交通信号灯课设.doc

唐唐 山山 学学 院院 数字电子技术数字电子技术 课课 程程 设设 计计 题题 目目 交通信号灯控制电路的设计与仿真交通信号灯控制电路的设计与仿真 系系 部部 信息工程系信息工程系 班班 级级 0909 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 4 4 班班 姓姓 名名 耿廑耿廑 学学 号号 40902084324090208432 指导教师指导教师 赵庆利 岳姝 李海涛 樊艳赵庆利 岳姝 李海涛 樊艳 20112011 年年 7 7 月月 4 4 日至日至 7 7 月月 8 8 日日 共共 1 1 周周 20112011 年年 7 7 月月 8 8 日日 2 22 数字电子技术数字电子技术 课程设计任务书课程设计任务书 一 设计题目 内容及要求一 设计题目 内容及要求 设计题目 设计题目 交通信号灯控制电路的设计与仿真 设计内容设计内容 1 信号灯白天工作要求 某方向绿灯点亮 20 秒 然后黄灯点亮 4 秒 最后红灯点亮 24 秒 在该方向为绿灯和黄灯点亮期 间 另一方向红灯点亮 如果以 4 秒作为时间计量单位 则某一方向绿 黄 红三种指示灯点亮的时间比例为 5 1 6 从点亮要求可以看出 有些输出是并行的 如南北方向绿灯亮时 东西方向红灯亮 南北方向黄 灯亮时 东西方向红灯亮 南北方向红灯亮时 东西方向绿灯亮 南北方向红灯亮时 东西方向黄灯 亮 信号灯采用 LED 红 绿 黄发光二极管模拟 2 夜间工作方式 南北东西各方向黄灯亮 且每秒闪动一次 其它灯不亮 要求设置一个手动开关 用它控制白天 和夜间工作方式 设计要求 设计要求 1 要求根据设计要求实现交通灯的现实功能 2 用 Multisim 进行仿真 3 最后要有设计说明书 二 设计原始资料二 设计原始资料 Multisim 仿真软件 芯片资料 三 要求的设计成果 课程设计说明书 设计实物 图纸等 三 要求的设计成果 课程设计说明书 设计实物 图纸等 课程设计说明书 仿真结果 四 进程安排四 进程安排 周 1 讲解整个设计要实现的功能 查阅相关资料 画出整体电路 周 2 3 进行仿真并调试 周 4 撰写课程设计任务书 周 5 课程设计答辩并交设计说明书 五 主要参考资料五 主要参考资料 1 付家才 电子工程实践技术 北京 北京工业出版社 2003 2 毕满清 电子技术实验与课程设计 北京 机械工业出版社 2001 3 阎石主编 数字电子技术基础 第五版 北京 高等教育出版社 2009 4 丁润涛主编 电子工程手册 北京 机械工业出版社 1995 指导教师 签名 指导教师 签名 教研室主任 签名 教研室主任 签名 3 22 课程设计成绩评定表课程设计成绩评定表 出勤天数 出勤 情况 缺勤天数 出勤情况及设计过程表现 20 分 课设答辩 20 分 设计成果 60 分 成 绩 评 定 总成绩 100 分 提问 答 辩 问题 情况 综 合 评 定 指导教师签名 年 月 日 4 22 目目 录录 1 引言 1 1 1 设计目的 1 1 2 设计的背景 1 2 MULTISIM 的简介 2 3 设计的思路 3 4 设计的各个模块 4 4 1 4 分频器模块 4 4 2 计数器与信号灯模块 5 4 3 555 定时器模块 6 4 4 直流电源模块 7 5 整体模块 10 5 1 简单概述 10 5 2 时序仿真结果 10 6 课程总结 13 参考文献 14 附录 1 15 附录 2 16 1 引言 1 1 设计目的 通过本次设计 加深对数字电子技术课程的全面认识 复习和掌握 对数字电子 技术的应用进一步的了解 1 2 设计的背景 现在城市人们日常出行都少不了遇到十字路口 要想确保十字路口交通正常运行 必须要有命令统一指挥 以前是交警值班进行指挥 这样不仅浪费人力资源 不利于 自动化控制 而且遇到严寒酷暑天气 对交警的身体素质是一个很大的挑战 而如果 有一个能自动控制的装置 则节省了人力而且避免了恶劣天气对人身的危害 且控制 的时间更加准确化 于是 交通灯便是一个很好的设计 一个好的交通信号灯非常重要 不仅要求工作稳定 还要求工作合理 例如 信 号灯红黄绿灯的亮灭时间要合理 否则有可能会造成交通拥堵 设计的交通灯应满足以下两个要求 1 信号灯白天工作要求 某方向绿灯点亮 20 秒 然后黄灯点亮 4 秒 最后红灯点亮 24 秒 在该方向为绿 灯和黄灯点亮期间 另一方向红灯点亮 如果以 4 秒作为时间计量单位 则某一方向绿 黄 红三种指示灯点亮的时间比 例为 5 1 6 从点亮要求可以看出 有些输出是并行的 如南北方向绿灯亮时 东西方向红灯 亮 南北方向黄灯亮时 东西方向红灯亮 南北方向红灯亮时 东西方向绿灯亮 南 北方向红灯亮时 东西方向黄灯亮 信号灯采用 LED 红 绿 黄发光二极管模拟 2 夜间工作方式 南北东西各方向黄灯亮 且每秒闪动一次 其它灯不亮 要求设置一个手动开关 用它控制白天和夜间工作方式 2 22 2 Multisim 的简介 EDA 电子设计自动化 技术是一门以计算机为工作平台进行电子产品自动化设 计的技术 利用 EDA 工具 大量工作可以通过计算机完成 并可以将电子产品从电路 设计 性能分析到设计出 PCB 版图的整个过程在计算机上自动完成 EDA 的软件很多 其中 Multisim 是目前最为流行的电路仿真软件 是广大专业及业余电路设计人员及在 校大学生设计电路的得力工具 Multisim 是美国国家仪器 NI 有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具 适用于板级的模拟 数字电路板的设计工作 它包含了电路原理图的图形输入 电路硬 件描述语言输入方式 具有丰富的仿真分析能力 工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图 并对电路进行仿真 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容 这样工程师无需懂得深入的SPICE 技术 就可以很快地进行捕获 仿真和分析新的设计 这也使其更适合电子学教育 通过 Multisim 和虚拟仪器技术 PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到 原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程 Multisim 10 通过直观的电路图捕捉环境 轻松设计电路 通过交互式 SPICE 仿 真 迅速了解电路行为 借助高级电路分析 理解基本设计特征 通过一个工具 链 无缝地集成电路设计和虚拟测试 通过改进 整合设计流程 减少建模错误 并缩短上市时间 NI Multisim 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真 能够快速 轻松 高效 地对电路进行设计和验证 凭借 NI Multisim 您可以立即创建具有完整组件库的 电路图 并利用工业标准 SPICE 模拟器模仿电路行为 借助专业的高级SPICE 分 析和虚拟仪器 您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证 从而缩短建模 循环 与 NI LabVIEW 和 SignalExpress 软件的集成 完善了具有强大技术的设计 流程 从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量 3 22 3 设计的思路 作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的 本次课设设计的交通信号 灯控制电路需要使用稳定的 5V 直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作 因此需 要设计输出为 5V 的直流稳压电源 设计的交通信号灯要求的工作方式为 1 白天工作方式 1 南北方向绿灯亮 东西方向红灯亮共 5t 2 南北方向黄灯亮 东西方向红灯亮共 1t 3 南北方向红灯亮 东西方向绿灯亮共 5t 4 南北方向红灯亮 东西方向黄灯亮共 1t 5 上述过程依次循环 2 夜间工作方式为 黄灯每秒闪烁一次 其它灯全熄灭 总的设计思路为 信号灯由组合逻辑电路控制 由于白天灯亮时间之比为 黄 绿 红 6 5 1 因此组合逻辑电路应由十二进制器输入脉冲 十二进制器的时间单位为 4 秒 为保证其工作步调一致 需要由 1 秒脉冲经一个 4 分频器得到 4 秒脉冲 因此需要设计一个 4 分频器 由于有白天和夜间模式之分 因此 在分频器输入组合逻辑电路之前要有一个工 作方式控制开关来进行白天与夜间工作方式切换 为简单起见 秒脉冲应由 555 定时器和电阻 电容连接成的多谐振荡器产生 另外 整个电路需要的电源为 5V 直流稳压电源 应由室电 220V 交流电经变压器 变为 9V 交流电 再经过桥式整流电路 滤波电路 稳压器稳压等过程 最后得到 5V 直流稳压电源 从点亮要求可以看出 有些输出是并行的 如南北方向绿灯亮时 东西方向红灯 亮 南北方向黄灯亮时 东西方向红灯亮 南北方向红灯亮时 东西方向绿灯亮 南 北方向红灯亮时 东西方向黄灯亮 因此采用组合逻辑设计 组合逻辑电路 将十二 进制计数器作为组合逻辑电路的输入 而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个 方向的信号灯的点亮 4 22 4 设计的各个模块 4 1 4 分频器模块 十二进制计数器的时间单位为 4 秒 即它的 CP 脉冲为 4 秒 为了使整体电路工作 步调一致 4 秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得 这就需要设计一个 4 分频器电路 秒 脉冲经 4 分频后得到 4 秒脉冲 将其作为十二进制计数器的 CP 脉冲 采用两个 D 触 发器组成 4 分频器电路 电路图及其仿真时输入分频器前后波形对比 图 4 1 4 分频器连接图 图 4 2 经 4 分频器后脉冲波形对比 通过示波器可以看出 当输入脉冲为 1S 时 经 4 分频器后输出脉冲变为 4S 其经 4 分频器前后脉冲高低电平对比表如表 4 1 U1A 74LS74D 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 U1B 74LS74D 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 XFG1 XSC1 A B Ext Trig 3 4 2 1 GND GND 5 22 表 4 1 经 4 分频器前后脉冲高低电平对比表 Cp1Q2 00 10 00 10 01 11 01 11 4 2 计数器与信号灯模块 十二进制计数器 计数器可以用触发器组成 也可以用中规模集成计数器组成 以 及用移位寄存器组成环形或扭环形计数器 建议用中规模移位寄存器组成扭环形 12 进 制计数器 表 4 2 74LS164 芯片真值表 RD CPABQAQBQCQDQEQFQGQH L LLLLLLLL HL QA0QB0QC0QD0QE0QF0QG0QH0 H HHHQAnQBnQCnQDnQEnQFnQGn H L LQAnQBnQCnQDnQEnQFnQGn H LLQAnQBnQCnQDnQEnQFnQGn 由信号灯白天点亮流程图可以得知 任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进 制 绿 黄 红时间比例为 5 1 6 因此需要设计十二进制计数器 循环工作控制 白天信号灯的点亮 因此 用移位寄存器组成十二进制计数器 拟选用 8 位串入并出 移位寄存器 74LS164 电阻的选取 集电极直流负载电阻的计算与确定 发光二极管的驱动电流为 C R 10mA 20mA 发光二极管的驱动电压大概是 1 7V 左右 其截止时不工作 正常工 作时处于饱和状态 由于 UCES 0 3V 可忽略 Rc Vcc 1 7 1000 3 20 即 Rc 为 165 1100 可取 Rc 220 此时它的驱动电流为 15mA 因此 R1 220 发光二极管饱和时 UCE 0 7V iBS 15 100 0 15 mA 因为 iB iBS 可取 iB 1mA 高电 平时 RB 5k 因此 R2 5k 经仿真后的白天模式下红黄绿灯的波形及分频器的输出波形图为见图 4 3 由波形图可知 同一个方向上红黄绿三个灯中只能有且只有一个是高电平 即在 同一个时刻 三个灯中只能有且只有一个灯是亮的 另外两个必须熄灭 这种情况与 实际情况相符合 如果三个灯中有不止一个灯亮 则势必造成交通的混乱 如果一个 都不亮 6 22 图 4 3 白天模式下的某方向红黄绿灯波形及分频器的输出波形 车辆各行其是 也必然容易引发交通事故 夜间模式即开关闭合后 晚上停止白天红黄绿三灯工作方式 但为了提醒司机到 了十字路口 于是用黄灯闪烁的方式作为夜间模式 而红黄灯都停止工作 夜间模式 如图 4 4 图 4 4 夜间模式下的某方向红黄绿灯波形及分频器的输出波形 以上两个图的电路图见图 4 5 4 3 555 定时器模块 由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时 所以需要设计秒脉冲产生电 路 秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路 它可以是用门电路和电阻 电容组 成 7 22 的多谐振荡电路 也可以是用定时器 555 和电阻 电容组成的多谐振荡器 为了电路 简单和调节振荡周期方便 采用 555 定时器组成多谐振荡器 图 4 5 电路原理图 振荡周期与频率的计算公式 T R1 2R2 CIn2 0 7 R1 2R2 C 电源电压 Vcc 5V 电 路图中 C2的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响一般选用 0 01 F 的瓷片电容 课程 设计中要求 T 1S 选取电容 C1 1 F 经计算选择 R1 560K R2 434 285 K 原件选 取完成后 根据电路图连接线路 图 4 6 555 定时器芯片 555 定时器电路连接图见图 4 7 555 定时器直接输出为 500mV 通过一个运算放大器将电压放大 10 倍 输出 5V 仿真结果输出波形见图 4 8 4 4 直流电源模块 作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的 本次课设设计的交通信号 灯控制电路需要使用稳定的 5V 直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作 因此需 R1 220 R2 220 R3 220 R4 220 R5 220 LED1LED2LED3LED4LED5 Q1 2N2219 Q2 2N2219 Q3 2N2219 Q4 2N2219 Q5 2N2219 R7 5k R8 5k R9 5k R10 5k R11 5k R12 5k U1A 74LS11D U2A 74LS11D U3A 74LS08D U4A 74LS08D U5A 74LS08D U6A 74LS08D U7A 74LS32D 1 U8A 74LS32D 1 U9A 74LS08D U10A 74LS08D U11A 74LS04D U12A 74LS04D U13A 74LS04D U14 74LS164D QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 A 1 B 2 CLK 8 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 CLR 9 107 102 100 101 98 97 96 95 93 92919089888786858483 82 8180 7978 767573 U15A 74LS74D 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 U15B 74LS74D 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 6 5 R6 5k VCC 5V VCC J1 Key A 99 Q6 2N2219 2 VCC 5V XFG1 LED6 3 R13 220 VCC 4 103 XSC1 ABCD G T 7774 7 1 GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND GND 8 22 要设计输出为 5V 的直流稳压电源 78 系列和 79 系列三端线性集成稳压器为输出固定 电压的集成稳压器 78 系列输出正电压 79 系列输出负电压 它们输出的固定电压标 称值分别为 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V 如 7805 输出电压为 5V 7806 输 出电压为 6V 7824 输出电压为 24V 79 系列输出电压与此类同 输出电流档次由 78 79 与输出电压档次之间的英文字母决定 L 0 1A M 0 5A 空 1 5A T 3A H 5A P 10A 图 4 7 多谐振荡器连接电路图 图 4 8 秒脉冲波形图 根据电源的负载电流 折算成值 利用有关公式选择滤波电容的容量 其耐压 L R 应高于变压器次级电压峰值 2 倍以上 根据负载电流 选择整流二极管 要求二极管最大整流电流大于负载电流的 2 倍 以上 其耐压应大于变压器次级电压峰值的 2 倍以上 变压器的功率应大于系统功率 2 倍以上 次级输出电压有效值根据桥式整流电容 C2 10nF R12 560k R15 434 285k C3 1uF 3 2 1 VCC 5V VCC VCC OUT U11 555 TIMER RATED GND DIS RST THR CON TRI U1 COMPARATOR VIRTUAL R1 99 R2 100 45 R3 1k 6 XSC1 A B Ext Trig 7 GND GND GND GND GND GND GND GND 9 22 滤波输出电压为 而这个值应大于稳压输出电压值的 从而选定变压 2 1 1 1 2U3 5V 器次级电压的有效值 而整流滤波的输出为 本系统采用 8299 整流桥 变压器8 10V 选择即可 9 12V 因此直流稳压电源包括变压器降压 二极管 或整流桥 整流 电容滤波 集成 稳压芯片稳压四部分 图 4 9 直流电源电路稳压电路图 采用 Multisim 软件进行仿真如图 图 4 10 变压器副边电压 图 4 11 输出电压 D1 1B4B42 1 2 4 3 U10 LM7805CT LINEVREG COMMON VOLTAGE V1 220 Vrms 50 Hz 0 T1 C1 1mF 4 3 1 XMM1 6 0 XMM2 5 2 10 22 5 整体模块 5 1 简单概述 作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的 本次课设设计的交通信号 灯控制电路需要使用稳定的 5V 直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作 因此需 要设计输出为 5V 的直流稳压电源 逻辑控制电路是本设计的核心电路 由它控制交通信号灯按要求方式点亮 一般经 驱动电路去控制信号灯 根据白天信号灯的点亮要求 将时序逻辑电路的输出作为组 合逻辑电路的输入 而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路 夜晚工作方式也需 要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现 整体电路图见附录 2 信号灯白天工作方式见表 5 1 表 5 1 白天模式灯的亮灭情况 时间南北灯 亮 东西灯 亮0 20s红绿 21 24s红黄 24 44s绿红 44 48s黄红 以上灯的变化情况依次循环 夜间模式 开关闭合后 灯的工作方式见表 5 2 两个方向都是黄灯每秒闪烁一次 其它灯均灭 表 5 2 夜间模式灯的亮灭情况 时间南北灯 亮 东西灯 亮1s黄黄 2s黄黄 3s黄黄 4s黄黄 以上灯的变化情况依次循环 与理论结果一致 5 2 时序仿真结果 1 白天工作方式 11 22 交通灯从点亮要求可以看出 有些输出是并行的 如南北方向绿灯亮时 东西方 向红灯亮 南北方向黄灯亮时 东西方向红灯亮 南北方向红灯亮时 东西方向绿灯 亮 南北方向红灯亮时 东西方向黄灯亮 信号灯采用 LED 红 绿 黄发光二极管模 拟 图 5 1 东西方向红灯亮南北方向绿灯亮 图 5 2 东西方向红灯亮南北方向黄灯亮 12 22 图 5 3 东西方向绿灯亮南北方向红灯亮 图 5 4 东西方向黄灯亮南北方向绿灯亮 2 夜间工作方式 南北东西各方向黄灯亮 且每秒闪动一次 其它灯不亮 如图4 6 设置一个手动 开关 用它控制白天和夜间工作方式 图 5 5 交通灯夜晚工作图 13 22 6 课程总结 一周的课程设计就要结束了 通过这次课程设计 我学到的最重要的东西就是对 于这种工程量比较大的任务 一定要学会采取先分模块实现的思想 开始的时候没有 采用这种方法 结果导致当想要的结果出不来时根本不知道是哪出的错 想要修改电 路根本无从下手 最后还是重新绘制 而且是先分块后整体才把结果做了出来 因此 分块思想应在以后其它类似的设计中着重注意应用 这次数电的课程设计 运用了许 多数字电路和模拟电路的知识 通过这次设计 不仅对以前学过的许多理论知识很好 的复习了一遍 而且还明白了许多知识的具体应用 理论与实际算是得到了一次比较 小的结合 对数电模电整体认识又有了一次质的提升 从本次课设中我还学到了做事 必须严谨的的精神 尤其是我们学工科的同学 不严谨结果就要有很大的偏差 就得 不到想要的结果 在课设中还学会了 Multisim 软件的安装 调试 以及一些简单的应用 当然也出 现了一些问题 但是经过分析 将问题解决后的感觉也是很好的 还有就是在课设中学会了又问题请教别人与一起讨论 因为以后很多东西的工程 量都是很大的 单靠个人力量是不可能实现的 这就要求我们必须学会具有团队精神 一定要学会和别人合作 因为很多困扰你的问题在集体力量面前会迎刃而解 总之 通过这次数字电子技术的课程设计 我觉得自己学会了很多东西 进步很 大 真的是受益匪浅 而且更重要的不是学会了哪些东西 而是学习的方法和设计的 一些思想 真的很感谢这次课设 还有很重要的一点 就是要按老师的要求与指导来做 老师的角色是非常重要的 我相信通过这次课程设计 我学到的东西绝对不是只在课本上能学到的 有很多 东西 尤其是实践性质的 不能仅靠理论 实践是非常必要的 理论与实践相结合 才能得到真理 这次中遇到了前所未有的问题 可以说是困难重重 把我快逼到了崩 溃的边缘 但功夫不负有心人 到最后 还是把这些问题都一一解决了 在就要完成 这次设计的此刻 心情是万分激动的 因为这是我的努力成果 我一定以这次课设为借鉴 今后做任何事情都要有这种做课设的精神 14 22 参考文献 1 付家才 电子工程实践技术 北京 北京工业出版社 2003 2 毕满清 电子技术实验与课程设计 北京 机械工业出版社 2001 3 阎石主编 数字电子技术基础 第五版 北京 高等教育出版社 2009 4 丁润涛主编 电子工程手册 北京 机械工业出版社 1995 5 童诗白 模拟电子技术基础 第五版 北京 高等教育出版社 2006 15 22 附录 1 器件明细表 器件名称器件型号器件数目 非门74LS041 个 或门74LS321 个 74LS111 个 与门 74LS082 个 D 触发器74LS741 个 计数器74LS1641 个 定时器IC5551 个 整流桥14B421 个 3300 F1 个 1 F1 个 电容 0 01 F1 个 220 6 个 5k 7 个 560k 1 个电阻 434k 1 个 开关手动开关1 个 三极管2N22196 个 稳压块LM78051 个 LED LED 灯6 个 16 22 17 22 附录