交通灯控制器课程设计.doc

西安翻译学院课 程 设 计 报 告院 系： 信息工程学院 课程名称： 数字电子技术 设计题目： 交通灯控制 专 业： 通信技术 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 设计时间： 2010.12.052010.12.24 二一年十二月二十日课 程 设 计 任 务 书设计题目交通灯控制学生姓名专业通信技术班级设计要求：要求：1.按照要求做出总体设计方案，并写出流程图；2东西方向为主干道，南北方向为副干道；3主干道通行时间40秒；4换向时要有5秒的黄灯期；5南北通行时间为20秒。学生应完成的工作：1. 根据实验要求分析并绘出流程图；2. 根据要求确定设计实验方案；3. 用仿真软件进行试验电路的仿真；4. 根据所给参数和所提供的元器件及芯片进行调试；5. 将实验仿真图在试验箱上进行实际搭建；6. 调试实验结果。参考文献阅读：1 杨刚，周群主编. 电子系统设计与实践. 北京：电子工业出版社，20052 郁汉琪 主编. 数字电路实验及课程设计指导书. 北京：中国电力出版社，20073 毕满清 主编. 电子技术实验与课程设计. 北京：机械工业出版社，2005 4 林涛 主编. 数字电子技术基础. 北京：清华大学出版社，20065 林涛 主编. 模拟电子技术基础. 重庆：重庆大学出版社，2003. 工作计划：12.5 12.13 与组员讨论分析设计任务，提出总体设计方案（设计方法、程序流程图），并向指导老师说明；12.14 12.20 确定方案，分析数据，设计实验，进行仿真，搭实际电路；12.21 12.24 完成设计报告。任务下达日期： 2010 年 12 月 05日 任务完成日期： 2010 年 12 月 26 日指导教师（签名）： 学生（签名）：陈武强 目录第一章 系统概述31.1 系统概述.31.2 交通灯逻辑分析.41.3 总体设计方案5第二章 单元电路设计与分析.52.1 秒脉冲信号发生器的设计62.2定时器的设计.72.3控制器的设计.82.4显示电路的设计.92.5总体电路图12第三章 结束语.123.1系统综述：.123.2元器件明细表.133.3总结及心得体.14参考文献.141、 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40S1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20S3红灯亮，禁止通行黄灯亮，停车52、 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=0.5s，令C1=2.2uf，C2=10nf,。取一固定电阻R1=500与一个1K的电位器串联代替电阻R2.在调试电路时，调节电位器RP ,使输出脉冲周期为0.5s。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74LS160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74LS160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74LS160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， 如图3.2. 图3.2 定时器的设计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 表2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 应该向七段显示译码器提供 M45（S0状态）、M5（S1状态）、M30（S2、S3状态）的倒计数，而支干道74LS192应该向七段显示译码器提供M50（S0. S1状态）、M25（S2状态）、M5（S3状态）的倒计数。74LS192的RD、LD端由Q1、Q0来控制，根据S0S3状态改变Q1、Q0从而控制RD、LD端，使它们进行减计数和清零。CPD端输入秒脉冲信号，而CPU端输入高电平。电路如图6、7所示。2.5总体电路图：（牛头不对马嘴了！此电路与前边分析的电路就不是一个，到底想用哪个？建议换成原来的电路）3、 结束语3.1 系统综述：通过分析交通灯控制系统的要求可知，整个系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器构成。其中，秒脉冲信号发生器和一个D触发器共同构成的分频电路组成；定时器由两片异步四位二进制计数器74LS160芯片、D触发器及若干与非门、非门、与门共同组成。驱动电路的工作。主控制器和定时计数器必须使用同一脉冲信号，译码电路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。控制电路是系统的主要部分，由它控制定时计数电路和译码驱动电路的工作能够实现交通灯四种状态的自动转换。3.2元器件明细表如下表9：表9元器件明细表序号名称型号参数数量备注1电阻50012电阻1k13电容2.2uF14电容10nF15D触发器74LS742双D触发器9发光二极管BT1012绿色10发光二极管BT2012红色11发光二极管BT3012黄色12计数器74LS160213定时器CC7555114与非门74LS10116与非门74LS04217与门74LS0843.3总结及心得体会： 这次课程设计历时整整两个星期。通过这两个星期的课程设计，我发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。在课程设计过程中，光有理论知识是不够的，还必须懂一些实践中的知识。这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。我们积极查询相关资料，并且聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。本次课程设计也巩固和加深了我对电子线路基本知识和理解，提高了综合运用所学知识的能力，增强了根据课程需要选学参考资料，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。然后深入研究，提出方案，对比后得出最终的可行方案。同时我也初步学习到了关于课程设计的基本方法、步骤和撰写设计论文的格式。通过这次课程设计，和团队人员这几天的一起合作的日子，我们相互帮助、默契配合。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。这次课程设计也将成为我学业生涯中一个非常美好的回忆，也会成为我以后学习工作中