课程设计--交通信号灯的控制电路.doc

数字电子技术课程设计课 题：交通信号灯的控制电路班 级：学 号： 学生姓名： 指导教师： 目 录前言.3课程设计的要求和主要内容.4主控制器电路的设计.6计时器的设计.12译码驱动电路的设计.14采用的原件.15附录 前 言红绿灯（交通信号灯）系以规定之时间上交互更迭之光色讯号，设置于交岔路口或其他特殊地点，用以将道路通行权指定给车辆驾驶人与行人，管制其行止及转向之交通管制设施。为一由电力运转之交通管制设施，以红、黄、绿三色灯号或辅以音响，指示车辆及行人停止、注意与行进，设于交岔路口或其他必要地点。 诞生19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦威斯敏斯会议大楼前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国铁路信号工程师德哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯，这是第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。 从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。 随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，它的诞生，使城市交通大为改善。 电子技术课程设计一、设计指标及要求题目：交通信号灯控制电路的设计要求：1.主干道经常通行; 2.支干道有车才通行： 3.主、支干道均有车时，两者交替通行，并要求主干道每次至少放行30秒，支干道每次至多放行20秒； 4.每次绿灯变红灯时，要求黄灯先亮5秒钟（此时原红灯不变）。 电路方框原理图 本设计重点要求是设计出主控制器、计时器。传感器信号可以用逻辑开关代替，信号灯可以采用发光二级管，“秒”信号脉冲可以用1Hz脉冲信号代替。2、 课程设计说明书的主要内容（字数；40005000字）： 1、设计任务及主要技术指标和要求； 2、个单元电路的详细设计计算，元器件选择，电路图等； 3、整体电路的工作原理说明； 4、用EWB或Multisim绘制原理图，仿真。主控制器的设计从所给的题目可知，本实验电路的设计师关于交通信号灯电路的控制，其中要求中提到支道有才通行，主道是要经常通行，则此时主道应该为绿灯，支道应该为红灯。当支道和主道都有车要通行时，则主道和支道交替通行，且当绿灯变红灯需经过黄灯，二红灯变绿灯则不需要。根据题目要求可分为4种情况：1. 主道为绿灯时，支道为红灯；2. 主道为黄灯时，支道为红灯；3. 主道为红灯时，支道为绿灯；4. 主道继续为红灯时，支道转为黄灯；按照这4个状态循环一、状态分析 由于有四种状态2n=4,则n=2。我们可以确定主控制器中必须有两个触发器。本实验中选择的是74109的JK触发器。 接下来设计具体的电路，按以下几个步骤：把主道为红，支道为绿,记为状态S0；把主道为黄，支道为红,记为状态S1；把主道为红，支道为绿,记为状态S2；把主道为红，支道为黄,记为状态S3；二、状态表S0用“00”表示，S1用“01”，S2用“10”，S3用“11”，则可列出下表 主支状态记为绿红S000黄红S101红绿S210红黄S311 表 1结合题目分析上表可知，1.当电路处于S0有两种可能：主干道有车支干道无车；主干道和支干道都有车但是没过30。2.当电路处于S1时，没过5。3.当电路处于S2时也有两种可能：支干道有车，主干道无车；主、支干道都有车但是没过20。4.当电路处在S3时，没过5。5.当由S0转换为S1时的条件是：主干道无车，支干道有车；主干道和支干道都有车但是过了30。6.当由S1转换为S2时的条件是过了5。7.当由S2装换为S3时的条件是：支路无车，主干道有；主支都有但是过了20。8.当由S3装换为S0时的条件是：过了5。三状态转换图 根据上诉4种状态可以列出下面的状态转换图： 图2四、逻辑抽象1.对主干道与支干道有无车进行抽象，令主干道有车时记为A=1，无车时记为A=0;支干道有车时记为B=1，无车时记为B=0；有车无车主（A）10支 (B )10 表22. 对30，20，5是否到来进行抽象，令30到来时记为L=1，没到记为L=0; 20到来时记为S=1，没来记为S=0； 5到来时记为P=1，没来记为P=0;到来未到30（L）1020（S）105（P）10 表3则图二可以转换为： 图三五、状态转换表由图三可以列出相应的状态装换表，如下所示：ABLSPQ2Q1Q2*Q1*X0XXX0000110XX000001XXX0001111XX0001XXXX00101XXXX1011001XXX101011X0X101010XXX101111X1X1011XXXX01111XXXX11100 表四六、列出逻辑函数式运用Multisimz中的逻辑转换功能（Logic Converter）可以分别计算出Q2*，Q1*的最简逻辑式如图四，图五所示：Q1*的化简结果： （图四）Q2*的化简结果： （图五） 由上图可知Q1*=ABFG+ABFG+EG+BCFG+ADFG=ABQ2Q1+ABQ2Q1+PQ1+BLQ2Q1+ASQ2Q1Q2*=AFG+EFG+EFG+BFG=AQ2Q1+PQ2Q1+PQ2Q1+BQ2Q1 Q1*，Q2*为主控制器的输出，因为输出方程式驱动方程带入JK触发器的特性方程得出的，所以可以分离出JK触发器的驱动方程：JK触发器的特性方程为：J=JQ+KQ,则：Q1*=ABFG+ABFG+EG+BCFG+ADFG=ABQ2Q1+ABQ2Q1+PQ1+BLQ2Q1+ASQ2Q1=(ABQ2+ABQ2+ASQ2+BLQ2)Q1+PQ1Q2*=AFG+EFG+EFG+BFG=AQ2Q1+PQ2Q1+PQ2Q1+BQ2Q1=PQ1Q2+(AQ1 +PQ1+BQ1)Q2从上式中可得：J1=ABQ2+ABQ2+ASQ2+BLQ2 K1=P; J2=PQ1 K2=AQ1 +PQ1+BQ1;七、选用芯片，按要求连接电路选用74109JK触发器，将J1，K1所表示的电路接入第一块芯片的1J与1K，J2，K2接入第二片的2J,2K上，两块芯片的CLR不接，VCC接高电平，GND接地，时钟信号接同步的脉冲信号，信号脉冲频率为1Hz.上从上述驱动方程可以连接出以下电路图： （图6） 计时器电路的设计本实验的及时器有3种类型，30，20，10计时，而且每个计时器响应时相应的条件也不相同，所以需要3种不同的及时器记录三种时间，本实验选用的是74160二进制计时器。Q2Q1一、计时条件 当电路进行及时时需要在一定的条件下进行： 当进行30记时条件是主干道和支干道均有车且处在So的状态 当进行20记时条件是主干道和支干道均有车且处在S2的状态 当进行5记时条件是主干道和支干道均有车且处在S1或者S3的状态 对应上述条件可列出计时的时候，不同时间的电路所需的逻辑条件： 进行30计时时，逻辑条件为ABQ2Q1 进行20计时时，逻辑条件为ABQ2Q1 进行5计时时，逻辑条件为ABQ2Q1+ABQ2Q12、 芯片选择 由于每一种逻辑条件下只能让一个计时器工作，所以这里用到的是74HC138（3线-8线译码器）当输入一种状态，输出只有与之对应的输出端输出低电平，下图为条件控制的电路 （图7）将Y4反向后端接入30计时的EP,ET,将Y6反向接入20计时的EP,ET.将Y5与Y7反向后经过一个与门接入5计时的EP,ET上，即完成主控制器对计时器的选择。在计时器的电路方面，由于选用的是74160，则应把逻辑条件作为计时器的控制端，接与EP,ET上，当逻辑条件为“1”时，EP=ET=1，芯片工作。时钟信号选用同步时钟与主电路选用相同脉冲信号，此处用的是同步置零的方法，当要设计一个30时，须从29的状态经过一个反向接入同步置数端，当要接一个20时须从19的状态经过一个反向接入同步置数端，当要接5时须从4的状态经过一个反向接入同步置数端.，输入信号统一接地，各个电路的进位输出作为时钟型号是否到来的标志接入主控制器。具体的，在30计时器中，第二块芯片的Q1，与第一块芯片的Q3，Q0共同接入一个与非门，经过一次与非接入LD中，输出信号为置零信号取反作为30计时标志，接入主控制器，记为“L”。在20计时器中，第二块芯片的Q0，与第一块芯片的Q3，Q0共同接入一个与非门，经过一次与非接入LD中，输出信号为置零信号取反作为20计时标志，接入主控制器，记为“S”。在5计时器中，将Q2接入非门接入LD中，输出信号为置零信号取反作为20计时标志，接入主控制器，记为“P”。电路如图所示： （图8）译码器电路的设计1、 逻辑转换将主干道的红，绿，黄分别设为R,Y,G。将支干道的红，绿，黄分别设为r,y,g.2、 信号译码器的真值表由于是主控制器的Q1，Q2控制灯的明暗，由主控制器的转换图可以知道： 当主干道为红，支干道为绿，电路处在S0状态,此时Q1=0，Q2=0;当主干道是黄，支干道为红，电路处在S1状态,此时Q1=1，Q2=0;当主干道是红，支干道是绿，电路处在S2状态,此时Q1=0，Q2=1;当主干道是绿，支干道是黄，电路处在S3状态,此时Q1=1，Q2=1.Q1Q2010101103、 列出卡洛图Q1Q201001100R的卡洛图，化简得：R=Q1Q2 r的卡洛图，化简得；r=Q1Q2+Q1Q2Q1Q201000110Q1Q201000101 Y的卡洛图，化简得：Y=Q1Q2 y的卡洛图，化简得：y=Q1Q2 Q1Q201010101Q1Q201000110G的卡洛图，化简得；G=Q1Q2+Q1Q2 g的卡洛图，化简得；g=Q1Q2根据上述逻辑式可设计出译码器电路图，如下图所示； 将上诉三种电路按步骤连接起来就得到最后的交通信号灯的控制电路，此电路以同一的脉冲为1Hz的信号为时钟信号，主控制器采用两片JK触发器，输入信号为传感器的输出A,B和时间控制信号L,S,P.输出为Q1，Q2作为译码器电路的输入信号，计时器采用了个74138（3线-8线译码器）对输入条件进行控制，当一个条件到来时，只会有一个时间进行相应。计时器才用的是74160二进制计时器，才用同步置零的方法对时间进行控制。（整体电路图鉴附录一） 采用的元器件有：74138译码器两个74109JK触发器，五个74160计时器，若干与非门，导线若干，脉冲输入信号器。6个指示灯，5个数字显示器。 课程设计总结与体会经过紧张而有辛苦的二周的课程设计结束了通过此次课程设计，自己也学到的很多。不仅检验了我所学习的知识，在和同学们相互探讨，相互学习的过程中也学会了合作，也学会了做人与处世。通过设计实践，树立了正确的设计思想，增强创新意思和竞争意识，熟悉掌握了课程设计的一般规律，也培养了分析和解决问题的能力。在具体做的过程中，从设计到计算，从分析到绘图，让我更进一步的明白了作为一个设计人员要有清晰的头脑和整体的布局，要有严谨的态度和不厌其烦的细心，要有精益求精、追求完美的一种精神。说实话，课程设计真的有点累然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这2周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿悟 通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱：有2次因为不小心我计算出错，只能重来 这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练 短短2周是课程设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足。在这个过程中，要谢谢老师对我的教导，在老师的讲解下让我对整