电路只有4个状态:00、01、11、10。选择用D触发器74HC74来实现状态的转换。其由循环计数电路的状态输出信号来驱动。

(3) 交通灯驱动电路。红、绿、黄灯的亮暗直接由控制D触发器控制。列出交通灯的真值见表1。

表1　交通灯真值表

由真值表得出以下逻辑表达式:

式中Q表示交通灯二进制状态，采用高亮LED灯,其驱动电流较大,选用三极管搭配限流电阻驱动。

(4) 倒计时数码管显示电路。设置4组倒计时数码管显示,倒计时电路由74HC194十进制可逆计数器、74HC48、7段共阴极数码管组成。

(5) 数码管显示控制器。倒计时数码管的显示需要和交通灯同步配合,因此设计由一片74HC139数据选择器来选择4组倒计时数码管的倒计时显示,其选择输入信号来至状态控制电路。

(6) 时钟电路。采用常用的555定时器构成多谐振荡器,输出时钟信号。

(7) 电源电路。电路采用的芯片和LED灯都可在5 V电源下工作,因此选用稳压芯片7805将12 V电源转换为5 V稳压电源。

3　电路仿真设计

Proteus具有其他EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件,为以后的学习打下基础[11]。Proteus的仿真图见图1[12]。

图1　交通灯仿真电路图

4　印制电路板设计

Altium Designer是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合,这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。电路原理图和PCB图见图2—图5[13]。

图2　交通灯控制部分原理图

图3　倒计时显示部分原理图

图4　交通灯控制部分PCB图

5　结语

本设计囊括了数字电路中的主要内容,采用了常用元器件以及经典电路,方便学生深入掌握课本的知识内容。采用EDA仿真工具Proteus7.8仿真设计电路,可以直观查看测试结果并修改设计,为后续学习打

图5　倒计时显示部分PCB图

下基础。单面板制作方便,可在学生中普及应用,运用Altium Designer10.0软件绘制印制电路板并在实验室中完成实物的制作,提高了学生的动手能力。

References)

[1] 刘建华,龚校伟,崔雅君.交通灯控制器数字电路的设计及仿真[J].数字技术与应用,2012(1):1-2.

[2] 刘明丹.基于数字电路对交通灯控制的研究与设计[J].实验技术与管理,2005, 22 (6):30-34.

[3] 丁洁,张宏伟.基于数字电路的交通灯设计[J].轻工科技,2009(11):31-32.

[4] 宋朝君.基于数字电路的交通灯控制器的设计与仿真[J].电子技术与软件工程,2013(20):96-97.

[5] 汤书森,李蜀娴,饶增仁.仿真技术在数字逻辑电路实验教学中的应用与实践[J].高校实验室工作研究,2012(1):33-34.

[6] 赵兴群,夏翎.以PROTEL软件充实电路设计综合实验[J].实验室研究与探索,1997,16(1):7-8.

[7] 郭映.Multisim10仿真软件在数字电路教学中的应用[J].计算机与现代化,2010(7):162-165.

[8] 陈力平,徐冠捷,马文新,等.提升印制板设计实训课程质量[J].实验室研究与探索,2009,28(5):148-150.

[9] 吴仁君.交通灯数字逻辑电路的设计[J].科技创新与应用,2013(22):1-2.

[10] 阎石.数字电子技术基本教程[M].北京:清华大学出版社,2007.

[11] 余新平.PROTEUS仿真软件在《数字电子技术》课程教学中的应用[J].长江大学学报:自科版,2014(10):124-126.

[12] 朱清慧,张凤蕊,翟天嵩,等.Proteus教程:电子线路设计、制版与仿真[M]. 2版.北京:清华大学出版社,2011.

[13] 高雪飞,安永丽,李涧. Altium Designer 10原理图与PCB设计教程[M].北京:希望电子出版社,2014.

Design and realization of a product of digital traffic lights: Discussion of electronic technology curriculum design

Chen Ye, Li Jinyu, Shao Bingqian

(School of Applied Science and Technology, University of Hainan, Danzhou 571700, China)

This article introduces the design and realization of a product of digital traffic lights.This project contains the chief content of Digital Logic Circuit course, it is easy to learn by using the frequently-used components. By using the simulation software Proteus in teaching activity,it enhances the effectiveness of learning. Finally,the material object is made by printed circuit board of single face.The designed capacity and practical ability of the students have been improved in the electronic technology curriculum design.

digital traffic lights; simulation of Proteus7.8; PCB charting of Altium Designer10.0

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.057

2015- 08- 05

陈晔(1983—),男,海南儋州，硕士,助教,研究方向为流量检测

黎锦钰(1987—),女,广东，硕士,助教,研究方向为通信原理.

E-mail:chenye1132@163.com

G642.423

B

1002-4956(2016)3- 0226- 03