[信息与通信]基于数字电路交通信号灯的设计.doc

Ganxi Vocational Institue of Science of Technology 专专 科科 毕毕 业业 论论 文文 基于数字电路交通信号灯的设计 Design of digital circuits based on traffic lights 系（院）名称： 电子计算机系 专业班级： 09 级统招电子班 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2011 年 10 月 赣西科技职业学院毕业论文 I 基于数字电路交通信号灯的设计 摘 要 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，由于它的诞生，使城市交通大为改善。 随着经济的快速发展，城市中的车辆逐渐增多，交拥挤和堵塞现象日趋严 重，引起交通事故频发、环境污染加剧等一系列问题，高效的交通灯智能控制 系统是解决城市交通问题的关键。本次设计的交通信号灯自动控制系统是由时 钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动 电路几部分组成。 关键词：交通信号灯 自动控制 时钟信号发生器 主控制器 赣西科技职业学院毕业论文 II Design of digital circuits based on traffic lights Abstract With the development of various modes of transport and traffic needs, the first worthy of the three color lamp (red, yellow, green, three kinds of signs) in 1918, was born. It is three-colored circle four projectors, was installed on Fifth Street in New York City on a high tower, because it was born, making urban transportation improved significantly. With the rapid development of economy, vehicles in the city on the rise, congestion and jams increasing gravity, causing frequent traffic accidents, environmental pollution and other problems, efficient traffic lights intelligence control system is the key to solving the problems of urban transport. The design of automatic control system of traffic lights is determined by a clock signal generator, counter, host controllers, signal lamp driving circuit for decoding and digital display consists of driving circuit for decoding. Key words：Traffic lights Automatic control The clock signal generator The controller 赣西科技职业学院毕业论文 III 目 录 一、交通信号灯的设计目的以及要求2 1. 课程设计目的 .2 2. 课程设计内容及要求 .2 二、交通信号灯基本原理及设计方法3 三、主控制器6 3.1 74LS90 逻辑图与引脚排列图6 3.2 74LS90 的功能表及引脚功能7 四、计数器9 4.1 计数器的作用 9 4.2 计数器的工作情况 9 4.3 控制信号灯的译码电路的真值表与其译码电路的逻辑图 .10 4.4 置数电路 .12 五、译码显示电路15 5.15.15.1 共阳极共阳极共阳极 LED 七段数码管 .15 5.2 74LS247 译码器16 六、555 振荡器构成的秒脉冲电路20 6.1 555 定时器的引脚20 6.2 555 定时器构成的多谐振荡器22 6.3 555 定时器工作原理23 七、交通灯信号灯控制总体框图25 八、组装和调试过程26 总 结27 致 谢28 参 考 文 献： 29 赣西科技职业学院毕业论文 1 引 言 黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国 深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在 繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车 呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、 绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关 方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及 全世界陆、海、空交通领域了。 中国最早的马路红绿灯，是于 1908 年出现在上海的英租。 从最早的手牵 皮带到 20 世纪 50 年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监 控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。 当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、 路三者关系的协调、 多值化方向发展。随着社会经济的快速发展， 城市的车 辆逐渐增多，交通拥挤和堵塞现象日趋严重，引起交通事故频发，环境污染加 剧等一系列问题，高效的交通灯智能控制系统是解决城市交通问题的关键。本 设计采用数字电路来实现交通信号灯的自动控制，控制电路由时钟信号发生器、 计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路五部分组成。 赣西科技职业学院毕业论文 2 一、交通信号灯的设计目的以及要求 1. 课程设计目的 （1）培养数字电路的的设计能力。 （2）掌握交通信号灯控制电路的设计、组装和调试方法。 2. 课程设计内容及要求 （1）设计一个交通信号灯控制电路。要求： 1 主干道和支干道交替放行，主干道每次放行 30s,支干道每次放行 20s； 2 每次绿灯变红灯时，黄灯先亮 5s，此时原红灯不变； 3 用十进制数字显示放行及等待时间； 4 在实践中运用理论知识，培养实际动手能力。 赣西科技职业学院毕业论文 3 二、交通信号灯基本原理及设计方法 十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一个主干道和一 个支干道的十字路口如图所示。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表 示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以 便让停车线以外的车辆停止运行。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的 时间要长。 七七七 七七七 七 七 七 七 七 七 路口交通指挥系统示意图 要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计 数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路几部分组成， 整机电路的原理框图如图所示 赣西科技职业学院毕业论文 4 显示器 译码器 计数器 时钟信号 发生器 支干道 信号灯 信号灯 译码驱 动电路 主干道 信号灯 主控 电路 交通信号灯控制电路框图 十字路口车辆运行情况只有 4 种可能：设开始时主干道通行，支干道不通 行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为 30s；30s 后，主干道停车， 支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为 5s；5s 后，主 干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为 20s；20s 后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮， 持续时间为 5s。5s 后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电 路也有 4 种状态，设这 4 种状态依次为：S0、S1、S2、S3。状态转换图如图所 示。 S0S1 S2S3 30s 后 5s 后 20s 后 5s 后 状态转换图 赣西科技职业学院毕业论文 5 设主干道通行时间为 N1，支干道通行时间为 N2，主、支干道黄色信号灯等 待的时间均为 N3，按主、支干道通行的时间来看，设置 N1N2N3。系统工作 流程图如图所示。 主干道绿灯亮，支干道红灯亮 计数器由 N1 到 30 递增计数 主干道黄灯亮，支干道红灯亮 计数器由 N3 到 5 递增计数 主干道红灯亮，支干道绿灯亮 计数器由 N2 到 20 递增计 主干道红灯亮，支干道黄灯亮 计数器由 N3 到 5 递增计 S1 S2 S3 S0 系统工作流程图 赣西科技职业学院毕业论文 6 三、主控制器 3.1 74LS90 逻辑图与引脚排列图 设 S0=00，S1=01，S2=10，S3=11。实现这 4 个状态的电路，可用两个触发 器构成，也可用一个二-十进制计数器或二进制计数器构成。我采用二-十进 制计数器 74LS90 实现。 采用反馈归零法构成 4 进制计数器,即可从输出端 QBQA得到所要求的 4 个状 态。逻辑图、74LS90 管脚排列图如下图所示。为以后叙述方便，设 X1=QB,X0=QA。 X X1 1 X X0 0 74LS90 Q AQ BQ CQ D R01 R02 S91 S92 CP0 CP1 主控制器的逻辑图 赣西科技职业学院毕业论文 7 74LS90 管脚排列图 3.2 74LS90 的功能表及引脚功能 74LS90 功能表 赣西科技职业学院毕业论文 8 输 入 输 出 清 0 置 9 时 钟 S9(1)、 S9(2) CP 1 CP2 QD QC QB QA 功 能 1 1 0 0 0 0 0 0 清 0 0 0 1 1 1 0 0 1 置 9 1 QA 输出 二进 制计数 1 QDQCQB 输出 五进 制计数 QA QDQCQBQA 输出 8421BCD 码 十进 制计数 QD QAQDQCQB 输出 5421BCD 码 十进 制计数 0 0 0 0 1 1 不 变 保 持 赣西科技职业学院毕业论文 9 如表 74LS90 功能表：74LS90 逻辑功能为 (1)计数脉冲从 CP0 输入，QA 作为输出端，为二进制计数器。 (2)计数脉冲从 CP1 输入，QDQCQB 作为输出端，为异步五进制加法计数器。 (3)若将 CP1 和 QA 相连，计数脉冲由 CP0 输入，QD、QC、QB、QA 作为输出 端， 则构成异步 8421 码十进制加法计数器。 (4)若将 CP0 与 QD 相连，计数脉冲由 CP1 输入，QA、QD、QC、QB 作为输 出端， 则构成异步 5421 码十进制加法计数器。 (5)清零、置 9 功能。 a) 异步清零 当 R0(1)、R0(2)均为“1” ；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功 能，即 QDQCQBQA0000。 b) 置 9 功能 当 S9(1)、S9(2)均为“1” ；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置 9 功能， 即 QDQCQBQA1001。 赣西科技职业学院毕业论文 10 赣西科技职业学院毕业论文 11 四、计数器 4.1 计数器的作用 计数器的作用有二：一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换 时间的要求，进行 30s、20s、5s 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状态转换。 4.2 计数器的工作情况 计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器 的工作情况为：计数器在主控制器进入状态 S0 时开始 30s 计数；30s 后产生归 零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态 S1，计数器开始 5s 计数；5s 后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换 信号，使计数器归零，主控制器进入状态 S2，计数器开始 20s 计数；20s 后也 产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进 入状态 S3，计数器又开始 5s 计数；5s 后同样产生归零脉冲，并向主控制器发 出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态 S0，开始新一轮循环。 根据以上分析，设 30s、20s、5s 计数的归零信号分别为 A、B、C，则计数 器的归零信号 L 为： L=A+B+C 其中： A=S0 QB2QA2=QB2QA2 B=S2 QB2 = QB2 C=S1 QC1 QA1+S3 QC1QA1= X0 QC1 QA1 考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将 L 取反后送到主控制器的 CP 端作为主控制器的状态转换信号。可选用集成异步十进制加法记数器(74LS90)。 赣西科技职业学院毕业论文 12 计数器 74LS90 Q0Q1Q2Q3 CP0 CP1 R0R1 S0 S1 74LS90 Q0Q1Q2Q3 CP0 CP1 R0R1 S0 S1 a、b、c、d、e、f、g 是输 出端,输出低电平有效,和共阳极半导体发光数码管各发光段的阴极引出线相互 连接，下面是七段数码显示器管脚接法，74LS247 和数码管的管脚排列图如下 图所示: 赣西科技职业学院毕业论文 20 七段数码显示器管脚接法 a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 BIN/7-SEG T1 1 4 & 5 CT=0 3 G21 V20 7 1 1 2 2 4 6 8 13 a 20,21 12 b 20,21 11 c 20,21 10 d 20,21 9 e 20,21 15 f 20,21 14 g 20,21 74LS247 VCC GND 0.1K VCC 5V5V LE D七七七七七 . 数码管连接电路图 3. 真值表 共阳极数码管的数字显示真值表如下表所示 赣西科技职业学院毕业论文 21 七段显示译码电路真值表 赣西科技职业学院毕业论文 22 六、555 振荡器构成的秒脉冲电路 555 定时器是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在一起的中规模集 成电路，电路功能灵活，应用范围广，只要外接少量原件，就可以构成多谐振 荡器、单稳态触发器或施密特触发器等电路。 6.1 555 定时器的引脚 555 定时器的内部电路图和引脚排列图如下图所示。555 定时器内部含 有一个基本 RS 触发器，两个电压比较器 C1,C2,一个放电晶体管 T，以及由三个 5K 的电阻组成的分压器，555 定时器因此而得名一个输出缓冲器 G3。比较器 C1 的参考电压为 2/3Vcc，加在同相输入端；C2 的参考电压为 1/3Vcc，加在反相 输入端，两者均由分压器上取得。 555 的内部电路图 赣西科技职业学院毕业论文 23 555 定时器引脚排列图 555 定时器各个引线端的用途如下： 1. 1 端为接地线； 2. 2 端为低电平触发端，也称为触发输入端。当 2 端的输入高电压高于 1/3VCC时，C2 输出为 1；当输入电压低于 1/3VCC时，C2 的输出为 0，使基本触 发器置 1； 3. 3 端 OUT 为输出端； 4. 4 端是复位端，当=0 时，基本触发器直接置 0，使 Q=0，=1； 5. 5 端 UDD 为电压控制端，如果 CO 端另加控制电压，则可以改变 C1，C2 的参考电压。工作中不使用 CO 端时，一般都通过一个 0.01uF 的电容接地，以 防旁路干扰； 66 端 D 为高电平触发端，当输入电压低于 2/3VCC 时，C1 的输出为 1； 当输入电压高于 2/3VCC 时，C1 的输出为 0，使基本触发器置 0，即 Q0=0，=1，这时定时器输出 U0=0； 77 端 TH 为放电端。当基本触发器的=1 时，放电晶体管 T 导通，外 接电容元件通过 T 放电； 8 8 端 S 为电源端，Vcc=4.5-16V，若为 CMOS 电路，则 Vcc=3-18V。 555 定时器功能表，它全面表示了 555 的基本功能。 555 定时器功能表 赣西科技职业学院毕业论文 24 6.2 555 定时器构成的多谐振荡器 多谐振荡器是产生矩形脉冲的自激振荡电路，由于矩形脉冲中除基波外还 含有极丰富的高次谐波，因此称为多谐振荡器。如下图定时器波形图采用 555 设计的多谐振荡器及其工作波形，其振荡频率与实际的数字钟频率略有出入， 但可以通过校时装置校时。多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态， 同时毋须外加发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡） 。用 555 实现 多谐振需要外接电阻 R1，R2 和电容 C，并外接+3V 的直流电源。只需在+VCC端 接上+3V 的电源，就能在 3 脚产生周期性的方波。 秒脉冲电路图 赣西科技职业学院毕业论文 25 波形图 6.3 555 定时器工作原理 接通电后，它经过电阻和对电容 C 充电，当上升略高于时， 比较器 C1 的输出为“0” ，将触发器置“0” ，为“0” 。这时， 1，放电 管 T 导通，电容 C 通过和 T 放电，下降。当下降略低于时，比较 器 C2 的输出为“0” ，将触发器置“1” ，又由“0”变为“1” 。由于0，放 电管 T 截止，又经过和对电容 C 充电。如此重复上述过程，为连续 的矩形波。 第一个暂稳状态的脉冲宽度，即从充电上升到所需的 （）Cln20.7（）C 第二个暂稳状态的脉冲宽度，即从放电下降到所需的时 间： 赣西科技职业学院毕业论文 26 Cln20.7C 振荡周期 T=+0.7(2)C 振荡频率 占空比 q =tp1 T 由式可得,占空比大于总是%50。若设占空比=%50，又知交通信号灯的 振荡周期是 1S，可得到本次所需要的元器件阻值： R15.1K R25.1K C1100uF C20.01uF 赣西科技职业学院毕业论文 27 七、交通灯信号灯控制总体框图 根据设计各部分功能可画出交通信号灯控制系统总体框图： RoA RoBS9AS9B QDQCQBQA 74LS90 CP1 CP0 RoA RoBS9AS9B QDQCQBQA 74LS90 CP1 CP0 74LS24774LS247 a b c d e f g a b c d e f g RoA RoBS9AS9B QDQCQBQA 74LS90 CP1 CP0 R? 1K R? 4K7 R? 4K7 R? 4K7 R? 1K R? 1K R? 1K R? 1K R? 4K7 R? 4K7 R? 4K7 R? 1K R? 1K R? 1K & 1 & & & 1 1 11 1 1 1 R? 1K R?1K 555 1 1 & & & 1 & 1 1 X0X1X0 X1X0 1GND 8VCC 6 TH 2 TR 7 D 5 CO 3 OUT 4 R 交通信号灯控制系统总体框图 赣西科技职业学院毕业论文 28 八、组装和调试过程 在电路板上按整机框图把主控制器、计数器、信号灯译码器、数子显示译 码器和秒脉冲信号发生器焊接好然后按以下步骤进行调试： 1秒脉冲信号发生器的调试，按照数字电子钟的方法逐级调试振荡电路和 分频电路，使输出频率符合设计要求。 2将秒脉冲信号送入主控制器的 CP 端，观察主控制器的状态是否是按 0001101100的规律变化。 3将秒脉冲信号送入计数器的 CP 端，接入主控制器的状态信号 X0、X1， 并把主控制器的状态信号送入主控制器的 CP 端，观察计数器是否按 30s、5s、20s、5s、30s 等循环计数。 4把主控制器的状态转换信号 X1、X0 接至信号灯译码电路，观察 6 个发 光二极管是否按设计要求发光。 5整机联调，使交通信号灯控制电路正常工作。 以上是本次设计的全过程，由以上分析知此设计所需材料有：3 片 74LS90、2 片 74LS247 和 2 个共阳数码管、1 个 555 定时器、3 片 74LS04、2 片 74LS20、1 片 74LS00、21 个 1k 电阻、2 个 5.1k 电阻。1 个 100UF 电容、1 个 0.01UF 电容和导线若干。 赣西科技职业学院毕业论文 29 总 结 通过此次交通