交通信号灯数电课程设计.doc

目 录1 设计任务及要求12 系统概述12.1系统概述12.2交通灯逻辑分析12.3 总体设计方案23 单元电路的设计与分析43.1 秒脉冲发生器的设计43.2 控制器的设计43.3 显示电路的设计83.4 定时电路的设计104 系统的调试与仿真124.1 调试软件124.2 仿真电路125 结束语145.1 系统综述145.2总结及心得体会145.3 元器件清单表15参考文献17摘 要 交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。交通灯控制器主要由控制器、秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路及信号灯组成。控制器由74LS153来实现，秒脉冲发生器用555定时器产生，定时器采用两个74LS161来实现，显示电路经过74LS192的倒计数、带译码功能的七段数码管显示器连接起来实现。控制器通过ST对定时器进行控制，从而实现数字的显示及绿、黄、红灯的转换。关键词：交通灯 控制器 秒脉冲发生器 定时器 译码器 555定时器 1 设计任务及要求 设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：(1)南北车道和东西车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为30秒。(2)每次绿灯变红灯时，黄灯先亮6秒钟，才能变换运行车道。(3)黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。(4)十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数。2 系统概述2.1系统概述 系统由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器、信号灯显示器五大部分组成。其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号，通过定时器向控制器发出三种定时信号，使相应的发光二极管发光。译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，分别产生三种倒计时时间显示，控制器根据定时器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。2.2交通灯逻辑分析 图1-1表示位于南北干道和东西干道的十字路口交通灯系统，每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3个灯组成，绿灯表示允许车辆通行，红灯表示禁止通行，黄灯为过渡灯，表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。 图1 交通灯控制系统原理图2.3 总体设计方案 图1为交通灯的一个整体设计框图。系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器、信号灯显示器组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作，秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。 图中TL、TY为定时器的输出信号，ST为控制器的输出信号。用MG、MY、MR分别表示南北道绿、黄、红三色灯，NG、NY、NR分别表示东西道绿、黄、红三色灯。当某车道绿灯亮时，允许车辆通行，同时定时器开始计时，当达到指定时间30s时，TL输出为，否则TL输出为；当某车道黄灯亮后，定时器开始计时，当计时到6秒时，TY输出为，否则TY。 因此，用定时器分别产生二个时间间隔后，向控制器发出“时间已到”的信号，控制器根据定时器的信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制器发出状态转换信号ST，定时器开始清零，准备重新计时。交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用S0、S1、S2、S3表示。S0状态：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，此时南北方向允许车辆通行，东西方向禁止车辆通行。当南北方向绿灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S1状态：南北向黄灯亮，东西向红灯亮，此时南北向允许超过停车线的车辆继续通行，而未超过停车线的车辆禁止通行，东西向禁止车辆通行。当南北向黄灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S2状态：南北向红灯亮，东西向绿灯亮。此时南北向禁止车辆通行，东西向允许车辆通行，当东西向绿灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S3状态：南北向红灯亮，东西向黄灯亮。此时南北向禁止车辆通行，东西向允许超过停车线的车辆通行，而未超过停车线的车辆禁止通行。当南北向红灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态-S0状态。S0、S1、S2、S3状态分别分配状态编码为00、01、11、10，由此得到控制器的状态，如表1所示。 表1 状态转换表状态南北道东西道时间（s）S0(00)绿灯亮，允许通行红灯亮，禁止通行30S1(01)黄灯亮，停车红灯亮，禁止通行6S2(11)红灯亮，禁止通行绿灯亮，允许通行30S3(10)红灯亮，禁止通行黄灯亮，停车6控制器应送出南北和东西方向车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：MG=1：南北车道绿灯亮；NG=1：东西车道绿灯亮；MY=1：南北车道黄灯亮；NY=1：东西车道黄灯亮；MR=1：南北车道红灯亮；NR=1：东西车道红灯亮。3 单元电路的设计与分析3.1 秒脉冲发生器的设计 本实验采用555定时器组成秒脉冲信号发生器。因为该电路的输出脉冲的周期T0.7(R1+2R2)C,若T=1s，令C=10f，R1=51K,那么R247K。取一固定电阻47K与一个5K的电位器想串联代替电阻R2。在调试电路时，调节电位器RP ,使输出脉冲周期为1s。如图2所示： 图2 秒脉冲信号发生器3.2 控制器的设计列出状态转换表，如表2所示。选用两个触发器作为时序寄存器产生四种状态，控制器的转换条件为TL、TY，当控制器处于Q1nQ0n = 00 状态时，如果TL=0，则控制器保持在00状态；如果TL=1，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。这两种情况与条件TY无关，所以无关项用“”表示。其余情况依次类推，同时列出状态转换信号ST。表2控制器的状态转换表输入输出现态状态转换条件次态状态转换信号Q1n Q0n TL TY Q1n+1 Q0n+1ST0 00 00 10 11 11 11 01 00 1 0 1 0 1 0 1 0 00 10 11 11 11 01 00 001010101 根据表2，写出状态方程和状态转换信号方程为： 根据以上方程，用四选一数据选择器和D触发器实现，设A1A0 = Q1nQ0n ，其他变量通过数据输入端输入。 数据选择器用74LS153，触发器用74LS74。将触发器器的逻辑输出看作逻辑变量，将TL、Ty看作输入信号，按照由数据选择实现函数的方法实现以上三个逻辑函数，并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端，数据选择器的输入端信号可以根据状态方程和转换信号方程得出。就可得到控制器的原理图，触发器的时钟输入端输入秒脉冲。系统的输出是在Q1Q0驱动下的六个交通信号灯，各状态与信号灯的关系由表1给出，因此，得到二极管信号与控制器状态变量的关系如表3所示，而信号灯的状态编码如表4所示。 表3 信号灯状态变量表 南北道 东西道 表4 信号灯状态编码表 状 态 MG MY MR NG NY NRS0 100001S1010001S2001100S3001010 74LS153是双四选一的数据选择器，所谓双4选1数据选择器就是在一块集成芯片上有两个4选1数据选择器。其引脚排列及逻辑符号如图3所示： 图 3 74LS153引脚排布图 1G、2G为两个独立的使能端；B、A为公用的地址输入端；1C01C3和2C0 2C3分别为两个4选1数据选择器的数据输入端；Y1、Y2为两个输出端。 当使能端1G（2G）1时，多路开关被禁止，无输出，Y0。 当使能端1G（2G）0时，多路开关正常工作，根据地址码B、A的状态，将相应的数据C0C3送到输出端Y。 BA00 则选择CO数据到输出端，即YC0。 BA01 则选择C1数据到输出端，即YC1。74LS153 功能表如表5所示： 表5 74LS153功能表选 择 输 入 数 据 输 出选通输入输出BAC0C1C2C3GYLLLLLHLLLHLHLHLLLLHHLHHLLLLHLHLHHHLLLHHHLH图4为控制电路的设计电路图。图4 控制电路图3.3 显示电路的设计 交通灯的数字显示采用倒计时，因而应采用减计数器。因此，采用74LS192进行减计数，然后将输出接到七段显示译码器上。74LS192是十进制计数器。每个干道需要两位数字显示，由于用减计数器，因而每个干道需要5片74LS192，由表2-1可看出主干道74LS192 应该向七段显示译码器提供M30（S0状态）、M6（S1状态）、M36（S2、S3状态）的倒计数，而支干道74LS192应该向七段显示译码器提供M36（S0. S1状态）、M30（S2状态）、M6（S3状态）的倒计数。74LS192的RD端由Q1、Q0来控制，根据S0S3状态改变Q1、Q0从而控制RD端，当RD端等于0时，进行正常的减法计数，当状态发生改变时，RD端被置1，74LS192被异步清零计数器不工作。将输出端QA和QD通过与非门连接到计数器74LS192的LD端,当计数器减到1001时通过LD端直接进行异步置数。CPD端输入秒脉冲信号，而CPU端输入高电平。仿真电路如图6，图7所示。 74LS192为加减可逆十进制计数器，CPU端是加计数器时钟信号，CPD是减计数时钟信号RD=1时无论时钟脉冲状态如何，直接完成清零功能。RD=0，LD=0时，无论时钟脉冲状态如何，输入信号将立即被送入计数器的输出端，完成预置数功能。其功能表如下表6所示：表 6 74LS192功能表CPU CPD RD LD 工作状态X X 0 0 置数 1 1 0 加计数1 0 0 减计数X X X 1 清零 74LS192的引脚排列图5所示： 图5 74LS192引脚排布图 图6 南北方向时间显示电路 图7东西方向时间显示电路3.4 定时电路的设计 定时器由与系统秒脉冲同步的计数器74161构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST作用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供M30、M6的信号，即TY，TL的时间信号。 74LS161是四位二进制同步加法计数器，计数范围是015，具有异步清零、同步置数、保持和二进制加法计数等逻辑功能。图8所示为74LS161的管脚图和逻辑功能示意图。图中CR是异步清零控制端， PE是同步置数控制端，CEP和CET是计数控制端，CP是上升沿有效的时钟脉冲输入端，P0P3是并行数据输入端，Q0Q3是计数输出端，TC是进位输出端。其功能表如表7，引脚排布如图8所示。74LS161是同步四为二进制加法计数器，可以级联，只需要2片即可向控制器提供M6、M30的信号，倒计数可在数字显示电路中实现。用74161节省材料，节约成本，而且由于经常应用，使用起来较方便。当系统处于S0状态为满足南北方向绿灯亮够30秒，要将M30的输出端反馈到使能端EP、ET，使它记到30秒时停止计数，然后转换到S1状态。而且要求计数器在状态转换信号ST的作用下，首先清零，然后开始计数。图9为定时电路的设计原理图。 表7 74LS161功能表输 入 输 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 状态码加1 图8 74LS161引脚排布图图9定时电路的设计图 4系统的调试与仿真4.1 调试软件 multisim12.0仿真平台。4.2 仿真电路 仿真电路如图10所示，通过仿真，可知当南北方向绿灯亮时，南北向显示器从30秒开始倒计时，而东西方向的绿灯亮，显示电路从36秒开始倒计时。当南北方向的倒计时达到0秒时，绿灯转换为黄灯，显示电路从6秒开始倒计时，当计时减到0秒时，红灯又开始亮，持续时间为36秒。通过仿真，系统基本符合设计的要求。图10 系统仿真电路图5 结束语 5.1 系统综述通过分析交通灯控制系统的要求可知，整个系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器构成。其中，秒脉冲信号发生器由555定时器电路组成；定时器由两片异步四位16进制计数器74LS161芯片、两片D触发器及若干与非门、非门、与门共同组成；控制器由三片数据选择器74LS153及两片D触发器芯片构成；译码显示器由十片74LS192、四片带有译码功能的七段数码管构成。主控制器和定时计数器必须使用同一脉冲信号，显示电路输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作。控制电路是系统的主要部分，由它控制定时计数电路和译码驱动电路的工作能够实现交通灯四种状态的自动转换。5.2总结及心得体会 这次课程设计历时一个星期。通过这一个星期的课程设计，我发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还有待提高。在课程设计过程中，光有理论知识是不够的，还必须懂一些实践中的知识。这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。在这次课程设计中，我们组分配了各自的任务，我主要负责定时器及数字显示器的设计，通过查阅资料我了解了一些如何利用74LS192及74LS161两块芯片分别实现显示电路的计数，以及如何向控制电路提供30S和6S的定时功能方面的知识。对于这两片芯片的使用看起来比较容易，但是如何分别实现对30秒36秒和6秒三种计数功能之间进行转换，在实际操作过程中却不是那么的容易。为此，我上网查阅了很多有关计数转换方面的资料，并且，我们小组之间也进行了讨论。通过多次的反复探讨研究，最终我们确定了一套可行的方案。我们在两个显示电路中分别用了五片74LS192实现计数功能，通过LD端口分别置36秒，30秒和6秒。同时为实现计数之间的转换我们将控制电路的Q1,Q0端口通过简单的与非门逻辑电路连接到192的清零SR端口，当状态发生改变时，上一时刻的计数器就会被清零，不在进行计数。当前状态就会开始工作。通过不断的调试及修改电路最终成功的完成了对不同状态之间的计数功能。对于定时电路我们采用了两片LS161级联通过简单地与非门逻辑电路分别实现了30秒和6秒的定时功能。 通过这次的课程设计，使得我学到