十字路口的交通灯控制电路设计的数电论文.doc

. . . .河南理工大学数电课程设计题 目：十字路口交通灯系统设计学 院：计算机科学与技术专业班级：通信工程学 号：姓 名：合 作 人：时 间：2011年9月1日目录一、设计任务书 3二、一般的交通灯系统 .4三、交通灯设计原理. . .7四、各子电路单元的计. 15五、总电路图. .19六、电路调试.21七、操作说明.22八、心得体会.23九、元器件清单.24十、参考文献.24一 设计任务书在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。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）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行。（2）每次通过时间为8秒。（3）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮然后才能变换运行车道。（4）黄灯亮时，要求持续亮2秒。（5）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； 二 一般的交通灯控制系统 工作过程如下：（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下表所示。控制器状态信号灯状态车道运行状态S0（00）S1（01）S2（11）S3（10）甲绿，乙红甲黄，乙红甲红，乙绿甲红，乙黄甲车道通行，乙车道禁止通行甲车道缓行，乙车道禁止通行甲车道禁止通行，乙车道通行甲车禁止道通行，乙车道缓行表1 控制器工作状态及其功能 控制器应送出甲、乙车道红、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： 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；A R=1：甲车道红灯亮； BY=1：乙车道红灯亮；由此得到交通灯的ASM图，如 图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，跳转到S1，这时当S1持续时间小于5秒时TY=0，控制器保持S1不变，只有当持续时间等于5秒时，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），也就是说每跳转一次持续总时长为30秒，然后转换到下一个S2状态，满足条件又跳到S3的总时长30秒工作状态。依此类推可以弄懂ASM图所示表达的含义。AR BYSTAG BR01TYTL010011TLAR BGSTTYAY BR图3画出交通灯控制器的ASM三 交通灯设计原理通过同步二进制计数器74lS161D和组合逻辑电路来控制十字路口各个红黄绿灯的亮与灭，在交通灯亮灭的同时，再通过加减法计数器74LS191D和组合电路来控制主次道红黄绿灯的计数显示，比如计数器通过组合逻辑电路使红灯亮，同时通过组合电路使主道开始计数。逻辑电路图如下图所示： 同步四位二进制计数器74LS1611.74LS161的逻辑功能 74LS161的外引线图 74LS161的逻辑符号 功能表： 时序图：在multisim中74LS161功能的实现可预置的4位二进制同步加/减计数器74LS191时序表：在multisim中74LS191功能的实现 74LS161 74LS191在实现十字路口交通灯中的真值表 D1B1C1A1 D2B2C2A2 D3B3C3A30 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 2 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 3 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 4 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 5 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 6 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 7 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 8 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 9 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 10 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 11 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 12 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 13 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 14 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 15 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 74LS161 74LS191在实现十字路口交通灯中的卡诺图南北方向：D1C1B1A100011110001100011100111100101100D1C1B1A100011110000010010010110011100011 D2=D1非 C2=D1C1+D1B1D1C1B1A100011110000011010011110011100011D1C1B1A100011110000000010000020000030000 B1=D1 A2=0南北灯：F红= D1非 F黄=（D1非+C1+B1）非 F绿= D1C1+D1B1东西方向：D1C1B1A10001111000001101011110011100011D1C1B1A100011110000100010100111100101100D3=D1 C3=D1非(C1+B1)D1C1B1A100011110001100011100111100101100D1C1B1A100011110000000010000110000100000B3=D1非 A3=0东西灯：F红= D1 F黄=（D1+C1+B1）非 F绿= D1非(C1+B1)四 各子电路单元设计1.函数信号发生器在仿真电路中的实现 2.函数信号发生器在仿真电路中的参数设置数字变换过快过慢都不符合实际经过检测发现频率设置为50Hz左右时，数字显示器变化频率正合适3.74LS161计数器在仿真电路中的实现4.74LS191计数器在仿真电路中的实现5.红黄绿指示灯在仿真电路中的实现 6.数字显示器在仿真电路中的实现 7.电路模块功能的实现十字路口南北方向电路的实现东西南北方向电路的实现以子电路替换使线路简单化五 总电路图六 电路试调电路连接完后，要进行调试，以检测是否达到要求。实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。调试前的检查电子安装完毕，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。其检查内容包括：（1） 连线是否正确 检查的方法通常有两种方法：a.按照电路图检查安装的线路这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。按照实际线路来对照原理图电路进行查线这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。 元器件的安装情况 检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。调试方法与原则通电观察把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。一步对电路参数提出合理的修正。调试中注意的事项为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点： （1） 正确使用测量仪器的接地端（2） 测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。（3） 仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。要正确选择测量点。（4） 用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。（5） 调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。（6） 调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查.调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。对于本交通灯来说，只要不出现异常的现象，一般不需要调试，直接进行测量。测试电路中线路是否接通 同上用万用表的欧姆档，测试每一组的连通的线，将两表笔接到被测的一组线的起始线和末端线的两端，看电阻是否为零，如果是零，则证明是通的；如果是无穷大，则证明中间有线是短开的，则要一根一根的检查该组的没一根线，直到查出为止。通电后的测试（1）测试电源用万用表的直流电压档，测试输入电源的电压，看是否达到额定电压（本产品为+5V），如果不是，则换电源。（2）测试芯片的电源输入端同上用万用表的直流电压档，测试芯片的接地端与接电源端的点呀，看是否达到芯片的额定电压（本产品所用的芯片都是+5V），如果不是，则检查其线路是否接错。七 操作说明1、根据题目的要求，整个交通灯控制系统需要有4个时间显示器，12个交通信号灯。2、打开仿真开关，便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为8秒，打开总开关，数码管此时显示8，东西方向车道的绿灯亮；南北方向车道的红灯亮，直到数码管显示时间为0秒，然后黄灯亮两秒，东西方向车道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。七 元器件清单 集成电路 74LS161 1片 74LS191 2片 74LS04D 1片 74LS02D 1片74LS32D 7片 74LS08D 2片 函数信号发生器1个数字显示器四个红黄绿指示灯各四个八 体会心得通过这次课程设计，不仅加深了我对数字逻辑电路的理解，而且加强了我独立思考和合作交流及动手能力。通过对设计中的每个模块的设计巩固了对理论知识的掌握，而且感觉实践和理论并非同一回事，深深的认识的多动手的重要性。在这次实践中，加强了对各种元器件的认识，认识到多跟同学交流的重要性，这样不仅可以是自己设计出更好更简洁的电路，而且能使自己少走弯路，分享彼此在实践中中的遇到的问题，还可以使自己学到更多，对问题理解的更加透彻。比如刚开始时自己设计的电路用的元器件较多许多都找不多，看多同学的设计后，突然感觉方便多了，画电路图时网络节点的应用不仅可以少连很多线，关键是让自己的电路的逻辑一目了然。通过本次实践，让我受益匪浅，虽然花了很多时间，但觉得还是值得的，即使完成的慢了些，中途还有想放弃的念头，但还是坚持在找错误，觉得耐心和遇到问题不放弃的坚持也很重要，如果没有坚持不会有现在对数电及仿真软件的深刻认识。九 参考文献1电子电路分析与设计（第3版）数字电子技术 清华大学出版社2. 电子技术基础-数字部分 高等教育出版社4 .数学电路与逻辑设计 西安电子科技大学出版社5. 数字集成电路-电路