电子技术课程设计报告-交通灯信号设计.doc

电子技术课 程 设 计题目 交通灯信号设计 姓 名 学 号 院（系） 信息与机电工程学院 班 级 电气及其自动化2班 数字电路课程设计报告设计课题题目：交通灯 专业 电气及其自动化 班级 15级2班 成员学号 小组成员： 指导教师： 设计时间： 2017.6.192017.6.26 一、设计目的随着生活水平的提高，家庭汽车拥有量越来越多，城市交通堵塞问题越来越严重，解决城市的交通拥挤问题越来越紧迫。交通灯在这个交通环境中起着一个重要的角色，是交通管理部门管理交通的重要工具。十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。智能的交通灯能有效地缓解城市的交通压力，减少交通事故；为人民节省大量出行时间，创造出更多的社会价值。 本文运用数字电路理论知识自行设计一个较为完整的小型数字系统。通过系统设计、Multisim软件仿真、电路安排与调试，在此次设计中学会初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，以及提高实际应用水平。二、设计要求1.掌握交通灯控制电路的设计、组装与调试方法。 2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法，能够运用所学知识设计一定规模的电路。 设计任务：1.用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。 2.当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。 3.主支干道交替允许通行，主干道每次放行30s、支干道20s。设计 30s 和 20s 计时显示电路。 4.在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s 的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外，设置5s 计时显示电路。 三方案设计与论证根据设计要求，允许通行时亮绿灯，主支干道交替允许通行，主干道每次放行30s、支干道20s。在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s 的黄灯作为过渡。即：主干道绿灯亮30秒后，黄灯亮5秒，在这35秒内，支干道的红灯一直亮着，之后支干道绿灯亮20秒后，黄灯亮5秒，在这25秒内，主干道的红灯一直亮着，并依次循环(如图3.1) 图3.1交通灯控制电路设计主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是此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3.2 TL: 表示主干道或支干道绿灯亮的时间间隔，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。四、设计原理和电路图4.1基本元器件的选择（1）信号源 1个（时钟脉冲源） 每隔1秒进行倒计时，T=1/f 选择频率为1Hz的脉冲源。 如图 图4.1（2） 芯片：（74LS190）2片， （74LS163）1片， （74LS138）1片， 如图图4.2 74LS190芯片引脚图图4.3 74LS163芯片引脚图图4.4 74LS138 芯片引脚图（3） 逻辑门：74LS02D 或非门2个，74LS08D与门 7个， 74LS32D 或门2个，74LS04D非门5个， 74LS20D 四输入与非门1个；（4） 倒计时显示器：四引脚共阴极数码管2个 如图图4.5 四引脚共阴极数码（5） 交通灯TRAFFIC_LIGHT_SINGLE 2个 如图图4.6 交通灯TRAFFIC_LIGHT_SINGLE4.2电路组成1.控制器由74LS163芯片以及其他的逻辑门构成。74LS163芯片与74LS190芯片连接采集脉冲信号，进行加计数，并输出逻辑电平信号，控制3-8译码器，从而控制红绿灯的亮灭。74lLS163工作原理：74lLS163是单时钟同步十六进制计数器，有置零和置数功能，时钟作用在上升沿。因为是同步计数器，当译出置数信号时必须等到时钟信号上升沿到来时才能置数，但上升沿到来时计数器又向高一位计数了。假设用74LS163芯片构成一个八进制计数器 ，在01117时译出置数信号与进位信号C，将置数信号输出端接至置数端，当上升沿到来时计数器本身被置8，但只有极短的存在时间，计数器马上被置数，进位信号变为0，只要将置数输入端D1到D4全部接地，就能将计数器置为0000。图4.7 74LS163芯片真值表图4.8 74LS163芯片功能表2.定时器由2片74LS190芯片级联及一个四输入与非门构成。74LS190工作原理： 可逆计数器74LS190，可以实现加法或减法的计数，通过设定加/减控制信号U/D=1可进行减法计数，由于芯片本身就带有异步的置数端LOAD且为低电平有效，当置入控制端为低电平时，不管时钟CP 的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（D0D3）相一致的状态。 74LS190 的计数是同步的，靠CP 加在4 个触发器上而实现。当计数控制端（CT ）为低电平时，在CP 上升沿作用下Q0Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制（U /D）为低电平时进行加计数，当计数方式控制（U /D）为高电平时进行减计数。只有在CP 为高电平时CT 和U /D 才可以跳变。 由于25秒的倒计时需要用两片的74LS190芯片才能实现，利用 RC 端，可级联成三十进制同步计数器。当采用并行CP控制时，则将RC 接到后一级CT ；当采用并行CT 控制时，则将RC 接到后一级CP。个位芯片的串行时钟输出端CO是低电平有效的，当状态为0时，输出为CO=0，下一个状态变为9时，输出为CO=1，所以有一个上升沿的产生，这正可以作为十位芯片的时钟信号，从而采用串行借位方式来实现倒计时。图4.9 74LS190功能表3.译码器74LS138译码器的主要任务是将控制器的输出的4种工作状态，翻译成2个干道上的6个信号灯的工作状态。3-8译码器工作原理：译码器可以将输入代码的状态，翻译成相应的输出信号，以高低电平的形式在各自的输出端口送出。译码器有多个输入端和多个输出端，假如输入端的个数为n，输出端的个数最多有2n。从图5可以看出，3-8译码器有三个输入端A0、A1、A2和八个输出端Y0Y7，当输入端的编码为000时，译码器输出为Y0=0，Y1Y7=1。即Y0对应于A0、A1、A2的000状态低电平有效。图中S1、S2、S3为使能控制端，起到控制译码器是否能进行编码的作用，只有S1为高电平，S1、S3为低电平时，才能进行译码，否则不论输入何值，每个输出均为1。图4.10 74LS138芯片功能表4显示器由两个共阴极四引脚的数码管组成。 图4.11五、软件仿真与调试5.1仿真电路设计5.2干道通行状态表下面用主、支干道车辆通行情况进行描述：（1）主干道绿灯亮，支干道红灯亮。表示主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔30时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。 （2）主干道黄灯亮，支干道红灯亮。表示主干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，支干道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔5时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。 （3）主干道红灯亮，支干道绿灯亮。表示主干道禁止通行，支干道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔20时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。 （4）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。表示主干道禁止通行，支干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5时，控制器发出状态转换信号。（5）系统又转换到第（1）种工作状态，依次循环。 输入输出CP脉冲74LS1633-8译码器信号灯状态车辆通行状态000Y0=0主绿、支红主干道通行，支干道禁止通行001Y1=0主黄、支红主干道缓行，支干道禁止通行010Y2=0主红、支绿主干道禁止通行，支干道通行011Y3=0主红，支黄主干道禁止通行，支干道缓行5.3运行结果分析如图所示：74LS163芯片通过四输入与非门与74LS190芯片连接采集脉冲信号，进行加计数，并输出逻辑电平信号，由3-8译码器Y0、Y1、Y2、Y3端输出，经过非门,并和CP脉冲一起连接到其他逻辑门从而控制绿、黄、红灯。因为74LS163芯片置数端LD与3-8译码器的Y3输出端相连，所以74LS163计数输出000、001、010、011四个状态后便重新置零，循环输出，以控制红绿灯的循环亮灭。结果分析：a.74LS163芯片输出逻辑电平信号000， 3-8译码器输出端Y0=0，其他输出端为“1”。Y0输出信号经过非门后变为“1”，之后和上升沿脉冲“1”连接到一个与门，输出信号为“1”，交通灯U13红灯亮；与此同时， Y1输出信号“1，交通灯U12绿灯亮。B.30秒之后，74LS163芯片输出逻辑电平信号001，3-8译码器输出端Y1=0，其他输出端为“1”。Y0输出信号经过非门变为“1”，再通过与门与1HZ脉冲信号相连接输出至U12，此时交通灯U12黄灯亮，U13依旧红灯亮。c.黄灯亮后5秒，74LS163芯片输出逻辑电平信号010，3-8译码器输出端Y1=0，其他输出端为“1”。Y1输出信号经过非门变为“1”交通灯U13绿灯亮。之后，红绿黄灯循环亮灭。六、设计总结通过本次课程设计，加强了我动手，思考，解决问题的能力。完成一次课程设计，也是加深一次对课本知识的理解和巩固。平时课间学习时间不能很好的理解各个元件的各个功能，只是纸上谈兵，但在这次课程设计中，我重新了解了很多元件，并且对其的使用有了更多的认识，让我对电子技术认知能力有了一个新的提升。七、参考文献1 张建华.数字电子技术M. 北京: 机械工业出版社, 2000.2 郭锁利.基于Multisim9的电子系统设计仿真与综合应用M.北京：人民邮电出版社,2008.3 姚福安.电子电路设计与实践M.济南：山东科技大学出版社，2001.4 电子电路图网. .5 中国电子网. .6 刘南平，李擎.数字电子技