交通灯逻辑控制电路设计.doc

数字电子课程设计报告 专 业： 班 级： 姓 名： 指导教师： 二O一一年五月十日目 录第一部分 任务书 一、设计题目及内容 二、可以使用的器件 三、使用仪器设备 四、组装调试要求 五、课程设计总结报告第二部分 课程设计报告 一、简述 二、设计内容和要求 三、使用的器件四、系统总体设计方案 1.方案特点 2.控制电路设计 2.1控制电路工作原理 2.2参数计算 2.3器件选型 2.4 用555制作秒脉冲 2.5 计数电路设计 2.6 译码显示电路设计 2.7 系统总体电路设计 五、电路调试 六、改进意见及收获体会 七、元器件清单 八、参考文献第一部分 任务书一、设计题目及内容题目：交通信号灯控制器内容：（1）、用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。（2）、南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别为20秒、4秒、24秒，一次循环为48秒。黄灯是间歇闪耀。设计计时显示电路(减“1”计数) 。（3）、可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。 二 、可以使用的器件74LS164（8位移位寄存器）74LS161（4位二进制加法计数器） 74LS74 (双D触发器)74LS04（六反相器） 74LS00（2输入端四与非门）74LS08（2输入四与门） 74LS48（显示译码器） LED（共阴极） 555定时器 若干电阻、电容三、使用仪器设备1、 稳压电源(5V)；四、组装调试要求设计的电路在面包板上进行。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。3、电路测试需注意的问题：（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的上空，杂乱的在空中搭成网状。数字电路的布线应整齐美观，这样既提高电路的可靠性，又便于检查排除故障或更换器件。（3）导线的连接顺序：先接固定电平端，如电源正极红线，地线黑色导线，门电路的多余输入端及电平固定的某些输入端（如触发器的控制端JK端等），然后按照电路中信号的流向顺序对所划分的单元电路逐一步线、调试，最后将各单元连接起来。五、课程设计总结报告 写总结报告是对学生写科学论文和科研总结报告的能力训练。总结报告包括以下内容：1、报告名称2、内容摘要（300字）3、设计内容及要求4、方案比较，画出系统框图，确定使用的方案5、单元电路设计、参数计算和器件的选择（含器件功能表）并说明单元电路工作原理。6、画出完整的电路图7、安装调试内容，包括：（1） 使用的主要仪器和仪表（2） 调试电路的方法和技巧（3） 测试的数据和波形，并与计算结果比较分析（4） 调试中出现的故障、原因及排除方法8、总结设计电路的特点和方案的优缺点,提出进一步的改进意见和未来的发展9、列出所用的元器件10、列出参考文献第二部分 课程设计报告交通灯逻辑控制电路设计一、简述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。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二、设计内容和要求设计一个十字路口交通信号灯控制器。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。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。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。4、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）。三、使用的器件1、 二输入四与非门 74LS002、 四输入双与非门 74LS203、 六倒相器 74LS044、 八输入与非门 74LS305、 正沿双D触发器 74LS746、 同步十进制可逆加、减计数器 (8421 BCD码) 74LS1687、振荡分频器 CD40608、BCD七段显示译码器 CD 45119、555定时器 55510、LED共阴七段数码管 BS20711、微动开关、拨盘开关、继电器、LED(红、绿、蓝)、电阻、电容、二极管、三极管、光敏二、三极管、导线等。12、工具(镊子、剪刀、万用表、电烙铁)四、系统总体设计方案南北方向信号灯东西方向信号灯译码驱动电路时钟信号传感器主 控 制 器计时器 图2 总体设计方案1.方案特点道路较窄而车辆通行较多，支线、干线的车辆通行时间不等，允许人工监控或修改各线通行时间，同时设有道路应急控制。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，并且能够在人监控状态下，干道、支道通行时间通过键盘修改或通过开关人为控制。 本设计在很多方面，比如译码器的选择，定时器选型，程序调用方式等等尽量做到不与本组其他成员雷同，程序编制力求简便清晰，硬件连接图在保证每根具体用到的管脚线都能被表示出来的同时，力求线路连接清晰明确，尽量不使线与线之间过于缠绕。并且保证了电路工作的稳定性，同时加入了人工控制线路，可以更好的处理应急事件（如交通管制），晚上的黄灯闪烁对于夜间行驶的汽车起到提醒作用。2.控制电路设计2.1控制电路工作原理它由74LS164组成扭环形12进制计数器，然后经译码后，输出十字路口南北东西二个方向的控制型号。其中黄灯信号须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿红灯灭。 2.2参数计算由波形图3可知，计数器每次工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。这里我们选用中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。扭环形计数器的状态如表2所示。t计数器输出南北方向东西方向Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5NSG NSYNSREWG EWYEWR012345678910110 0 0 0 0 01 0 0 0 0 01 1 0 0 0 01 1 1 0 0 01 1 1 1 0 01 1 1 1 1 01 1 1 1 1 10 1 1 1 1 10 0 1 1 1 10 0 0 1 1 10 0 0 0 1 10 0 0 0 0 11 11 1 1 0 0 0 0 0 0 0 00000100000000000011111100 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 000000000001111111000000图3 控制电路波形图表2 扭环形计数器状态表根据状态表，我们不难列出东西方向和南北方向绿黄红灯的逻辑表达式：东西方向绿：EWG=Q4Q5黄：EWY=(Q4)Q5红：EWR= (Q5)南北方向绿：NSG=(Q4)Q5黄：NSY=Q4(Q5)红：NSR=Q5由于黄灯要求闪耀几次，所以用顶时标1s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。2.3器件选型74LS164、74LS11、74LS08、74LS32、74LS0474LS164引出端符号（图4）CLOCK 时钟输入端CLEAR 同步清除输入端（低电平有效）A，B 串行数据输入端Qa-Qh 输出端逻辑图：图4 74LS164接脚图2.4 用555制作秒脉冲输出频率为1Hz,占空比为50%. 2.5 计数电路设计计数电路工作原理当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS168以减法计数器方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯信号（EWR=0），使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮，使另一方向东西方向减法计数器开始工作。在减法计数器开始之前，由黄灯亮信号使减法计数器先置入数据，图中接入LD的信号就是由黄灯亮（为高电平）时，置入数据。黄灯灭（Y=0），而红灯亮（R=1）开始减计数。参数计算由实验要求可以设置计数器初始值，由两个74LS168共同设置成24并随着秒脉冲依次下降。器件选型74LS192、74LS08、74LS04、74LS19274LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下图6所示：图6 74LS192结构图图中：PL为置数端，CPU为加计数端，CPD为减计数端，(TCU)为非同步进位输出端，(TCD)为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。2.6 译码显示电路设计译码显示电路工作原理显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用74LS48 BCD码七段译码器，显示器用LC5011-11共阴极LED显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。参数计算 根据实验要求，译码显示电路注意的就是接线，拐脚一定要对应正确 否则会出现乱码等情况。器件选型：LC5011-11、74LS4874LS48译码器（图7）图7 74LS48 接脚图2.7 系统总体电路设计 注：74LS248用74LS48代替，74LS168用74LS192替代。图8 统总体电路电路说明 交通灯控制系统功能图它主要由减法计数器、步骤控制器、置数逻辑电路和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该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。其中控制部分由74LS164组成扭环形12进制计数器，然后经译码后，输出十字路口南北东西二个方向的控制型号。其中黄灯信号须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿红灯灭。 当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS168以减法计数器方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯信号（EWR=0），使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮，使另一方向东西方向减法计数器开始工作。 显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用74LS48 BCD码七段译码器，显示器用LC5011-11共阴极LED显示器，计数器材用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。 当开关K3处于夜间模式时，南北与东西方向的黄灯会闪烁，这样对于夜间行驶的车辆起一个警示提醒作用。对于手动控制部分，对于临时调整红绿灯情况有了很好的解决。电路里面的秒脉冲可以使用振荡电路获得，此次实验直接使用了实验箱提供的1Hz的方波信号。对于电路中替换的电路元器件使用方法和原器件基本上不变，完全可以参照电路图实现。五、电路调试振荡电路调试及实验结果分析 实验所用秒脉冲直接使用了实验箱上1Hz信号（产生方法如上面讲的产生方法），通过分频器实现信号周期的变化，用以提供电路信号。计数电路调试及实验结果分析 观察数码管的显示情况，如果24循环过后回复的话，说明计数正常。如果出现问题：1.显示最大数不对，是由于74LS192置数端不对，初始值错误2.如果显示乱码原因可能是由于与译码器接口不对。3.如果计数器不工作（不倒计时）可能原因可能是电路连接错误，注意查线，保证线路的正确性。译码显示电路调试及实验结果分析观察数码管的显示情况：出现乱码或无数值，检查接口74LS48和74LS192以及数码管对应是否正确。如果数码管无任何显示，可能原因是共阴极没有接地。控制电路调试及实验结果分析用观察电路左半部分电路的红绿黄灯的时间，符合要求说明控制电路正常工作。并且要保证夜间模式时，黄灯处于规律闪烁状态。如果出现灯闪烁频率不对，检查秒脉冲是否正常。如果灯不闪或不亮，需检查电路，看是否电路连接正确。系统联调及实验结果分析统一左半部分红绿灯的闪烁时间与颜色和右半部分的数码管的倒计时显示，对应正确说明电路正常，如果不对应或某一部分过快，检查各集成块初始值设置和秒脉冲分频是否正确。如果红绿灯时间不正确，看分频器连接是否正确。六、改进意见及收获体会缺陷：红黄绿灯亮的时间不是很准确，主要是分频器的原因，此次设计使用的是两个二分频器，秒脉冲信号周期变为四倍。改进：使用三进制计数器，每三秒给74LS164一个上升沿信号体会：经过一周的努力，我终于完成了电子课程设计-交通灯控制电路系统。通过这次电子技术课程设计,使我对数字电子技术在实践中的应用有了更深刻的理解。通过该课程设计，把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。通过一周不断的查找资料的过程让我积累了很多实际操作经验，已初步掌握了数电的应用技术，以及数字电路的知识和有关器件的应用。我深刻地体会到数字电子技术对当代社会发展的重要作用。在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操