简易交通信号灯控制器.doc

长 安 大 学电 子 技 术 课 程 设 计 简易交通信号灯控制器 专 业 : 班 级 : 姓 名 : 指导教师 : 日 期 :2008.12.30 前 言 数字电子技术课程设计是数字电子技术课程的实践环节,是对学生学习数字电子技术的综合训练.学生根据某一课题技术指标或逻辑功能的要求,分组进行电路设计,实验测试与调整,写出实验总结报告.通过这一综合性实践训练,深化所学的理论知识,巩固和加深数字电路的应用,培养综合运用所学知识的能力, 并提高自己的实践动手能力, 掌握基本数字应用电路的一般设计方法, 加深对相关软硬件知识的理解，提高电子电路的设计和实验能力，增强独立分析问题与解决问题的能力,培养学生严肃认真的工作态度和科学作风,为今后从事电路设计和研制电子产品打下初步基础. 在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。为了确保车辆安全快速的通行，在十字交叉路口的每个入口处设置红，绿，黄三种信号灯。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。交通信号灯作为交通控制的重要工具，对维护我们的交通安全起到了极其重要的作用。因此,交通信号灯的设计问题成为一个炙手可热的话题. 本次课程设计主要是以数字电路为基础进行设计的,是通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,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. 目 录一、题目（1）二、设计摘要（1）三、关键词（1）四、设计任务与要求（2）五、方案论证与选择（2） 六、系统工作流图，电路结构图及总体电路图说明（3）七、具体单元电路设计（6）八、鸣谢 (15)九、所用元件明细表及所用软件（15） 十、参考文献（16）十一、收获,体会与存在的问题（16）评语（17）摘要 本设计电路主要有脉冲发生电路，定时电路，控制电路，倒计数电路，信号灯显示电路和倒计数显示电路六部分构成。利用555构成多谐振荡电路产生所需的秒脉冲。在脉冲控制下，计数（80进制），产生设计需要的定时脉冲来控制电路的工作。定时电路是由74LS190D(十进制计数芯片2片)和74LS20D,74LS32D,74LS00D,单刀双掷开关等组成。其中74LS190D两片（U1,U2其中U1是低位（个位）U2是高位（十位）用反馈置数法级联在一起构成了10x10的100进制，在本次设计中根据设计要求需要80进制。控制电路利用移位寄存器74LS194作为主芯片，先对它置数，然后在定时电路的脉冲作用下，按照提前置好的数做移位，由移位输出端控制信号灯和倒计数电路。倒计数电路在控制电路的不同控制信号下，分别置不同的数，然后在脉冲点的脉冲信号作用下倒计数，由其输出驱动数码管显示倒计数。关键词 脉冲电路 定时电路 控制电路 倒计数电路 信号灯 数码管显示一、设计步骤与思路1. 总框图设计构思整个系统由哪些功能模块组成，以及各个功能模块之间的互相控制关系，将各功能模 块联系起来画出总体功能模块图。2.单元模块设计根据总功能框图的功能划分，具体设计各单元模块。设计时，从要实现的功能及如何实现等方面着手，大体选择相应的元器件，再进行细节设计。3. 总电路图设计1) 单元功能模块设计好后，从各个单元功能模块间的控制关系着手，对各单元功能模块进行检验论证，保证各个模块间无冲突，均能正常运行2) 分析每个模块的各个状态的转换及控制、各功能模块间的控制关系。3) 纵观全局，规划总电路的布局，最后画出完整的电路图。二、设计任务与要求本次设计一个包含主干道和支干道的十字路口的交通控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红，黄，绿并配以红，黄，绿三组时间倒计时显示。具体要求如下：1. 设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求主干道和支干道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道通行时间（主干道绿灯亮，支干道红灯亮）45秒，支干道通行时间（主干道红灯亮，支干道绿灯亮）25秒。2. 要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道（即每次由绿灯变红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡）。3设计定时控制电路控制交通灯的变化和倒计时显示电路。4. 分别用红，黄，绿，发光二极管表示信号灯。5. 用数码管显示倒计数。电路的具体运行状态图如图1所示： 图1 交通灯运行状态分析图三、方案论证与选择 1.系统总体方案选择 定时电路和倒计数电路计数芯片的选取上; (1) 选取74LS163（或74ls161 ,74LS1600）进行定时电路和倒计数电路的设计； (2) 选取74LS190进行定时电路和倒计数电路的设计；方案1的选择： 我们选择第二种。因为74LS190芯片是十进制计数器，而且具有异步清零功能。因而用它可以在计数到要求值可以在置数端加低电平异步置数。而且它是十进制计数器，便于级联构成10x10的100进制计数，对设计选择方便。2.控制电路的设计; (1) 利用一个计数器(如74LS160)和一个译码器（如74LS138），用74LS160构成一个四进制的循环计数电路，把次计数电路的输出接到译码器74LS138上（其中的一个地址输入端不接或接地）。通过定时电路发出的定时脉冲来控制计数器，这样译码器会在不同的脉冲来时输出不同的值，然后有这些输出控制信号灯和倒计数电路； (2) 利用移位寄存器74LS194作为控制电路，先对它置数，然后它在定时电路的脉冲作用下，按照提前置好的数做移位，由移位输出端控制信号灯和倒计数电路。方案2的选择:控制电路的设计我们选择第二种方案，利用移位寄存器可以节省芯片，电路简单，而且移位寄存器输出有保持功能，直接接信号灯和倒计数控制电路。六、系统工作流程图，电路结构图及总体电路图说明1系统工作流程图根据设计题目的要求，主干道通行时间为45s，支干道通行时间为25s，主、支干道黄灯亮的时间均为5s。系统工作流程图如图(2)所示: 图2 系统工作流程图系统工作工作流程图分析： (1) 主干道绿灯亮，支干道红灯亮。表示主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行，此状态维持45秒； (2) 等到45秒后，主干道的绿灯就向黄灯变换，黄灯亮状态维持5秒，即有常亮的黄灯提示司机注意，此时绿灯已灭； (3) 等到5秒倒计时结束，主干道就变为红灯亮，支干道绿灯亮，支干道的车量通行时间为25秒； (4) 等到25秒倒计时结束，主干道仍然是红灯亮，支干道就由绿灯变为黄灯亮，同样此状态持续5秒； (5) 等到支干道5秒倒计时结束，主干道就由红灯变为绿灯，支干道就由黄灯变为红灯，即回到1状态，然后循环以上过程，就达到了设计的目的。2系统电路结构框图系统电路的整体结构由脉冲电路，定时电路，控制电路，倒计数电路，信号灯显示电路和数字计数显示电路六部分构成。脉冲电路产生的脉冲给定时电路和倒计数电路提供秒脉冲，定时电路产生定时脉冲给控制电路信号，控制信号灯和倒计数电路的计数，倒计数电路驱动数码管，显示两路信号灯的倒计数时间。具体的结构图如图（3）所示： 图3 电路结构框图3. 设计总电路图：电路结构框图分析： (1) 脉冲发生器用来产生电路需要的秒脉冲； (2) 异步清零的定时器是在脉冲控制下，计数（80进制），产生设计需要的定时脉冲来 控制电路的工作；(3) 移位寄存器控制电路，主要在定时器的定时脉冲作用下，输出控制信号控制主支干道信号灯和倒计数电路的工作；(4) 倒计数电路在控制电路的不同控制信号下，分别置不同的数，然后在脉冲点的脉冲信号作用下倒计数，由其输出驱动数码管显示倒计数。图4 设计总电路图电路工作流程：在总电路工作前，现将四个开关（J1,J2,J3,J3）都掷到上端，使得控制电路和倒计时电路先置数，待到数码管显示45后（此过程大约需2秒），再将开关J4,J2,J3,J1依次掷到下端，电路就进入工作状态，电路的起始状态是主干道绿灯亮，支干道黄灯亮，工作后无需控制，电路自动运行，即就完成简易交通灯的的设计。电路在Multism10中仿真实现了设计所需的要求。七、具体单元电路的设计 1.脉冲发生电路 脉冲发生器是由555定时器构成的多谐振荡器，因为控制系统是以秒作为单位，所以用秒脉冲发生器，且其对信号的精度要求不高，这里选用555定时器来构成。555定时器组成的秒脉冲CP的周期为：T0.7（R1+2*R2）*C，根据设计要求T1s，我们令C10F，则有R140 k，R2=50 k。脉冲发生器设计如图（5），工作原理图如图（6）： 图5 脉冲发生电路 图6 555工作原理(1) 脉冲周期计算公式:T1=(R1+R2)CLn2 T2=R2Cln2 T=T1+T2计算结果：T=0.98s1s.(2) 555芯片的管脚图和管脚功能： 1脚：GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。 2脚：TR低触发端。 3脚：OUT（或Vo）输出端。 4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。 5脚：CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端。 7脚：D放电端。8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.516V，CMOS型时基电路VCC的范围为318V。一般用5V。2.定时电路(1) 定时电路总图如图（7）：图7 定时电路总图 定时电路是由74LS190D(十进制计数芯片2片)和74LS20D,74LS32D,74LS00D,单刀双掷开关组成。其中74LS190D两片（U1,U2其中U1是低位（个位）U2是高位（十位）用反馈置数法级联在一起构成了10x10的100进制，由于实验要求，我们只需80进制。(2) 74LS190介绍如下a. 74LS190是一个十进制可预置同步加减计数器。 它的管脚图如图8其中：CP是计数输入端；S是使能端，=l时为保持态，=0时为计数状态；M是加减工作方式控制端M=0时为加计数，Ml时为减计数，S端或M端必须在CP=1时才允许改变状态，否则会影响计数器正常计数。D3D2D1Do是预置数的数据输入端； LD是直接置数端，= 1时为计数状态，= 0时为置数状态，在此状态能把D3D2D1D0的数直接置入Q3Q2Q1Qo；QccQCB，是进位借位输出端，输出为正脉冲，宽度与计数脉冲的周期相同；QCR是进位时钟脉冲输出端，输出为负脉冲i它与计数脉冲的负脉冲同步等宽 VCC D0 CP QCC/QCB D2 D316 15 14 13 12 11 10 91 2 3 4 5 6 7 8 D1 Q1 Q0 M Q2 Q3 地 图8 74LS190管脚图 b.74LS190的引脚功能如表1：U/DCP操作000置数010加计数011减计数1保持表13.八十进制电路图: 图9 八十进制电路图设计时，将两芯片级联，具体的两片74LS4190的级联及管脚接法如下：CP都接到秒脉冲；两芯片的输入端输入为：QDQCQBQA=0000; 异步置数端LOAD都接，加减计数控制端-U/D接Vcc高电平，不同的是使能端：CTEN(U1)接地（低电平），CTEN(U2)接低位芯片的进位端RCO(U1) ，高位的进位端悬空，两芯片的MAX/MIN均悬空，悬空相当于接地。 （1）定时电路（80进制）的计数功能表2所示：秒脉冲CPU2(十位)U1（个位）QDQCQBQAQDQCQBQA100000000200000001 440100010045（CP1）01000101 490100100150(CP2)01010000 740111010075(CP3)01110101 790111100180（过渡）(CP4)10000000异步清零回到0状态00000000表2 80进制真值表 由上表可知：定是脉冲是在计数到45秒时（由0到45中间有45个秒间隔），产生一个定时脉冲给控制电路，再过5秒即计数到50秒（在45秒的基础上又有5秒的间隔）产生一个定时脉冲，在计数25秒后即到75秒再次产生一个定时脉冲，同样在计数5秒后即80秒时又产生一个定时脉冲给控制电路，此时定时电路由于反馈置数使得定时电路重新回到零开始下一次计数，这样不断循环，产生定时脉冲。最后将四个定时脉冲接到一个四端与非门（74LS20,具体见图（10）所示），这样就可以由一个输出端来输出定时脉冲。 （2）具体的定时脉冲电路如下：图10 定时脉冲电路上图中U1是低位芯片，U2是高位芯片，下端四个74LS32D或门输出不同的定时脉冲，从左向右依次是分别：45秒脉冲，50秒脉冲，75秒脉冲，80秒脉冲。最后，将四个定时脉冲加到一个四端与非门（74LS20D），使得输出简单。 （3）定时脉冲真值表如表3：定时输出CPU2(十位)U1（个位）表达式QD2QC2QB2QA2QD1QC1QB1QA1CP101000101CP1=QC2QC1QA1(+)CP201010000CP2=QC2QA2(+)CP301110101CP3= QC2QB2QA2 QC1QA1(+)CP410000000CP4=+ 表3 定时脉冲真值表上表是利用计数输出端表示不同的定时脉冲（CP1,CP2,CP3,CP4）,电路设计中，对表达式进行化简，再用各种门电路（74LS00,74LS20,74LS32）构成定时脉冲电路，电路比较复杂，但保证各脉冲进过的路径大致相同，避免竞争。最后对四个定时脉冲通过一个四端与非门输出，这样达到一线输出定时脉冲CPk到控制电路。其中CPK=4.控制电路 (1) 控制电路图如11所示：图11 控制电路图控制电路主要是移位寄存器74LS194D,它在工作前，将开关J1, J2掷到上边，使得S0=S1=VCC,在秒脉冲作用，给寄存器置数1000，工作后将开关掷到下边，在定时脉冲CPk作用下移位控制主支干道红黄绿灯显示。a.此电路使用的是循环右移，芯片接法如右：b.CLK开始工作前，开关J2使得输入秒脉冲，而且S1在开关J1控制使得S0=S1=VCC，这样移位寄存器就可以置数1000.工作后，J1,J2回复原来状态，CLK只在定时脉冲下有效，S1=0,SR= QD图（12）：为寄存器工作图 (2) 74LS194功能介绍： a.74LS194管脚图及管脚功能：本实验采用四位双向通用移位寄存器，型号为74LS194，引脚排列如图71所示，DA、DB、DC、DD为并行输入端；QA、QB、QC、QD为并行输出端；SR为右移串行输入端；SL为左移串行输入端；S1、S0为操作模式控制端；为直接无条件清零端；CP为时钟输入端。寄存器有四种不同操作模式：并行寄存；右移（方向由QAQD）；右移（方向由QDQA）；保持。S1、S0和的作用如表4所示。 b.74LS194功能表CPS1S0功能QAQBQCQD0清除 = 0，使QAQBQCQD = 0，寄存器正常工作时， = 1。111送数CP上升沿作用后，并行输入数据送入寄存器。QAQBQCQD = DADBDCDD此时串行数据（SR、SL）被禁止101右移串行数据送至右移输入端SR，CP上升沿进行右移。QAQBQCQD = DSRQAQBQC110左移串行数据送至右移输入端SR，CP上升沿进行右移。QAQBQCQD = QAQBQCQSL100保持CP作用后寄存器内容保持不变1保持表4 74LS194功能表c.移位寄存器状态转换表如表5： 输出CPQDQCQBQA0（置数CP）10001（CP1）01002（CP2）00103（CP3）00014（CP4）1000 表5 移位寄存器工作表5.信号灯显示电路 设计中用到的是2.5v的显示灯，由于移位寄存器的输出又保持功能，可以直接控制信号灯工作。具体电路参见图（11）。 信号灯控制真值表：信号灯寄存器输出G1(主干道绿灯)Y1（主干道黄灯）R1（主干道红灯）G2（支干 道绿灯）Y2（支干道黄灯）R2（支干道红灯QD100001QC010001QB001100QA001010 表（3）：信号灯控制真值表由表（3）可得：主干道：G1由QD控制，Y1由QC控制，R1由QB和 QA控制，支干道：G2由QB控制，Y2由QA控制，R2由QD和QC控制.因而，G1直接接到QD端，Y1直接接到QC端，R1接到QB和 QA经74LS32N（或门）的输出端。G2直接接到QB端Y2直接到QC端，R2接到QD和QC经74LS32N（或门）的输出端。这要就可以由移位寄存器控制信号灯的显示。6.倒计数电路(1) 倒计数电路图：图（13）：倒计数电路图在秒脉冲作用下倒计数，当计数到零，会有定时脉冲CPk到来控制置数端（LOAD），在秒脉冲和寄存器输出三者共同作用下使得到计数电路再次置数（每次置数不同），这样就可以在定时脉冲循环到来下完成倒计数功能。其中有一点,秒脉冲输入时先通过一个与非门（U7A,74LS00N，如总电路图所示），这样可以延迟使得倒计时电路在定时脉冲作用下有足够时间置数，但不影响整个电倒计数电路由两片74LS190D组成的减计数器。工作前，和前面一样将开关J3掷到上端，在秒脉冲和寄存器的输出下开始置数，工作时将开关掷到下端，这样就路的工作。(2) 倒计数电路具体的倒计数如表：倒计数输出定时脉冲倒计数芯片高位（U27）到计数芯片低位（U28）对应十进制数QDQCQBQAQDQCQBQA0（开始置数）0100010145CP1000001015CP20010010125CP3000001012CP40100010145表（4）：到计数电路置数表其中芯片74LS190D的高位输入接法如下： A=D=0,B=QC,C=QA.对于倒计数电路低位74LS190D（U28），的置数如下：因为倒计数要求的数字分别为45，5，25.5.因此，它的低位对应的二进制码为：QDQCQBQA=0101，因此只要将低位的QC和QA接到高电平，把QD和 QB分别接到低电平即可。(3) 高位置数如下表：芯片CP寄存器输出倒计数高位（U27）输入QAQBQCQDDCBA0(开始)10000100CP101000000CP200100010CP300010000CP410000100表（5）：到计数电路高位置数表7.数码显示倒计数电路此设计电路所选用的倒计数显示数码管采用的是四端输入，无需驱动电路，这样既节省了设计材料，也简化了电路，便于连接和实现.数码管具体接法如下：图（14）：数码管显示电路图 如图（11）所示，数码管直接接到倒计数芯片的输出端，管脚从左到右一次接74LS190输出端的QDQCQBQA，U29接到U27的对应输出端为高位显示，U30接到U28的对应输出端作为低位显示，这样就构成了数码显示电路。八、鸣谢 感谢我们的指导老师杨永梅和楚岩老师的悉心指导,还有我的同组同学武蓉和杨彪对我的莫大帮助.九、所用元件明细表及所用的软件1.元器件明细表 项目元件名所用元件数目 项目元件名所用元件数目NE5551片74LS002片74LS1904片74LS205片74LS1941