交通信号灯电路的设计.doc

武汉理工大学专业课程设计（二）课程设计说明书 交通信号灯电路的设计1 技术指标:设计一种利用发光二极管作为交通信号灯的指示，实现南北、东西车道的交替通行，要求实现南北车道方向循环显示的顺序是绿灯、黄灯、红灯；东西车道方向循环显示的顺序是红灯、绿灯、黄灯。2 设计方案及其比较：如今，社会公路交通日趋发达，因此为控制行人和车辆通行秩序以及避免交通事故的发生人们设计产生了交通信号灯。因为要根据不同交通道路情况指定不同的通行规则，于是交通信号控制电路应运而生。2.1 设计总思路：由于数字电路技术的逻辑性很强，用它来设计交通灯的控制系统很容易实现。只要数字集成块在一定范围内输入，都能得到确定的输出，调试起来也比较容，电路的工作状态会比较稳定。这次的设计就是通过一些基本的数字芯片组合来实现对十字路口交通等的六个不同信号灯的控制，另外还加以数码管显示。以做到十字路口信号灯的仿真模型，这个电路的设计看似较为复杂，其实就是一些基本的数字电路组成。只要将整个电路的基本方向确定下来，画出电路流程图，在对各项功能进行设计，一步步突破，最后进行整理总结。首先分析实际交通灯控制电路，从主干道（南北方向）和支干道（东西方向）入手，路口均有红、黄、绿三个交通灯显示数码管。其示意图如下：图1，十字路口交通信号灯控制示意图： 为了相对的更符合实际情况，我们取s0,s1,s2,s3分别为27s，3s，27s，3s，即：要求实现逻辑功能，在1-3状态循环。 1、东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间27s； 2、东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮，时间3s； 3、南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间27s； 4、南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮，时间3s； 图1 十字路口交通信号灯控制示意图2.2 方案一设计电路图如图所示（为了能让读者观察方便，我们将图二完整的电路图拆分成图三与图四两部分）： 图2 完整电路图 图3 部分电路图其中74ls161的clk接受方波脉冲，74ls138的y0、y1、y2、y3去置数和控制信号灯的状态。左边的74ls161通过清零反馈实现十进制计数，右边的74ls161通过清零反馈实现六进制计数，其中，由于74ls161是通过上升沿来触发的，所以我们在q2，q3接个与非门来实现十进一的功能。经过74138译码后控制交通灯的状态变化以及置数的变化，从而控制整个系统，其中74160的qc端经过一个非门接其置数端，当qc为1时，计数器置数回到0，从而控制电路的状态循环，同时qa，qb的变化经过译码器74138后控制整个电路及交通灯的循环。74ls160 是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器 ,管脚图如5。只有当 ep、et 均为高电平时才能正常工作。整个交通灯状态分为四部分，真值表与状态如表1。横纵向干道的红、黄、绿信号灯主要由状态控制器输出决定。用1表示灯亮。用0表示灯不亮。 表1 交通灯状态真值表时间对应二进制横向的交通信号灯纵向的交通信号灯红(r1)黄(y1)绿(g1)红(r2)黄(y2)绿(g2)0260000 00000010 011000110027290010 01110010 100101010030560011 00000101 011010000157590101 01110101 1001100010 根据表中数据，可得出各个信号灯与时间的关系。如下表2所示： 表2 信号灯与时间关系表红(r1)黄(y1)绿(g1)十位个位十位个位十位个位0011000010010010011100000000100101001000000101011001001000000110红(r2)黄(y2)绿(g2)十位个位十位个位十位个位0000000010010101011100110000100100011000010000101001010100000110 即：其中，分别表示译码器u2的8个输出端口，分别表示译码器u6的8个输出端口。表示计数器u1的第11端口。根据上式，即可列出相应的逻辑电路图。 图4 部分电路图2.3 方案二电路设计图如图所示： 图5 方案二电路图 下面我们具体介绍一下电路。控制器：十字路口的车辆运行情况由以下4种可能：a主干道通行支干道不通行，此时主绿灯支红灯亮，持续27秒。b主干道停止，支干道仍不通行，此时主黄灯支红灯亮，持续3秒。c主干道不通行支干道通行，此时主红灯支绿灯亮，持续27秒。d主干道仍不通行支干道停止，此时主红灯支黄灯亮，持续3秒。则主控制器有s0、s1、s2、s3四种状态。因此主控制器可由74ls161接成四进制计数器实现这四种状态。 图6 控制器电路图计数器：计数器有两个作用：一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间进行30秒，27秒，3秒3种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行转换。计数器工作状态由主控制器控制：s0状态时，计数器开始30秒计时，30秒后产生归零脉冲并向主控制器发出状态转换信号，计数器归零，主控制器进入s1状态，计数器开始3秒计时，5秒后产生归零脉冲并向主控制器发出状态转换信号，计数器归零，主控制器进入s2状态，计数器开始27秒计时，27秒后产生归零脉冲并向主控制器发出状态转换信号，计数器归零，主控制器进入s3状态，计数器又开始3秒计时，3秒后产生归零脉冲并向主控制器发出状态转换信号，计数器归零，主控制器回到s0状态。开始新的循环。控制信号灯译码电路：如表所示 表3 信号灯与状态关系表状态对应六个灯的状态ab红(r1)黄(y1)绿(g1)红(r2)黄(y2)绿(g2)00001100010101001010000111100010 图7 计数器电路图即得出关系式为： 相应的电路图如图所示： 图8 信号灯电路图 多谐振荡电路：秒振荡电路可由555多谐振荡器构成，其震荡频率为f=1/(r1+2r2)cln2,通过改变r和c的参数改变其频率为1hz参数计算如下：取c2=10f，要得到1hz的方波信号，低电平时间t2=0.5s，高电平时间t1=0.5s由（r1+2r2）c*0.69=t，t1=(r1+r2)*c*0.69，t2=r2*0.69*c，得：r2=72.4k，r1=0。 图9 多谐振动器电路图2.4 方案三 考虑到所给的实验器材有限，很难完成上述两个较为复杂的电路，所以第三个方案我们根据已有的实验器材设计一个较为简单的电路。 实验电路原理图如图所示： 图10 方案三电路图根据以上的设计，交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，以完成甲车道3秒，1秒，4秒，乙车道4秒，3秒，1秒的定时任务。该定时器由1片74ls161构成的十六进制可预置数加法计数器完成；时间状态由带译码器的led数码管对加法计数器进行译码显示；预置到加法计数器的时间常数，通过状态控制电路的译码器74138的输出端y0、y1、y2、y3。当状态控制器74ls161的输出qcqbqa=000，001，002时经过译码器74138后对应的输出为低电平，经过三输入非门，就可以控制相应绿灯的状态。此时只有在000，001，010时对应输出为低电平，同理，状态控制器状态变化时，通过对应门电路去控制灯的电位，这样就形成了置数的循环控制，实现了交通的定时循环系统。其实交通的定时系统分为4部，甲车道为3秒、1秒、4秒，对应乙车道为4秒、3秒、1秒。正好用译码器的四个输出端y0y1y2y3来控制，因为y0y1y2y3为低有效所以经过非门后 只有其中一个端口有效置数。2.5 方案比较从电路布线来看，方案三最简单，方案一二较为复杂。就原理上来说方案一二也虽然电路复杂，但原理简单。方案一三原理基本相同，直接通过译码器以及相关的门电路设计相应的逻辑结构。而方案二则是通过四个关键的时间点，结合相应的门电路，一旦到了那个时间点，就出发相应的四进制计数器，通过该计数器的四种不同状态以及对应的不同输出从而可以控制灯的亮暗。3 实现方案3.1 电路布线及原理 本次试验本小组选用方案一作为用来实现要求的方案。其电路图如方案一中图10所示，下图11为测试电路的布线图。 图11 电路布线图3.2 各个元器件的说明 表4 各个元器件说明名称数量功能备注直流稳压电源1为芯片提供电压使其正常工作发光二极管6观察输出显示红绿黄个2个万用表1帮助实验布线74hc1611参见方案二的详细说明计数器74ls1381参见方案二的详细说明译码器74ls111参见方案二的详细说明三输入与门74ls081参见方案二的详细说明二输入与门ne5551参见方案二的详细说明面 包 板1用于实验布线剪 刀1帮助实验布线镊子1帮助实验布线导线若干导通电流电容2参见方案二的详细说明0.01u 10u电阻2参见方案二的详细说明300 27k 部分元器件的详细说明：74hc161：74ls161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能。74hc161是4位二进制同步加计数器。图12是它的逻辑电路图，其中rd是异步清零端，ld是预置数控制端，a、b、c、d是预置数据输入端，ep和et是计数使能（控制）端，rco（etqaqbqcqd）是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。交流波形图： 图12 74hc161交流波形图表5是74hc161的功能表： 表5 74hc161的功能表清零预置使能时钟预置数据输入输出rdldepetcpabcdqaqbqcqdlllllhlabcdabcdhhl保持hhl保持hhhh计数 ne555：555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。目前生产的定时器有双极型和cmos两种类型，其型号分别有ne555（或5g555）和c7555等多种。它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而cmos定时电路具有低功耗输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电电压范围为516v，最大负载电流可达200ma；cmos定时器电源电压范围为516v，最大负载电流在4ma以下。 图13 555定时器原理图555定时器内部结构的简化原理图如图4所示，引脚图如图5所示。它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个比较器和、基本rs触发器、放电bjt以及缓冲器组成。定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制rs触发器和放电bjt的状态。图中为复位输入端，当为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。 表6 555定时器功能表复位（）阈值输入（）触发输入（）输出（）放电管（t）0 0导通11截止10导通1不变不变 图14 555定时器结构图74ls138：图15为常用的集成译码器74hc138的逻辑图，它的功能表如表4.3所示。由图15可知，该译码器有3个输入端a、b、c，它们共有8种状态的组合，即可译出8个输出信号y0y7，故该译码器也称为3线8线译码器。与2线-4线译码器相比较，该译码器的主要特点是，设置了g1，g2a和g2b 3个使能输入端。由功能表可知，对于正逻辑，当g1为1，且g2a和g2b均为0时，译码器处于工作状态。74hc138 作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统,在高性能存贮器系统中,用这种译码器可以提高译码系统的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时,译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间,这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计。74hc138引脚图如下： 图15 74ls138结构图 表7 74ls138逻辑功能表输入输出g1 g2a g2bc b ay0 y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7hhhhhhhhhhhhhhhhhhlhhhhhhhhhllllllhhhhhhhhllllhhlhhhhhhhlllhlhhlhhhhhhlllhhhhhlhhhhhllhllhhhhlhhhhllhlhhhhhhlhhhllhhlhhhhhhlhhllhhhhhhhhhhl 74hc138译码器除了有以上译码功能外还可以作为数据分配器来使用。数据分配是将一个数据源来的数据根据需要送到多个不同的通道上去，实现数据分配功能的逻辑电路称为数据分配器。它的作用相当于多个输出的单刀多掷开关。将g2b接低电平，g1作为使能端，c 、b和a作为选择通道地址输入，g2a作为数据输入。4 调试过程及结论 通电之后，经观察，实验现象与预期结果相符，实验成功。 图16 方案三电路图根据我的设计，实验现象是红黄绿灯依次按设计的时间闪亮，但是实际应用中的交通灯却是黄灯闪烁的。为了达到真正的交通灯仿真，我觉得黄灯的点亮方式还可以改进。如果将黄灯的接电源的一端通过一定的与非门的逻辑组合接到ne555的3管脚上，由于555输出的是秒脉冲，电压变化是0v与5v以一秒为周期交替出现。正好符合我们对电压的要求。经过我的改进后，我设计的交通灯就达到很高程度的仿真了。虽然现阶段这个设计没有投入实际的可能，但是为我以后的设计打下了坚实的基础。5 心得体会首先这次课程设计是成功的，运用了数电课程知识完全独立自主地进行设计，参考的资料只有课本和ttl的74ls系列芯片的说明书。其次，本设计有利于巩固数电课程知识，加深对基本器件、ff、时序电路、逻辑电路的理解。这次设计使我更加懂得了自己所学知识是多么的有限，自己的各个方面都需要再加强。而我们要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践；才能使自己不被社会淘汰。在这次设计中，也要感谢同组的同学的帮助，相互讨论中也使我学习了他们不同的思考方式，训练了我的团队合作能力，