交通灯逻辑控制电路设计-数字电子技术课程设计.doc

数字电子技术课程设计交通灯逻辑控制电路设计一、内容摘要：本系统由单片机系统、键盘、LED 显示、交通灯演示系统组成。系统包括人行道、左转、右转、以及基本的交通灯的功能。系统除基本交通灯功能外，还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、分时段调整信号灯的点亮时间以及根据具体情况手动控制等功能。实现对交通灯控制。交通灯是交通安全的关键，已广泛应用于城乡的十字路口，它的有无作为交通安全检查的重要依据，是交通秩序正常进行的有力保障。为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制信号灯来进行指挥。其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。二、实验目的1 了解交通灯管理的基本工作原理。2 熟悉8253计数器/定时器、8259A中断控制器和8255A并行接口的工作方式及应用编程。3 掌握多位LED显示的方法。三、设计任务和要求实验内容：设计一个用于十字路口的交通灯控制器。基本要求如下：1、 满足图2顺序工作流程。图中设南北方向的红、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，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄红灯亮。南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮(5t)南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮(1t)南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮(5t)南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮(1t)图2 交通灯顺序工作流程图2、 应满足两个方向的工作时序：即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和，南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。时序工作流程图3所示。图3中，假设每个单位时间为3秒，则南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别15秒、3秒、18秒，一次循环为36秒。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6NSGNSYNSREWREWGEWYt5t6tt图3 交通灯时序工作流程图3、 十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，进入下一步某方向地工作循环。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18，并使数显计数器开始减“1”计数，当减到绿灯灭而黄灯亮时，数显的值应为3，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18。扩展功能：1、 灯的转换可以手动调整，夜间为黄灯闪耀。2、 用LED发光二极管模拟汽车行驶电路。当某一方向绿灯亮时，这一方向的发光二极管接通，并一个一个向前移动，表示汽车在行驶；当遇到黄灯时，移位发光二极管就停止，而过了十字路口的移位发光二极管继续向前移动；红灯亮时，则另一方向转为绿灯亮，那么，这一方向的LED发光二极管就开始移位（表示这一方向的车辆行驶）。四、方案比较、设计与论证1 电源提供方案为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。方案二：采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。综上所述，我们选择第二种方案。2 显示界面方案该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，我们考虑了三种方案：方案一：完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字苻，无法胜任题目要求。方案二：完全采用点阵式LED 显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。方案三：采用数码管与点阵LED 相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。权衡利弊，第三种方案可互补一二方案的优缺，我们决定采用方案三以实现系统的显示功能。3 输入方案：题目要求系统能手动设灯亮时间、紧急情况处理，我们讨论了两种方案：方案一：采用8155扩展I/O 口及键盘，显示等。该方案的优点是：使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。若用该方案，可提供较多I/O 口,但操作起来稍显复杂。方案二： 直接在IO口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，我们使用四个按键，分别是K1、K2、K3、K4。由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O 口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。五、方案设计方案设计一1、实训器材典型微机原理及接口应用实验系统系统配置：18255A可编程并行接口芯片 1片28253可编程定时器/计数器接口芯片 1片374LS48（4位-7段 LED显示译码驱动器） 1片4LED显示灯 6个（红、黄、绿各2个）5指示灯 1个6 LED数码管显示器 2个7开关 1个8电阻 若干2、实训内容及步骤1硬件设计（1）设计要求：设某十字路口由主行道和次行道组成，两条道各配有红、黄、绿交通灯，（2）任务分析及建议方案：交通灯参考硬件电路如图IP4-1所示。 8255A的B口用于输出控制信号灯亮/灭的数据。根据控制要求，各信号状态所需的数据，如表IP4-2所示。 8255A的A口输出计时显示的数值，通过2个LED显示译码驱动器，分别将从PA3PA0和PA7PA4输出的8421BCD码转换成七段数码显示的段码值，从而显示两位计时值。LED显示译码驱动器的转换功能如表IP4-3所示。图IP4-1 交通灯硬件电路逻辑图 整个装置的定时控制都由8253实现。利用8253的0计数通道，工作在方式0，定时结束时的高电平信号由PC5引入，供CPU检测。8253是一个可编程的定时/计数器芯片，可通过编程设置其工作方式。8253有3个16位的减法计数器，分别为通道0、通道1和通道2，每个计数器都可独立工作。每个计数器有2个输入信号端CLK和GATE，分别引入计数脉冲和控制信号；1个输出端OUT用于输出一个有效信号。8253有6种工作方式，其功能如表IP4-4所示。8253的编程有两方面：一是初始化编程，即向8253的控制端口写入通道控制命令字，用于选择计数通道和设置工作方式；二是写入计数初值。8253的通道命令字由8位二进制位组成，各位的含义如图IP4-2所示。8253的计数初值，取决于所需计数和定时的多少。如果用于对外部事件进行计数，计数初值就是要计数的个数。如果是用于对外部事件定时，则计数初值N = 定时时间CLK脉冲的频率交通信号灯装置中，设CLK时钟频率为1KHz，由于计时显示的间隔时间为1s各事件的定时时间要求及实现方法如表IP4-5所示。对8253进行编程需先将通道控制命令字写入其控制端口，再将计数或定时所需的计数初值写入选择的计数通道。选用方案设计二1、实训器材74LS164（8位移位寄存器）74LS90（二五十进制计数器） 74LS74(双D触发器)74LS168（十进制可逆计数器） 74LS11 (三3输入与门) 74LS04（六反相器） 74LS08（四2输入与门） 74LS32（四2输入或门） 74LS48（显示译码器） LED（共阴极） 555定时器 若干电阻、电容2、实训内容及步骤电路图交通灯控制电路的系统框图如图1所示：系统控制电路手动、单步分频时标1东西方向 EW南北方向 NSG Y RG Y R图1 交通灯控制器系统框图3、 管脚图555引脚功能：图8.1 555定时器内部结构图8.2 555定时器逻辑符号和引脚Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（）：低电平触发端，简称低触发端，标志为。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。：复位端。74ls00引脚图 逻辑图时序Q0CPXQ1Z74ls32管脚图74ls04管脚图7474管脚图六、组装与调试要求1、先测试集成电路是否正常。2、集成电路器件的插接和布线方法设计的电路在面包板上进行。1) 插接集成器件时，使器件的缺口端朝左方，先对准插孔的位置，然后用力将其插牢，防止集成器件管脚折断或弯曲。2）布线时，注意导线不要太长，最好贴近底板并在集成器件的周围走线，切记导线跨越集成器件