基于数字电路的交通灯设计.doc

电子技术课程设计报告课 程 名 称 电子技术课程设计 设 计 题 目 交通信号灯控制器 所学专业名称 电子信息工程 班 级 电信1班 学 号 2013210xxx 学 生 姓 名 张XX 指 导 教 师 XXX 2015年 6月 1日电子技术课程设计任 务 书设计（论文）名称： 交通信号灯控制器 系(部)、专业： 电气学院电子信息工程 学生姓名： 张XX 指导教师： XXX 下达时间： 2015年5月25日 一、课程设计应达到的目的：设计设计一个十字路口交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间25秒； 要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；黄灯亮时要求每秒闪亮一次。二、课程设计任务和基本要求设计任务：设计一个十字路口交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间25秒； 要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；黄灯亮时要求每秒闪亮一次。基本要求：用交通灯控制十字路口的车辆通行，绿灯通行，黄灯缓行，红灯停止，每次通行25秒，则要求绿灯每次亮25秒。绿灯亮25秒后变成黄灯，黄灯再亮5秒，当甲车道亮绿灯时，乙车道红灯亮，那么当甲车道亮黄灯时，车辆缓行，此时乙车道不能通行，故亮红灯，所以红灯亮30秒。黄灯闪亮，只需将黄灯的控制信号与时间的秒信号相与即可。目 录摘要：3第一章 设计电路31.1 设计任务与要求31.2 设计分析3第二章 总体设计方案42.1 电路状态分析42.2 时间控制分析5第三章 单元电路设计53.1 时标电路53.2 分频电路63.3核心控制电路及显示73.4倒计时显示电路8第四章 电路总图9第五章 元件清单10第六章 心得体会10参考文献11芯片引脚与功能表11交通信号灯控制器摘要：在日常生活中，交通灯作为管理交通、调协车辆的一个便捷的手段，起着很大的作用。各种交通工具、行人都要根据交通灯的变化来决定是否前行，通行的时间的规定协调了它们的步伐，极大的减少了由于交通混乱引起的各种事故的发生。因此，一个完善的交通系统中，交通灯是必不可少的设备，一个完善的交通灯程序会更有效的管理当前道路中出现的实际情况，使车辆、行人的行进变得更顺畅、更和谐。第1章 设计电路1.1 设计任务与要求设计一个十字路口交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间25秒；要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；黄灯亮时要求每秒闪亮一次。1.2 设计分析用交通灯控制十字路口的车辆通行，绿灯通行，黄灯缓行，红灯停止，每次通行25秒，则要求绿灯每次亮25秒。绿灯亮25秒后变成黄灯，黄灯再亮5秒，当甲车道亮绿灯时，乙车道红灯亮，那么当甲车道亮黄灯时，车辆缓行，此时乙车道不能通行，故亮红灯，所以红灯亮30秒。黄灯闪亮，只需将黄灯的控制信号与时间的秒信号相与即可。1.3 设计原理与框图为了确保十字路口的车辆顺利、通畅地通过，往往都采用自动控制的红、黄、绿的交通灯来进行指挥。其中红灯亮，表示该道路禁止通行；黄灯亮表示该道路上未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆缓慢通行；绿灯表示该道路允许通行。交通灯的控制系统框图如图1-1所示：时 标分频系统控制电路东西方向EW G Y R南北方向NS G Y R倒计时显示图1-1它主要由控制器、分频器、倒计时器和时标等部分组成。时标以秒脉冲发生器产生，倒计时器显示两组信号灯的控制时间，分频器将时标秒信号进行五分频，并将信号提供给控制器，控制器是系统的主要部分，由它控制倒计时器，和红绿黄灯的显示情况。第2章 总体设计方案2.1 电路状态分析（1）两车道的运行状态共4种，如表2-1所示控制器状态信号灯状态车道运行状态及时间S0（00）S1（01）S2（11）S3（10）南北绿，东西红南北黄，东西红南北红，东西绿南北红，东西黄南北通行，东西禁止通行(5t)南北缓行，东西禁止通行(t)南北禁止通行，东西通行(5t)南北禁止通行，东西缓行(t)表2-1 控制器工作状态及其功能表中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR, NSY,NSG; 东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR, EWY, EWG。它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。应满足两个方向的工作时序，即东西方向亮红灯的时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和。同理，南北方向亮红灯的时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。本方案取时间t=5s，则南北、东西方向亮绿、黄、红灯时间分别为25s、5s、30s。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。2.2 时间控制分析（2）十字路口要有数字显示作为时间提示，以方便人们更直观地把握时间。具体应为当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。例如当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为30，并使计数器开始减“1”计数。当减到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数显示应为5，当减到“0”时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为30。时序工作流程图如图2-2所示：S0=0030sS1=01 5sS2=10 30sS3=11 25s图2-2 (3)时标直接由集成的时钟信号源提供1s的单位秒脉冲；倒计时器由4块74LS192两两组合，分别记录南北、东西方向的通行情况，数字显示由四块集成的4输入端数码管承担；时间t=5s，有74LS161的五分频信号提供；控制器由2块74LS194组成扭环行12进制计数器，提供红黄绿灯的控制信号，再由集成的虚拟交通灯模拟红黄绿的显示情况。第3章 单元电路设计3.1 时标电路 秒脉冲由如图3-1所示的集成时钟信号源提供，本方案信号源采用5V的电压，它是整个电路的基准时间信号，它的秒脉冲直接提供给分频器74LS161，并触发其工作。（也可以采用555定时器来提供秒脉冲信号）图3-13.2 分频电路该分频电路为五分频，具体设计情况如图3-2所示：图3-24位同步二进制计数器74LS161的封装及功能表见附录，将芯片的始能端ENP、ENT，清零端（低电平有效），电源端接5V（高电平），输出端QC五进制的进位端通过74LS04非门反馈给置数端LOAD（低电平有效），输入端A、B、C、D均接地（低电平），计数器从0开始计时，当计数到4时，输出端QC为1（高电平），此时置数端LOAD有效，输入端重新置为0，如此循环，计时器反复从0-4计五个数，该过程中CLK,QA,QB,QC的波形依次如图3-3所示：图3-3 由波形图可知图3-2中的计数器是下降沿触发的，QB,QC均为五分频信号，本方案中选择QC信号并输入给下级的核心控制电路，作为74LS194的触发信号。3.3核心控制电路及显示 控制电路部分由两块74LS194组成扭环行12进制计数器，然后经74LS04的非门与74LS08的与门译码，输出给十字路口南北、东西两个方向的信号灯，其中的黄灯信号与时标秒信号相与即可获得每秒闪亮一次的信号。扭环行计数器的状态表如下所示计数器输出南北方向东西方向Q0Q1Q2Q3Q4Q5NSGNSYNSREWGEWYEWR00000001000011100000100001211000010000131110001000014111100100001511111001000161111110011007011111001100800111100110090001110011001000001100110011000001001010根据状态表，可列出东西、南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式：东西方向绿：EWG=Q4Q5 黄：EWY=Q4 Q5(EWY=EWYCP)红：EWR=Q5南北方向绿：NSG=Q4 Q5黄：NSY=Q4Q5(NSY=NSYCP)红：NSR=Q5 具体电路图3-4设计如图所示：图3-474LS194四位双向移位寄存器的引脚与功能表见附录，将其中一片74LS194的QD接至另一片的SR，将另一片的QA接到这片的SL，同时把两片的S1、S0、CLK和CLR分别并联即可变成8位的双向移位寄存器，如上图所示电路只采用右移功能，故只将左边的74LS194的QD接至右边的SR，再降右边输出端的QB接方向器非门反馈给左边的SR，作为右移的输入信号，从而行成扭环12进制计数器，另上图两片74LS194输出端的QA、QB、QC、QD从左至右分别为Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8。按东西、南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式连接成上图所示电路的右边部分，黄灯闪亮则需将EWY和NSY分别与时标信号相与。图中上面的交通灯模拟东西方向，下面的则模拟南北方向。另外，S0、CLR接高电平，S1接低电平，CLK接上级的五分频信号。并将东西、南北方向的黄灯信号与时标秒脉冲相与 (EWY=EWYCP和NSY=NSYCP) 的反向信号分别输出给下级南北、东西方向倒计时器的置数端，东西、南北反向的红灯信号和时标秒脉冲的与信号分别输出给下级南北、东西方向倒计时器，作为触发信号。3.4倒计时显示电路 电路具体设计如图3-5所示，左边两块74LS192和集成数码管记录和显示南北方向红灯亮的时间，右边两块74LS192和集成数码管记录和显示东西方向红灯亮的时间。将低位74LS192的借位输出端(BO)和进位输出端(CO)分别接至高位的减计数时钟输入端(DOWN)和加计数时钟输入端(UP)，组成两位十进制计数器。本计数器用来倒计时，将减计数时钟输入端(DOWN)，接上级相应控制电路红灯信号和时标秒脉冲的与信号，低位的加计数时钟输入端(UP)接5V的高电平，置数端接上级相应控制电路黄灯信号与时标秒脉冲相与的反向信号，置数输入端都置成30，异步清零(CLR)接地（低电平）。图3-5第四章 电路总图第五章 元件清单第六章 心得体会 刚开始看到电子设计的15个题目，我顿时感觉跃跃欲试，因为做了老久的实验。对各个集成块的各个管脚都大致有了了解；每次做实验我差不多都能一次完成及很好的完成接线任务；同学们说我做的不错。所以更想做此次的电设。当我看到交通灯控制器这个题目时，我情不自禁的就选择了它。因为我对交通灯怎么通行的很是好奇。并且想通过自己掌握的知识设计出一个能完成基本任务的交通灯。然后我开始慢慢的查找资料。进行设计环节。借阅了有关Multisim仿真软件的书籍。基本了解了怎么添加元件，修改元件，以及怎么仿真。设计过程没有想象的那么简单。在倒计时电路时遇到了些麻烦，所以花了比较多的时间在上面。程老师要求说我们可以做出实物也可以交仿真文件。我感觉能做出仿真电路已经并非易事，要在去做出实物。那就更难了，总的来说此次设计，辛苦也有，失望也有，最重要的是我学习到了很多。可能更加加深了我对本专业的热爱，以及立志要成为一名优秀的硬件工程师的决心!参考文献1 数字电子技术基础/阎石主编；清华大学电子学教研组编.-5版.-北京：高等教育出版社，2006.5（2010重印）2电子电路的Multisim仿真实践/刘贵栋主编.-哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.93数字电路与可编程技术实验教程/吴俊鹏，孟昭林，附小晶主编哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.34电子技术