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毕业设计论文
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交通控制信号灯毕业论文,毕业设计论文
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滁州职业技术学院 ATA软件学院 2003级 毕 业 设 计 姓 名： 成 名 班 级： 03 应用电子 设计题目： 交通信号控制灯 指导教师： 萧 墙 二 三 年十二月 nts交通信号灯 成名 03 应用电子 目 录 一 引言 . 3 二 交通信号灯的设计目的 . 3 （ 1） . 3 （ 2） . 5 三 课程设计内容及要求 . 6 1 . 6 2 . 11 四 交通信号灯基本原理及设计方法 . 17 1 . 17 2 . 20 五 译码 电路的逻辑图如下所示 . 29 1 . 29 2 . 29 3 . 30 4 . 31 六 交通灯控制电路总体框图如下 . 33 七、 74LS138 译码器得引脚图，逻辑图及功能表如下 . 34 nts交通信号灯 成名 03 应用电子 交通信号灯控制设计 一、前 言： 19 世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发， 1868 年 12 月10 日，信号灯家族的第一个成员 就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德 哈特设计、制造的灯柱高 7m，身上挂着一盏红、绿两色的提灯 煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世 23 天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。从 此，城市的交通信号灯被取缔了。直到 1914 年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红、绿灯，不过，这时已是 “ 电气信号灯 ” 。稍后又在纽约和芝加哥等城市 ，相继重新出现了交通信号灯。 随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯 (红、黄、绿三种标志 )于 1918 年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。 交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果 工程上把电信号分为模拟信号和数字信号两大类。数字信号是指时间和幅度都是离散的信号。如数字钟、数字万用表等都是由数字电路组成。 数字逻辑电路的研究有两个主要任务：一是分析，二是设计。随 着集成电路技术的飞跃发展，数字逻辑电路的分析和设计方法在不断发生变化。但不管怎样变化，用逻辑代数作为基本理论的传统方法仍不失为逻辑电路分析和设计的基本方法。 nts交通信号灯 成名 03 应用电子 二、 .交通信号灯的设计目的 a 培养数字电路的设计能力 b 掌握交通信号灯控制电路的设计 ,组装和调试方法。 三、课程设计内容及要求 1.设计一个交通信号灯控制电路。要求 : a主干道和支干道交替放行 ,主干道每次放行 30s,支干道每次放行 20s。 b每次绿灯变红灯时 ,黄灯先亮 5s,此时原红灯不变。 C用进制数字显示放行及等待时间。 2用中、小规模集成电 路组成交通信号灯电路 ,并在实验仪上进行组装 ,调试。 3画出各单元电路图、整机框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告。 四、交通信号灯基本原理及设计方法 十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一个主干道和一个支干道的十字路口如图 F-4-6所示。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。 要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生 器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱 动 电路等几部分组成，整机电路的原理框图如图 F-4-7所示。 图 F-4-6 十字路口图 图 F-4-7 交通信号控制电路框图 绿 黄 红 支 干 道 红 黄 绿 主 干 道 支 干 道 显示器 译码器 计数器 时钟信号发生器 主控 制器 信号灯 译码驱 动电路 主干道 信号灯 支干道 信号灯 nts交通信号灯 成名 03 应用电子 （ 1） 主控制器 十字路口车辆运行情况只有 4 种可能： 1）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为 30s。 2） 30s 后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为 5s。 3） 5s 后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下 主红灯和支绿灯亮，持续时间为 20s。 4）20s 后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为 5s。 5s 后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电路也有4种状态，设这 4种状态依次为： S0、 S1、 S2、 S3。状态转换图如图 F-4-8所示。 设 S0=00， S1=01， S2=10， S3=11。实现这 4 个状态的电路，可用两个触发器构成，也可用一个二 -十进制计数器或二进制计数器构成。我采用二 -十进制计数器 74LS90 实现，并采用反馈归零法构成 4 进制计数器，即可从输出端 QBQA得到所要求 的 4 个状态。逻辑图如图 F-4-9 所示。为以后叙述方便，设X1=QB,X0=QA。 30s 后 CP1 O 5s 后 5s 后 O CP0 20s 后 图 F-4-8 图 F-4-9 主控制器的逻辑图 （ 2） 计数器 计数器的作用有二：一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行 30s、 20s、 5s 3 种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制 器的状态控制。计数器的工作情况为：计数器在主控制器进入状态 S0 时开始 30s 计数； 30s 后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态 S1，计数器开始 5s 计数； 5s 后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S2，计数器开始 20s 计数； 20s 后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态 S3，计数器又开始 5s 计数； 5s 后同样S00 S3 S1 S2 Qd Qc Qb Qa 74LS90 R0a R0b S9a S9b nts交通信号灯 成名 03 应用电子 产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态 S0，开始新一轮循 环。 根据以上分析，设 30s、 20s、 5s 计数的归零信号分别为 A、 B、 C，则计数器的归零信号 L 为： L=A+B+C 其中： A=S0QB2QA2=X1X0QB2QA2 B=S2QB2=X1X0QB2 C=S1QB2QA2+S3QB2QA2=X0QC1QA1 考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将 L 取反后送到主控制器的 CP端作为主控制器的状态转换信号。计数器的逻辑如图 F-4-10 所示。 （ 3） 控制信号灯译码电路 主控制器的 4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为 1， 灯灭为 0，则控制信号灯的译码电路的真值表 F-4-1。 表 F-4-1 控制信号灯的译码电路的真值表 主控制器状态 主干道 支干道 X1 X0 红灯 R 黄灯 Y 绿灯 G 红灯 r 黄灯 y 绿灯 g S0 0 0 S1 0 1 S2 1 0 S3 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 nts交通信号灯 成名 03 应用电子 &CLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD7CLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD7GNDGNDX0 X1 X 0 / X 1 /X 0 /至主控制器的 CP 端CP归零信号 L2 1.图 F-4-10计数器 (利用 74LS192 实现计数功能 ) 由真值表可分别写出各灯的逻辑表达式： R=S2+S3=X1X0+X1X0=X1 Y=S1=X1X0 G=S0=X1X0 r=S0+S1=X1X0+X1X0=X1 y=S3=X1X0 g=S2=X1X0 nts交通信号灯 成名 03 应用电子 五、译码电路的逻辑图如下所示： &A1B2C3G 2 A4G 2 B5G16Y77Y69Y510Y411Y312Y213Y114Y0157 4L S 1 38GNDX1X0GNDGYRryg.nts交通信号灯 成名 03 应用电子 六、 交通灯控制电路总体框图如下 : & &1123456785 555 55R0(1)2R0(2)3R9(1)6R9(2)7CKA14QA12CKB1QB9QC8QD11U?7 4L S 9 0CLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD77 4L S 1 92CLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD77 4L S 1 92A1B2C3G 2 A4G 2 B5G16Y77Y69Y510Y411Y312Y213Y114Y0157 4L S 1 38BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g147 4L S 4 7BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g147 4L S 4 7abfcgdeVCC1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdp9D S ?A M B E R C AabfcgdeVCC1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdp9X0X111X1X0GYRrygGNDR1 00R1 00R1 00R1 00R1 00R1 00GNDGNDGNDGND1111GND1GND. .V C C .nts交通信号灯 成名 03 应用电子 七、 74LS138 译码器得引脚图，逻辑图及功能表如下 : 74LS138的引脚图 用与非门组成的 3 线 -8 线译码器 74LS138 nts交通信号灯 成名 03 应用电子 3 线 -8 线译码器 74LS138的功能表 无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到 74LS138 的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平 1 芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平 0，其余 7 个输出引脚全为高电平 1。如果出现两个输出引脚同时为 0的情况，说明该芯片已经损坏。 当附加控制门的输出为高电平（ S 1）时，可由逻辑图写出 由上式可以看出， 同时又是 这三个变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做 最小项译码器 。 nts交通信号灯 成名 03 应用电子 71LS138 有三个附加的控制端 、 和 。当 、 时， 输出为高电平（ S 1）， 译码器处于工作状态 。否则， 译码器被禁止 ，所有的输出端被封锁在高电平，如表 3.3.5 所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。 带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。在图 3.3.8 电路中如果把 作为“ 数据 ”输入端（同时 ），而将 作为“ 地址 ”输入端，那么从 送来的数据只能通过 所指定的一根输出线送出去。这就不难理解为什么把 叫做地址输入了。例如当 101 时，门 的输入端除了接至 输出端的一个以外全是高电平，因此 的数据以反码的形式从 输出，而不会 被送到其他任何一个输出端上。 八、 同步十进制可逆计数器 74LS192 的管脚图及其逻辑符号， 74LS192 具有双时钟输入，同时具有清 0 和置数功能。 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA4D a t e : 11 - J ul - 20 04 S he e t o f F i l e : D : 电子教案 D Z J A 01 .S C H D r a w n B y :Ucc Do CR BO CO LD D2 D 374LS192GNDD 1 Q 1 Q 0 Q 2 Q 3CPDCP U1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 BOCP DD 0D 1D 2D 3CRCPUCOLDnts交通信号灯 成名 03 应用电子 其中 : D0、 D1、 D2、 D3 置数并行数据输入； Q0、 Q1、 Q2、 Q3 计数数据输出； CR 清零端； LD 置数端； CPU 加法计数 CP输入； CPD 减法计数 CP输入； CO 进位输出端； BO 借位输出端； 74LS192 功能表： 输 入 输 出 CR LD CPU CPD D3 D2 D1 D0 1 0 0 d c b a 0 1 1 0 1 1 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 d c b a 加 计 数 减 计 数 74LS00、 74LS20 及 74LS04 的管脚图： nts交通信号灯 成名 03 应用电子 V C C4A 4Y 5A 5Y 6A6Y1Y 2Y 3Y GND1A 2A 3A1 2 3 45 678910111213147 4L S 0 4. . 1） 74LS20 内含两个四输入与非门 2） 74LS00 内含四个两输入与非门 3） 74LS04 内含六个相互独立的反相器 九九 、 74LS47 与与 数数 码码 管管 LED 七七 段段 数数 码码 管管 可可 以以 是是 共共 阴阴 极极 结结 构构 ， 也也 可可 以以 是是 共共 阳阳 极极 结结 构构 。 若若 显显 示示 器器 为为 共共 阴阴 极极连连 接接 ， 则则 对对 应应 阳阳 极极 接接 高高 电电 平平 的的 字字 段段 便便 发发 光光 ； 而而 显显 示示 器器 为为 共共 阳阳 极极 连连 接接 时时 ，则则 对对 应应 阴阴 极极 接接 低低 电电 平平 的的 字字 段段 发发 光光 。 74LS47 是一种 BCD 码输入端 ,其中 D 是高电位 ;a、 b、 c、 d、e、 f、 g 是输出端 ,输 出低电平有效 ,和共阳极半导体发光数码管各发光段的阴极引出线相互连接 下面是 74LS47 和数码管的管脚排列图 : nts交通信号灯 成名 03 应用电子 以下介绍各引脚的功能 : 1、是输入端 LT(非 ) 当 LT(非 )=0 时 ,a、 b、 c、 d、 e、 f、 g均输出为零 ,发光数码管各发光段全亮 ,显示 8 字用以检查数码管各发光段是否良好 .当 LT(非 ),=1 时 ,译码器按输入BCD 码正常译码显示 . 2、灭灯输入端 BI(非 ) 当 BI(非 )=0 时 ,不论 A,B,C,D,的输入状态如何 ,译码器的输出 a、 b、 c、 d、 e、f、 g 均为高电平 ,显示器各段 均不亮 ,只有 BI(非 )=1 时 ,译码器才根据 A、 B、C、 D 输入状而译码输出 . 3、灭零输入端 RBI(非 ) 当 RBI(非 )=0时 ,若输入 DCBA=0000,则输出不显示 0,若输入为其它带码 ,则照常显示 . 4、灭零输出端 RBO(非 ) 该端同 BI(非 )端共用一个引脚 ,它既是灭灯输入端用来接收信号 ,又是灭零输出端输出信号 ,为相邻位提供灭零输入信号 . 注 :常用的七段显示器还加了小数点 DP 十、 74LS90 功能测试 R 0 (1 )2R 0 (2 )3R 9 (1 )6R 9 (2 )7C K A14QA12C K B1QB9QC8QD117 4 L S 9 0.1） 上图是 74LS90 的管脚图 2） 按照表 7.6.2 测试 74LS90 的各项功能 ,并将结果填入表中 表 7.6.2 74LS90 的功能表 0 0 0 0 1 0 0 1 计计 数数 计计 数数 nts交通信号灯 成名 03 应用电子 功能 输入 输出 R01 R02 S91 S92 CPA CPB QD QC QB QA 清零 1 1 置 9 0 0 1 1 二分频 0 0 0 0 五分频 0 0 0 0 十进制计数器 0 0 0 0 QA 测试时，用用数码管来指示计数器的输出，然后参考下列步骤进行测试。 （ 1） 清“ 0”功能。将 R01和 R02置为“ 1”（直接接 +5V 即可），其他端任意（可暂时悬空），观察数码管是否显示“ 0”。 （ 2） 置“ 9”功能。令 R01=R02=0，将 S91和 S92置为“ 1”（直接接 +5V 即可），观察显示的数据是否为“ 9”。 （ 3） 二分频。令 R01=R02=S91=S92=0时，将手动单脉冲电路的输出接至 CPA，按动轻触开关，观察计数过程。 （ 4） 五分频。令 R01=R02=S91=S92=0时，将手动单脉冲电路的输出接至 CPB，按动轻触开关，观察计数过程。 （ 5） 十进制计数器。令 R01=R02=S91=S92=0 时，将手动单脉冲电路的输出接至CPA， CPB接 QA，按动轻触开关，观察计数过程。然后 CPA 接连续脉冲（从信号发生器获得），用示波器分别观察 QA、 QB、 QC、 QD对应 CPA的波形，并用示波器的存储功能将五个波形全部显示在屏幕上。 十一、 555 振荡器 采用 555 设计的多谐振荡器，其振荡频率与实际的数字钟频率略有出入，但可以通过校时装置校时。 单元电路： 1、 555 定时器构成的多谐 振荡器 多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加触发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。用 555 实现多谐振荡，需要外接电阻 R1， R2和电容 C，并外接 +5V 的直流电源。 电路图如下： nts交通信号灯 成名 03 应用电子 只需在 +Ucc 端接上 +5V 的电源，就能在 3 脚产生周期性的方波。 2、原理： 555 的内部电路图如下图所示： nts交通信号灯 成名 03 应用电子 接通电源 后，它经过电阻 和 对电容 C 充电，当 上升略高于 时，比较器 C1的输出为“ 0”，将触发器置“ 0”， 为“ 0”。这时， 1，放电管 T 导通，电容 C通过 和 T 放电， 下降。当 下降略低于 时，比较器 C2 的输出为“ 0”，将触发器置“ 1”， 又由“ 0”变为“ 1”。由于 0，放电管 T截止， 又经过 和 对电容 C充电。如此重复上述过程， 为连续的矩形波。 第一个暂稳状态的脉冲宽度 ，即 从 充电上升到 所需的 （ ） Cln2 0.7（ ） C 第二个暂稳状态的脉冲宽度 ，即 从 放电下降到 所需的时间： Cln2 0.7 C 振荡周期 T= + 0.7( 2 )C 振荡频率 3 555 定时器的引脚排列如下： nts交通信号灯 成名 03 应用电子 1234 56785 55V C CDTHCORu0TRGND5 55. 4、 555 定时器 的各引线端的用途如下： 1）端为接地线 2）端为低电平触发端，也称为好触发端，由此输入触发脉冲。当 2 端的输入高电压高 于 VCC/3 时， C2 输出为 1；当输入电压低于 VCC/3 时， C2 的输出为 0，使基本触发器置 1。 3）端 U0 为输出端 4）端是复位端，当 R（非） =0 时，基本触发器直接置 0，使 Q=0。 Q （非） =1。 5）端 CO 为电压控制端，如果 CO 端另加控制电压，则可以改变 C1， C2 的参考电压。工作中不使用 CO 端时，一般都通过一个 0.01uF 的电容接地，以防旁路干扰。 6）端 TH 为高电平触发端，当输入电 压低于 2VCC/3 时， C1的输出为 1；当输入电压高于 2VCC/3 时， C1 的输出为 0，使基本触发器置 0，即 Q0=0， Q =1，这时定时器输出 U0=0 7）端 D 为放电端。当基本触发器的 Q =1时，放电晶体管 T 导通，外接电容元件通过 T放电。 8）端 VCC 为电源端，可在 4.5-1.6V 范围内使用，若为 CMOS 电路，则 VCC=3-18V。 十二、组装和调试过程 ： 在电路板上按整机框图把主控制器、计数器、信号灯译码器、数子显示译码器 和秒脉冲信号发生器焊接好然后按以下步骤进行调试： （ 1） 秒脉冲信号发生器的调试，按照数字电子钟的方法逐级调试振荡电路和分频电路，使输出设计符合设计要求。 nts交通信号灯 成名 03 应用电子 （ 2） 将秒脉冲信号送入主控制器的 CP端，观察主控制器的状态是否是按 00、 01、 10、 11、 00 的规律变化。 （ 3） 将秒脉冲信号送入计数器的 CP 端，接入主控制器的状态信号 X0、X1，并把主控制器的状态信号送入主控制器的 CP 端，观察计说器是否按 30秒、 5 秒、 20 秒、 5 秒、 30 秒 循环计数。 （ 4） 把主控制器的状态转换信号 X1、 X0 接至信号灯的译码电路，观察6个发光二极管是否按设计要 求发光。 （ 5） 整机联调，使交通信号灯控制电路正常工作。 以上是本实验分析和设计的全过程，由以上分析和设计知此实验所需材料有：2片 74LS192、 2片 74LS47 和 2 个共阳数码管、 1 个 555 定时器、 1片 74LS90、 1片 74LS138、 1 片 74LS04、 2片 74LS20、 2 片 74LS00 和导线若干。 十三、交通灯控制电路 PCB 板制作 1） 首先建立一个新的设计数据库，再建立原理图文件，然后画图，在进行电气检查，建立网络表。 2） 建立电路板头文件，调人封装库、调人网络表。若没有错误单击Execute 按钮。 3） 利用向导 建立电路板。 4） 将电路图调人电路板中，进行人工布局，然后进行自动布线。 十四
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