数字电子技术交通灯设计2.doc

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与74LS74来实现，脉冲发生器用晶体震荡器产生，计数器采用两个74161来实现，显示电路经过74LS192的倒计数、七段显示译码器7447及七段数码显示器连接起来实现。控制器通过RT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。关键字：交通灯、控制器、秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路、状态、转换、主支干道。设计要求： 1.定周控制：主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒; 2.每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡； 3.分别用红、黄、绿发光二极管表示信号灯； 4.设计计时显示电路。第一章 系统概述1.1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。1.2交通灯逻辑分析： 图1表示位于主干道和支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。1.3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、TS、TY为定时器的输出信号，ST为控制器的输出信号。MG、MY、MR分别表示主干道绿、黄、红三色灯，NG、NY、NR分别表示支干道绿、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，当计时到秒时，TY输出为，否则TY；当某车道红灯亮时，定时器开始计时，当计时到指定时间时，TS输出为，否则TS。 图1 交通灯系统框图 因此，用定时器分别产生三个时间间隔后，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：主干道绿灯亮，支干道红灯亮，此时主干道允许车辆通行，主干道禁止车辆通行。当主干道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：主干道黄灯亮，主干道红灯亮，此时主干道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，支干道禁止车辆通行。当主干道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：主干道红灯亮，支干道绿灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道允许车辆通行，当支干道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：支干道红灯亮，支干道黄灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道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。当支干道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，表2所示。 表1.状态转换表状态主干道支干道时间（s）S0绿灯亮，允许通行红灯亮，禁止通行45S1黄灯亮，停车红灯亮，禁止通行5S2红灯亮，禁止通行绿灯亮，允许通行25S3红灯亮，禁止通行黄灯亮，停车5 图2画出了控制器的状态转换图，其中TL、TS、TY为控制器的输入信号，ST为控制器的输出信号。第二章 单元电路设计与分析2.1.秒脉冲信号发生器的设计：方案一： 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=39K,那么R251K。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3.1所示 图3.1秒脉冲信号发生器方案二： 用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器,如图3.2。 先用石英晶体振荡器和若干电阻电容组成频率为32768Hz的信号发生器，再用十四位二进制计数器CD4060 14进行14分频使其成为2Hz的信号，最后用D触发器进行2分频，使其成为频率为1Hz的秒脉冲信号。 图3.2 石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器 方案选择：本设计中由于用秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度会影响计数器的精度，进而影响控制系统的精度，因此要求秒脉冲信号具有比较高的精度，为提高精度可先做一个频率比较高的矩形波振荡器，然后将其输出信号分频，就可以得到频率较低而精度比较高的脉冲信号发生器。用石英晶体构成秒脉冲信号发生器不需要外加输入信号，而且其脉冲频率很稳定，起振快、时基精度高，它的工作频率仅决定于石英晶体的振荡频率，而与电路中的R、C的数值无关。 综上考虑，在实际应用中秒脉冲信号发生器的设计选用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器。但由于本次设计是基于multisim10.1软件的，而multisim10.1上不支持石英晶体振荡器，所以在仿真过程中可以使用555定时器构成的秒脉冲触发器代替。在仿真精度不高的前提下，也可以使用RC多谐振荡器构成的电路来提供秒脉冲。 2.2、定时器的设计： 方案一： 用74LS193直接构成减计数器，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST的作用下，计数器以减计数向控制器提供M5、M25、M45的信号，即TY、TS、TL的时间信号。方案二： 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M5、M25、M45信号，即TY、TS、TL的时间信号。方案选择：74LS193是双时钟同步二进制可逆计数器，用它进行减计数与数字显示倒计时相符合。然而必须在输入端输入数字，因此向控制器提供M5、M25、M45的信号需要5片74LS193。而用74161可以级联，只需要2片即可向控制器提供M5、M25、M45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，因而使用起来较方便。因而选择方案（）。当系统处于S0状态为满足支干道绿灯亮够45秒，要将M45的输出端反馈到使能端EP、ET，使它记到44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，电路如图4所示。 2.3.控制器的设计： 列出状态转换表，如图所示。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及TS，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和TS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逻辑赋值后的状态表Q1nQ2nTLTSTYQ1n+1Q2n+1说明0000维持S0，0000000101由S0 S1 01001维持S101110由S1 S210010维持S210111由S2 S311011维持S311100由S3 S0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Q1nQ0nTL TY TSQ1n+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：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。设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将TL、TS、TY看作输入信号，按照由数据选择器实现逻辑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驱动下的六个发光二极管，各状态与信号灯的关系由表2给出，因此，得到二极管信号与控制器状态变量的关系为：主干道： MR= Q1支干道：NG= Q1Q0 电路如图5所示。表3信号灯与控制器状态编码表状态MG MY MR NG NY NRS0S1S2S31 0 0 0 0 10 1 0 0 0 10 0 1 1 0 00 0 1 0 1 02.4、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。方案（）：采用74LS193进行减计数，然后将输出接到七段显示译码器上。方案（）：采用74LS192进行减计数，然后将输出接到七段显示译码器上。 74LS193是二进制计数器，而74LS192是十进制计数器。由于显示的是由个、十位构成的数，因而用十进制计数器较好，选择方案（）。 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74LS 192，由表3可看出主干道74LS192