毕业论文-交通信号灯的设计与制作.doc

武汉软件工程职业学院2010级毕业论文（设计）课题名称 交通信号灯的设计与制作学生姓名 学 号 班 级 光电1004班 指导老师 完成时间： 2012 年 11 月 28 日光电子与通信工程系24目录摘要3第一章 设计概论31.1 设计目的31.2 设计任务与要求31.3 设计思路4第二章 设计原理与分析42.1 设计原理与分析4第三章 设计器材简介123.1 双4选1数据选择器74LS153123.2 74ls74双d触发器133.3 NE555定时器15第四章 设计内容164.1 仪器设备164.2 设计步骤164.3 电路图17第五章 设计心得与个人体会185.1 心得体会185.2 感谢19参考文献21摘要当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成。这次的设计主要是一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲乙两车道的车交错运行，每次通过时间都为25秒。本次设计就是想通过这样的一个实例，来结合数字电路课程的学习共同实现这样的一个应用工具，达到理论和实践相结合的目的。关键词交通灯、数字系统、触发器、选择器第一章 设计概论1.1 设计目的 交通灯控制器是可以自动控制交通灯，并以倒计时的方式显示出时间，方便行人和车辆在通行时有条不紊的通行，达到交通井然有序，出行人员安全快捷的到达目的地的效果。本次实验的就是想通过这样的一个实例，来结合数字电路课程的学习共同实现这样的一个应用工具，达到理论和实践相结合的目的。1.2 设计任务与要求1设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；2要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；3黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次 。1.3 设计思路1. 任务分析此次设计交通信号灯主要实现甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒，并且要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道，黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次 。2. 实现方案实现这个交通灯控制器可以采用PLD、FPGA、单片机等可编程器件或基本数字逻辑器件实现。在这次实验中采用74系列数字集成芯片和555时基芯片实现相应功能。第2章 设计原理与分析2.1 设计原理与分析 此电路为十字路口交通灯控制电路，要求东西向和南北向不能同时出现绿（黄）灯，发生“撞车”现象。即当某一方向为绿灯或黄灯时，另一方向必为红灯。 设计时序如下：R25sY5sG20s东西向G20sY5sR25s南北向图2-1 时间理论图1分析系统的逻辑功能，画出其框图交通灯控制系统的原理框图如图2-2所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器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，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中： TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。图2-2 交通灯控制系统的原理框图2画出交通灯控制器的ASM（Algorithmic State Machine，算法状态机） （1）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。 （2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 （3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 （4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。 交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表12、1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。表1 控制器工作状态及功能为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定： AG=1：甲车道绿灯亮；BG=1：乙车道绿灯亮；AY=1：甲车道黄灯亮；BY=1：乙车道黄灯亮；AR=1：甲车道红灯亮； BR=1：乙车道红灯亮；由此得到交通灯的ASM图，如图2-3所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。图2-3 交通灯的ASM图3单元电路的设计（1）定时器 定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。 计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。74LS163的外引线排列图和时序波形图如图2-4所示，其功能表如表2所示。图中，D0D3是并行数据输入端，Q0Q 3是数据输出端。由两片74LS163级联组成的定时器电路如图2-5所示。电路的工作原理请自行分析。图2-4 74LS163的外引线排列图和时序波形图表2 74LS163功能表|图2-5 定时器电路图（2）控制器 控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表3所示。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1 00状态时，如果TL 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项X表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。表3 控制器状态转换表根据表3可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1、Q0n+1和 ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中1用原变量表示，0用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（ ）加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号，即可实现控制器的功能。控制器的逻辑图如图2-6所示。图中R、C构成上电复位电路 。图2-6 控制器逻辑图 （3）译码器 译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表 4所示。实现上述关系的译码电路请读者自行设计。第3章 设计器材简介3.1 双4选1数据选择器74LS153 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。引脚图排列如图1，功能如表5。1G、2G为两个独立的使能端；B、A为公用的地址输入端；1C01C3和2C02C3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。如：B A00 则选择CO数据到输出端，即YC0。B A01 则选择C1数据到输出端，即YC1，其余类推。数据选择器的用途很多，例如多通道传输，数码比较，并行码变串行码，以及实现逻辑函数等。表5 74LS153功能表图3-1 74LS153引脚功能图3.2 74ls74双d触发器74LS74内含两个独立的D上升沿双d触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（）复位输入（）、时钟输入（CP）和数据输出（Q、）。、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。表6 74ls74功能表 图3-2 74LS74引脚功能图图3-3 正沿触发双D触发器3.3 NE555定时器NE555 (Timer IC)大约在1971年由Signetics Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC，在往后的30年来非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，尽管近年来CMOS技术版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。NE555的特点有： 1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。5.静态电流最大值VCC = 5 V, RL = =6mA VCC =15 V, b. NE555引脚图功能配置说明如下：图3-4 NE555定时器 参数功能特性：1.供应电压4.5-18V2.供应电流3-6 mA 3.输出电流225mA (max) 4.升/下降的时间100 nsNE555的相关应用: NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（Monostable Mutlivibrator）及无稳态多谐振荡器(Astable Multivibrator)。第4章 设计内容4.1 仪器设备1.电路板 导线2.集成电路74LS74（触发器） 1片，74LS10（三3输入与非门） 1片，74LS00（四2输入与非门） 2片，74LS153（双4选1数据选择器） 2片，74LS163 （4位二进制同步计数器）2片，NE555（定时器） 1片3.电阻 68 K，51K，15 K各1只，200 6只4.电容 10Uf 1，0.1Uf 各1只5.其它 发光二极管 6只4.2 设计步骤1. 设计、组装译码器电路，其输出接甲、乙车道上的6只信号灯（实验时用发光二极管代替），验证电路的逻辑功能。2设计、组装、调试控制器电路。3完成交通灯控制电路的联调，并测试其功能。4.3 电路图图4-1 整体电路图图4-2 仿真电路图图4-3 实物电路图图4-4 测试图第5章 设计心得与个人体会5.1 心得体会在本次课程设计中，我主要认识到如下几个问题：1. 理论知识与实际操作存在差异，如利用555构成多谐振荡器时，将器件参数套用公式进行理论计算得到周期T=1s，但在实际操作时发现此处存在较大误差，周期明显小于1s；又如理论规定逻辑高电平和逻辑低电平分别为3V和0.35V，但实际操作中发现一般大于2.5V的电平均可看作高电平，不会出现逻辑错误，而低电平上限也可达到0.5V左右。2. 数字电路与逻辑设计的课程学习过程中，过多的偏重于电路逻辑功能的设计，考虑其实际实现则较少，比如芯片的稳定性、带载能力，工作环境等问题在设计中都没有考虑，很多设计在实验室环境下虽然可以正常工作，但不适宜投入生产。3. 排除故障的能力和设计电路的能力同样重要。在此次课程设计中，很多同学在设计和连接电路上花费的时间并不多，但却把大量的时间耗费在检查故障上，经常还会因为查不出故障或无法解决故障重新连接电路。我觉得在日常生活和实际生产中，需要解除故障的地方远比设计电路要多，从一次实验中发现故障，逐步摸索排除故障的方法和技巧是极为重要的。我在排除电路的故障中逐步掌握了电平高低的检测技巧和根据信号流向检查故障的方法，并对万用表的使用技巧有了更深入的实践和学习。5.2 感谢1. 时光的流逝也许是客观的，然而流逝的快慢却纯是一种主观的感受。当自己长长地吁出一口气时，我忽然间才意识到，原来大学生活已经过去，到了该告别的时候了。一念至此，竟有些恍惚，所谓白驹过隙、百代过客云云，想来便是这般惆怅了。可是怅然之后，总要说些什么。大学三年，生活其实很简单，只是一些读书、写字和考试的周而复始。如果把这种单调的生活看作一场场循环的演出，提供那么我只是一个安静的演员。这篇毕业设计也称不上什么精彩的台词，只不过是这种循环演出即将告一段落时的谢幕词。但是无论多么蹩脚的演员，无论台下有多少观众，即使是只说给自己听，在他谢幕时也总要感激一些人，是这些人帮助他走上舞台，成功或者不那么成功地“演出” 。我在这里首先要感谢的是我的毕业设计指导老师郑丹老师。这篇毕业论文从开题、资料查找、修改到最后定稿，如果没有她的心血，尚不知以何等糟糕的面目出现。我很自豪有这样一位老师，她值得我感激和尊敬。感谢和我共度三年美好大学生活的2010级光电1004班的全体同学。感谢光电子与通信工程系的所有授课老师，你们使我终身受益。感谢所有关心、鼓励、支持我的家人、亲戚和朋友。2. 通过这一阶段的努力，我的毕业设计终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本论文的写作过程中， 我的导师郑丹老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名武软学子，在今后的工作中把武软的优良传统发扬光大。3. 光阴似箭，日月如棱。我感谢所有的恩师：是您们赋予了我最有意义的收获；是您们带领了我走进知识殿堂，使我不但丰富了知识，更锻炼了自己学习的能力；是您们给了我一个全新的角度去发现美、创造美、欣赏美，给了我美的眼睛去发现世界的美，感悟生活的美；是您们教会了我珍惜友谊和时间；是您们给了我看世界的眼睛，是您们用博大的胸怀，给予了我最无私的关怀和奉献。在这次的毕业论文中，我发挥了在学校学到的文化知识和技能的应用，也算是我最后一次做学校的作业了，我要感谢我的指导老师，还有我的辅导员老师，以及任课老师，感谢他们的教诲，让我知道在社会上怎样去做好自己，端正自己的位置，为社会贡献出我自己的力量。4. 在校的这五年时间里很感谢老师们对我的淳淳教诲，是你们教会了我勤奋学习，诚实做人，踏实做事，以宽容之心面对生活，指引着我沿着正确的方向前进，在点滴汇聚中使我逐渐形成正确、成熟的人生观、价值观。感谢我的家人，我永远的支持者，正是在你们殷切目光的注视下，我才一步步的完成了求学生涯。没有你们，就不会有今天的我！我一直很感谢你们，让我拥有一个如此温馨的家庭，让我所有的一切都可以在你们这里得到理解与支持，得到谅解和分担，你们的支持和鼓励是我前进的动力。5. 值此论文顺利完成之际，我首先要向我尊敬的导师郑丹老师表达深深的敬意和无以言表的感谢。同时感谢高火月辅导员在我大学期间给予的帮助。感谢和我一起工作的张厚培同学。张厚培以灵活考虑问题的方式，严谨解决问题的态度，扎实的专业知识功底，认真做事的品德给我留下了深刻的象。感谢和我一个寝室的张朋志、杨善武，没有他们无私的帮助，我是无法完成论文工作的，和他们一起度过的这段美好时光是难以忘记的，和他们在一起度过了很多快乐、开心的日子。在他们的帮助下，我顺利的解决了生活中遇到的各种困难，我会永远记住他们。6. 最后感谢在百忙之中评审我毕业设计的各位老师！特别感谢所有支持过我、 帮助过我、批评过我、鼓励过我和理解过我的人们！感谢岁月与困难对我的磨砺， “长风破浪会有时，直挂云帆济沧海” ，这是我最喜欢的诗句，以此作为结尾，与所有要感谢的人共勉，相信自己，追逐最初的梦想，永不放弃！参考文献1. 王毓银.数字电路与逻辑设计（脉冲与数字电路）(第三版) 北京：高等教育出版社， 1999年. 2.张亚婷 王利 杨乐 周丽娟 郭华.数字电路实验指导书 西安邮电学院电子与信息工程系， 2004年.3.赵负图.数字逻辑集成电路手册 化学工业出版社， 2005年.4.雷建龙.实用电子技术（数字部分） 北京理工大学出版社， 2009年.附件1 光电子与通信工程系毕业设计开题报告姓名祝亚博系光电子与通信工程系专业光机电应用技术班级光电1004班设计题目交通信号灯的设计与制作指导教师郑丹设计目的交通灯控制器是可以自动控制交通灯，并以倒计时的方式显示出时间，方便行人和车辆在通行时有条不紊的通行，达到交通井然有序，出行人员安全快捷的到达目的地的效果。本次实验的就是想通过这样的一个实例，来结合数字电路课程的学习共同实现这样的一个应用工具，达到理论和实践相结合的目的。设计摘要当今，红绿灯安装在各个道口上，