交通灯数字电路设计.docx

目录摘要IAbstractII绪论11方案设计与论证11.1工作原理11.2方案的比较与选择22单元电路设计与器件选择42.1单元电路设计42.2器件的选择73性能测试与分析84设计心得115参考文献11附录I：总电路原理图12附件II:元件清单13本科生课程设计成绩评定表14摘要 随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。在现代化的大城市中, 十字交叉路口都需要使用红绿灯进行交通指挥和管理,红、黄、绿灯的转换要有一个准确的时间间隔和转换顺序,这就需要有一个安全、自动的系统对红、黄、绿灯的转换进行管理, 本系统就是基于此目的而开发的。城市十字交叉路口红绿灯控制系统主要负责控制东西走向和南北走向的红绿灯的状态和转换顺序,关键是各个状态之间的转换和进行适当的时间延时。该系统通过集成芯片的组合，通过控制模块、置数模块、计数模块、译码显示模块和脉冲发生模块实现红绿灯的自动转换，且能够调整各种色灯的发光时间，给交通行人以及驾驶者以行走信号。充分的利用了数字电路知识，该系统使得交通变得更有秩序，更加安全。关键字：交通灯，集成芯片，数字电路Abstract Cross city traffic light intersection control system responsible for controlling the main east-west and north-south orientation of the state of the traffic lights and conversion sequence, the key is the conversion between the various state and to carry out an appropriate time delay. The system through a combination of integrated chips, through the control module, a few blocks home, counting module, decoding module and the pulse occurred in the module will automatically switch the traffic lights, and to adjust various color light-emitting lamp time, pedestrian traffic, as well as drivers signal to walk. Adequate knowledge of the use of a digital circuit, the system allows the traffic becomes more orderly, more secure.绪论随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。在现代化的大城市中, 十字交叉路口都需要使用红绿灯进行交通指挥和管理,红、黄、绿灯的转换要有一个准确的时间间隔和转换顺序,这就需要有一个安全、自动的系统对红、黄、绿灯的转换进行管理, 本系统就是基于此目的而开发的。1方案设计与论证1.1工作原理整个电路以控制模块为核心控制电路的状态转换。脉冲发生模块通过555定时器构成的占空比可调的多谐振荡器产生供整个电路使用的频率1Hz、占空比为50%的脉冲信号。将其输入到计数模块，计数模块在置数模块置数后进行减计数并驱动译码显示模块进行译码显示，减至0时发出一个脉冲到控制模块，使电路的状态发生一次改变。控制模块再将产生的信号输送到置数模块，选择所需的数进行置数，至此为一个循环。往复循环即可达到红绿黄灯按照规定的时间顺序进行转变的要求。东西方向G Y R南北方向G Y R计数模块秒脉冲源系统控制电路 图1 交通灯控制器的系统框图1.2方案的比较与选择 根据设计任务与要求,我们可以知道这个交通灯的工作方式有些是必须并行进行的，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，东西方向黄灯亮。南北方向亮红灯的时间应灯等于东西方向亮黄、绿灯时间之和，东西方向亮红灯的时间应灯等于南北方向亮黄、绿灯时间之和。一次循环为30秒，则绿灯亮25秒，黄灯闪烁5秒。其工作流程如图2所示。南北方向绿灯亮东西方向红灯亮 25秒南北方向黄灯闪烁东西方向红灯亮 5秒南北方向红灯亮东西方向绿灯亮 25秒南北方向红灯亮东西方向黄灯闪烁 5秒 图2 交通灯信号灯顺序工作流程图方案一：用纯数字电路设计，电路主要由以下几部分构成：秒脉冲源、倒计时计数器、信号灯转换电路、黄灯控制器、时间显示器、交通显示灯。原理框图如下：交通显示灯黄灯控制器信号灯转换器秒脉冲源倒计时计数器时间显示器通显示灯图3交通灯控制原理框图首先倒计时预置数30,通过秒脉冲源给倒计数器发送秒脉冲,倒计时器开始倒计时,驱动时间显示器显示,并且交通灯也正常运行,当倒计时器计到5s时,我们当然同时可以在时间显示器上看到,这时倒计时器驱动黄灯控制器,使正在亮绿灯方向的绿灯灭，黄灯闪烁，当倒计时器计到0时,信号灯控制电路控制和改变交通灯的显示,实现交通灯的转换功能.如此往复循环.方案二：设计一个基于单片机的交通灯信号控制器实现的功能主要包括计时功能、动态扫描以及状态的切换等几部分。计时功能：要实现计时功能则需要使用定时器来计时，通过设置定时器的初始值来控制溢出中断的时间间隔，再利用一个变量记录定时器溢出的次数，达到定时1秒中的功能。当计时每到1秒钟后，东西、南北信号灯各状态的暂存剩余时间的变量减1。当暂存剩余时间的变量减到0时，切换到下一个状态，同时将下一个状态的初始的倒计时值装载到计时变量中。开始下一个状态，如此循环重复执行。动态扫描：需要使用4个数码管分别显示东西、南北的倒计时数字，将暂存各状态剩余时间的数字从变量中提取出“十位”和“个位”，用动态扫描的方式在数码管中显示。整个程序依据定时器的溢出数来计时，每计时1S则相应状态的剩余时间减1，一直减到0时触发下一个状态的开始。 （2）单片机型号及所需外围器件型号，单片机硬件电路原理图 图4 单片机硬件电路原理图选择：用单片机做交通灯在硬件方面会比较容易，但就目前水平还难以理解其内部结构和程序编制，虽然用数字电路设计的交通灯会涉及到很多芯片，焊接起来会比较困难，但它的原理都是这学期数字电子技术基础学过的，正好学以致用，而且复杂的焊接过程还能提高动手能力。所以选择方案一来完成设计。2单元电路设计与器件选择2.1单元电路设计秒脉冲源：时钟控制电路是由555定时电路控制的。利用的是555构成的多谐振荡器。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，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端 Ct 放电，使电路产生振荡。电容C在和之间充电和放电，其波形如图103 (b)所示。输出信号的时间参数是 Ttw1tw2， tw10.7(R1R2)C， tw20.7R2C 555电路要求R1 与R2 均应大于或等于1K ，但R1R2应小于或等于3.3M。 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这个555多谐振荡器是整个电路的时钟信号。要使电路的时间脉冲时间为一秒，则应使图中的R1为68K，R2为15K，电容C为10。图5 秒信号源倒计时计数器：这里是采用两片74192芯片构成31进制计数器,控制个位数字的74192的减计数控制端CPD接1HZ的脉冲输入,其输入端A、B、C、D并接地，控制十位数字的74192减计数器的输入端A、B接高电平，C、D接地，完成置数30。控制十位数字的74192的减计数控制端CPD接控制个位数字的74192的借位输出端BO。两计数器的CPU都接高电平，已实现减计数功能，计数完后发出信号到控制模块改变状态，是整个电路的状态进入循环转换。其输出端接到译码显示模块上，将减计数的信息显示出来。两个74192的清零端通过单刀双掷开关选择高低电平。如下图：图6 倒计时计数器黄灯控制电路：这里是采用数据分配器74138，该芯片的输入端A、B、C 分别接倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QA、QB、QC，为了保证是在显示器只是在显示05s时黄灯亮，应把此74138的使能端G2A和G2B由倒计时计数器中的控制十位数字的74192的输出端QA、QB与由倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QD通过一个三输入或门接过去。然后6输出端Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5都分别经过一个非门然后都接入一个或门，那么或门的输出端就是接黄灯的，也即黄灯控制器的输出端，但考虑到八输入或门的工作电压VDD=14V，调试时不方便，所以改用两个三输入与门和一个与非门来代替。如下图：图7 黄灯控制电路信号灯转换电路：信号灯转换器其实就是用一个JK触发器来实现，其中J、K端都同时接高电平，即构成了一个T触发器，目的就是实现翻转功能，其时钟输入端是由倒计时计数器中的控制十位数字的74192减计数器的BO端接入，同时该计数器的置数端LOAD也接到BO端，这样当计数器递减到零时，BO端下跳变脉冲，既给JK触发器提供了一个下降沿使其实现翻转，同时其自身完成置数功能，马上进入到下一个循环。如下图：图8 信号灯转换电路交通灯显示电路：一个方向的红灯接信号灯转换电路的反向输出端Q，黄灯是由信号灯转换电路的正向输出端Q、一个黄灯控制电路的输出端和一个1HZ的脉冲源,这三个输出端再经过一个与门接入,绿灯由信号灯转换电路的正向输出端Q和一个黄灯控制电路的输出端经过一个非门,这两个输出端再经过一个与门接入;另一个方向的红灯接信号灯转换电路的正向输出端Q,黄灯是由信号灯转换电路的反向输出端Q、一个黄灯控制电路的输出端和一个1HZ的脉冲源,这三个输出端再经过一个与门接入,绿灯由信号灯转换电路的反向输出端Q和一个黄灯控制电路的输出端经过一个非门,这两个输出端再经过一个与门接入.如下图:图9 交通灯显示电路2.2器件的选择秒脉冲源：NE555定时器一片，电阻15 K、68 K各一个，电容0.1、10各一个。计数器：74LS192两片，单刀双掷开关一个。时间显示器：译码器74LS248两片，七段数码管CL5011-11两个。黄灯控制器：数据分配器74LS138一片，三输入与门74LS11一片，二输入与非门74LS00一片，反相器74LS04一片。信号灯转换器：双JK触发器74LS112一片，三输入或门74HC4075一片。交通灯显示器：二输入与门74LS08一片，三输入与门74LS11一片，红、黄、绿LED各两个，200电阻6个。3性能测试与分析1在EWB软件中打开设计好的仿真电路,点击开启运行,刚开始数码管显示30，然后开始倒计时，南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮（图中左边交通灯是南北方向，右边的是东西方向）。分析：在电路刚启动时，计数器完成置数功能，然后开始倒计时，由于JK触发器现态是Qn=0，所以南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，效果如下图：图11 25s过后数码管显示为时，南北方向绿灯熄灭，黄灯开始闪烁，一直闪到数码管显示为为止,其中东西方向红灯状态是不变的；分析：当数码管显示为时，说明倒计时计数器已经计数到了只有s的状态，此时驱动黄灯控制电路，并不影响其他电路的工作，由于黄灯控制电路是由一个74138构成的，该芯片的输入端A、B、C 分别接倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QA、QB、QC，为了保证是在显示器只是在显示05s时黄灯亮，应把此74138的使能端G2A和G2B由倒计时计数器中的控制十位数字的74192的输出端QA、QB与由倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QD通过一个或门接过去，这样就只有当A、QB和D均为时才开启此块芯片。由于74138的输出端是低电平有效，所以6输出端Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5通过两个三输入与门再经过一与非门，那么与非门的输出端就是接黄灯的。当倒计时到5s时，黄灯控制器的输出端为高电平，打开了三输入与门，使得脉冲信号输入，所以黄灯开始闪烁，同时该输出端经过一反相器接到同方向上的绿灯上，使得黄灯亮时绿灯熄灭。JK触发器还没翻转，所以东西方向的红灯仍保持亮。效果如下图：图12 然后切换到东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，数码管显示变为30又开始倒计时。分析：当31进制倒计数完成之后，到数码管显示为时，马上进入下一个循环。马上驱动信号灯转换电路，因为它就是一个下降沿触发的JK触发器构成的，其中J、K端都同时接高电平，即构成了一个T触发器，实现翻转功能，其时钟输入端是由倒计时计数器中的控制十位数字的74192的BO端，在不需要翻转的时间段里，时钟输入端一直输入的是高电平,一旦当31进制倒计数到时，BO端下跳变脉冲,即产生了一个下降沿，使JK触发器翻转，使得次态为，由以上单元电路设计中的交通灯显示电路的输入端可知同时也转换了交通灯的显示；同时随着控制十位数字的74192的BO端下跳变脉冲，低有效的置数端也变为0，计数器完成置数功能，置数30过后开始递减计数，南北方向绿灯亮,东西方向红灯亮。效果如下图 图13425s过后数码管显示为时，东西方向绿灯熄灭，黄灯开始闪烁，一直闪到数码管显示为为止,其中南北方向红灯状态是不变的。分析：当数码管显示为时，原理同上述第二种情况一样。计数到00后，电路状态又回到第一种情况，完成了一个循环。图144设计心得 大学生学习电子技术，一定要学以至用，切忌纸上谈兵，完成一个电路的制作不是仅靠书本理论就能完成的, 只有把书上的知识和实际中的电路统一起来，才能真正提高自己的专业水平。通过这次课程设计，加强了动手、思考和解决问题的能力。 在做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解