简易交通灯的设计.doc

目 录一、 设计任务和基本要求 .3二、 实验原理 .3三、 交通灯电路设计 .5四、 交通灯的仿真结果图 .14五、 交通灯的仿真总电路图 .15六、 元器件清单 .16七、 收获与体会 17八、 参考文献 17一 设计任务和基本要求（一）设计任务 设计一个十字路口交通灯信号控制器。（二）基本要求 由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全迅速地通行，在交叉路口的每个入口处设置了红绿黄三色信号灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮提醒司机将行驶中的车辆停靠在禁止线之外。 定周控制：主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒 每次由绿灯变红灯时，应有5秒黄灯作为过渡分别用红黄绿色发光二极管表示信号灯设计计时显示电路二 实验原理交通信号灯自动定时控制器用中小规模数字集成电路实现非常方便，而且便于在multisim内进行仿真实验。利用计算机和Multisim仿真软件将使系统的分析过程大大简化，而且更加直观。设系统工作的十字路口由主、支两条干道构成，4路口均设红、黄、绿三色信号灯和用于计时的2位由数码管显示的十进制计数器，其示意图如图1所示。 图1 十字路口交通信号灯控制示意图根据交通规则，交通信号灯自动定时控制器所需实现的功能如下：(1)主、支干道交替通行。(2)每次绿灯换红灯前，黄灯先亮较短时间用以等待十字路口内滞留车辆通过。(3)主支干道通行时间和黄灯亮的时间均可由同一计数器按减计数方式计数(零状态瞬间进行状态的转换，视为无效态)。(4)在减计数器回零瞬间完成十字路口通行状态的转换(换灯)。(5)计数器的状态由Multisim显示器件库中的带译码器七段数码管显示，红、黄、绿三色信号灯由Multisim显示器件库中的指示灯模拟。1系统工作流程图设主干道通行时间为45S，支干道通行时间为25S，主、支干道黄灯亮的时间均为5S。系统工作流程图如图2所示。 图2 系统工作流程2系统硬件框图硬件结构框图如图53所示。 图3 硬件结构框图三 交通灯电路设计1.控制器的设计： 控制电路部分由74LS164组成环形计数器，然后经译码后，输出十字路口主干道、支干道两个方向的控制信号。即利用74LS164串行输入并行输出移位寄存器构成计数器和附加其他基本门信号组成。 图4（a）74LS164逻辑符号 （b）74LS164引脚图根据交通灯控制要求和原理规则，可将控制器的真值表表示如下：CP74LS164 各输出端状态主干道信号支干道信号Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7G1Y1R1G2Y2R21000000001000012100000001000013110000001000014111000001000015111100001000016111110001000017111111001000018111111101000019111111111000011001111111010001110011111100110012000111110011001300001111001100140000011100110015000000110011001600000001001010 表（1）（注：“G”“Y”“R”分别表示绿、黄、红信号灯；对于信号灯的状态，“1”表示信号灯亮，“0”表示信号灯灭。） 设74LS164的初始状态为Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 =00000000，则在第一个CP脉冲到来之前，74LS164的输入端1、2为高电平，CP脉冲到来之后Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 =10000000，G1、R2 为高电平，即主干道绿灯亮和支干道红灯亮，在第二个CP脉冲到来之后，74LS164得输出为Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7=11000000，依此类推。由真值表表（1），容易得到主干道、支干道方向上的控制信号逻辑表达式：G1=Q0+Q7, Y1=Q0Q1 , R1= Q1Q7 , G2=Q1Q6 , Y2=Q6Q7 , R2=Q1+Q7根据上述逻辑表达式可画出电路图。电路中信号灯用发光二极管来模拟，另外在电路中加入保护电阻，避免流入发光二极管的电流过大。由于电路工作时高电平约为5V，所以选用100的保护电阻即可。(注：电路图中QAQH分别对应上述Q0Q7) 图5 控制器的仿真图2,显示电路的设计方案一：支干道红灯R2为高电平时，将此高电平引入主干道减法计数器的CP输入端，打开与门，使减法计数器对到来的CP脉冲计数，实现倒计时。同理利用主干道红灯R1高电平信号打开非门，使支干道减法计数器倒计时计数。另外当支干道黄灯Y2为高电平时，利用非门将高电平翻转为低电平接入主干道减法计数器的置数端，置入绿灯倒计时数据。同理利用主干道的黄灯Y1高电平对支干道减法计数器置数。 此方案的不足之处在于只有绿灯亮时有倒计时显示，而其它灯亮时没有，不能很好的满足课题要求，所以放弃该方案。方案二：只要信号灯状态发生改变，便将其信号引出到减法计数器的置数端，实现每次状态改变时的预置数，再对预置数据减法计数，实现倒计时功能。本电路采用此种方案。具体过程如下：由于主干道红绿黄灯维持的时间分别为30、45、5秒，支干道三者维持时间分别为50、25、5秒，所以可以采用两片十进制可逆计数器74LS190级联对主、支干道分别进行减计数，后续采用两片7447七段显示译码器对倒计时数字进行译码，并将结果输入到两个数码管由此显示出来。1示灯一状态示的信号；777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777下表（2）表示各干道信号灯状态转换情况：主干道信号灯状态及持续时间支干道信号灯状态及持续时间绿灯亮，红黄灭 45s红灯亮，绿黄灭 50s黄灯亮，红绿灭 5s红灯亮，绿黄灭 30s绿灯亮，红黄灭 25s黄灯亮，红绿灭 5s 倒计时显示利用两个数码管分别作为十进制两位数的十位和个位显示。这里须将表（1）中各干道每种灯亮的时间表示为二进制数，结果如下表（3）。主干道信号灯持续时间（二进制）主干道信号灯持续时间（二进制）绿灯 （0100 0101）B绿灯 （0010 0101）B黄灯 （0000 0101）B黄灯 （0000 0101）B红灯 （0011 0000）B红灯 （0101 0000）B 表（3）由上表容易得到主、支干道中74LS190各输入端应当接入的信号，见下表：主干道支干道高片位74LS190低片位74LS190高片位74LS190低片位74LS190DCBADCBADCBADCBA0绿红红0绿黄0绿黄0红绿红0绿黄0绿黄 表（4）秒脉冲信号经分频器（5分频）输入给74LS164，为每5秒向前移一位。当主干道方向绿灯亮，而次干道方向红灯亮时，使主干道的74LS190以减法计数方式工作，从数字4 5开始往下减，当减到0时，主干道方向绿灯灭，黄灯亮，并且主干道计数器重新置数，倒计时5秒，为黄灯持续时间；当黄灯倒计时为0时，主干道红灯亮次干道绿灯亮，主次干道计数器重新置数，分别为30秒，25秒，开始倒计时，以此类推。 图中用或门连接主次干道74LS190的各输入端，引入LD端，实现倒计时为零时的重新置数。下面附上4位同步二进制可逆计数器74LS190的详细说明：图（6）中（a）是单时钟十进制可逆计数器74LS190的逻辑符号，（b）是其引脚排列图。其中LD是异步预置数控制端，D3、D2、D1、D0是预置数据输入端；EN是使能端，低电平有效；D/U是加/减控制端，为0时作加法计数，为1时作减法计数；MAX/MIN是最大/最小输出端，RCO是进位/借位输出端。图6 74LS190的逻辑功能示意图及引脚图 （a）逻辑符号 （b）引脚图表（5） 74LS190的功能表预置使能加/减控制时钟预置数据输入输出工作模式LDEND/CPD3 D2 D1 D0Q3 Q2 Q1 Q00111100 0 1 d3 d2 d1 d0 d3 d2 d1 d0保 持加法计数减法计数异步置数数据保持加法计数减法计数由上表可知，74LS190具有以下功能：异步置数。当LD0时，不管其他输入端的状态如何，不论有无时钟脉冲CP，并行输入端的数据d3d2d1d0被直接置入计数器的输出端，即Q3Q2QlQ0d3d2d1d0。由于该操作不受CP控制，所以称为异步置数。注意该计数器无清零端，需清零时可用预置数的方法置零。 保持。当LD1且EN1时，则计数器保持原来的状态不变。 计数。当LD1且EN0时，在CP端输入计数脉冲，计数器进行二进制计数。当D/=0时作加法计数；当D/=1时作减法计数。另外，该电路还有最大/最小控制端MAX/MIN和进位/借位输出端RCO。它们的逻辑表达式为：MAX/MIN=RCO=即当加法计数，计到最大值1111时，MAX/MIN端输出1，如果此时CP=0，则RCO=0，发一个进位信号；当减法计数，计到最小值0000时，MAX/MIN端也输出1。如果此时CP=0，则RCO=0，发一个借位信号。3.秒脉冲发生器的设计如图8-4，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在和之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图8-5所示。图8图 7 （a） 555构成多谐振荡器 （b） 多谐振荡器的波形图输出信号的时间参数是：=0.7（R1+R2）C =0.7R2C T= =1s 其中，为VC由上升到所需的时间，为电容C放电所需的时间。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。参数： R1=39 ,R2 =51K,C0=C1=10F 图 7 秒脉冲发生器的仿真图图 8 秒脉冲发生器的波形图4.分频器的设计方案一：用74161实现分频方案二：用74ls90实现分频 因为本次设计中主控电路图需要输入一个0.2HZ的脉冲信号，所以要对秒脉冲发生器产生的信号进行分析，而一般的门电路可以实现偶数分频，实现奇数的分频比较复杂。故采用了第一种方案设计一个从12至00的五进制加计数器及QD Qc QB QA在1100至0000之间变化并循环，因为输出状态每循环一次RCO产生一次脉冲。有QD Qc QB QA状态转换图可以得出时序图如下所示：由时序图可知RCO的频率是CP的5/1，所以该计数器实现了CP脉冲的五分频。74161的功能表清零预置使能时钟预置数据输入输 出RDLDEPETCPABCDQAQBQCQDLLLLLHLABCDABCDHHL保 持HHL保 持HHHH计 数可以看出74161具有以下功能：1. 异步清零当RD=0时，不管其他输入端的状态如何（包括时钟信号CP ）,计数器输出将被直接置零，称为异步清零。 2. 同步并行预置数在RD=1的条件下，当LD=0、且有时钟脉冲CP 的上升沿作用时,A、B、C、D 输入端的数据将分别被QAQD所接收。由于这个置数操作要与CP 上升沿同步，且AD 的数据同时置入计数器，所以称为同步并行置数。3. 保持在RD=LD=1的条件下,当ETEP=0,即两个计数使能端中有0时,不管有无CP 脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变(停止计数)。需要说明的是，当EP=0,ET=1时，进位输出RCO也保持不变；而当ET=0时，不管EP状态如何，进位输出RCO=0。4. 计数 当RD=LD=EP=ET=1时,74161处于计数状态可知用74161设计计数器有两种方法：1）：反馈清零法 2）：置数法。本设计采用置数法。首先在74161中置入1100，并且让74161开始计数，用或门连接各输出端接入LD控制端，实现0000时的重新置数，实现5分频。图 7 分频器的仿真图图 8 分频器的波形图四 交通灯的仿真结果图1.主路绿灯 支路红灯2.主路黄灯 支路红灯3.主路红灯 支路绿灯2.主路红灯 支路黄灯五 交通灯的仿真总电路图六 元器件清单元件名称元件型号及个数电阻39 一个；100 六个；45k 一个；51k 一个电容10F 三个；0.1F 三个；发光二极管LED 六个数码管四个TTL集成电路片555 一片；74LS190 四片； 74LS32 二十一片； 74LS164 一片；74LS08 四片；74LS161 一片；74LS04 四片七 收获与体会 通过这次的数字技术基础的课程设计，使我明白只有把知识运用到实践中，才能真正把握知识。电路设计是将课本知识融会贯通的基础上，灵活运用，才能设计出符合要求的电路。设计中需要不断思考，发现问题，解决问题。在设计中要发扬团队协作和互相配合的精神，不断完善电路设计，设计出最好的电路。 首先，数字电子技术是一门深奥的学科，从课堂上我们学到的并非知识的全部，课程设计为我们提供了一次自我学习的机会。通过查找资料，我发现课本上的知识还不够深入，要想真正掌握这门课程，还应该多涉猎一些与之有关的其他方面的书籍，这样才能在拓展知识面的同时提高自己的能力。其次，这次的课程设计不仅锻炼了我们的动手和动脑的能力，更让我们体会到了理论与实践相联合的重要行，理论并不等于实践，光有理论是绝对不行的，但是在实践的过程中我们必须以理论为根据