汤奇02 智能交通灯课程设计报告.doc

西安邮电学院数字电路课程设计报告书交通灯控制器学院名称：电子工程学院学生姓名：汤奇（02）专业名称：光电信息工程班 级： 光电0904实习时间：2011年12月19日 2011年12月30日数字电路课程设计报告书题目：交通灯控制器内 容 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。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，通过我应用所学的知识设计了一套交通灯控制电路的方案。交通灯的控制系统主要由计时电路、主控电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器组成。关键词：脉冲产生电路、主控电路、信号灯转换器、计数电路。目 录一、 设计的目的及要求 31设计目的 32课程设计内容与要求 3二、 概 述 5三、方案设计与论证51方案设计52论证5四、单元电路设计与分析 61555定时器构成多谐振荡器 62用74LS161计数器构成5、20、30进制计数器 73总控电路模块 84计数显示模块 95交通灯控制模块 10五、总电路图及元器件清单101元器件清单102总电路图11六、遇到的问题及结论111遇到的问题 112结论 11七、心得体会12八、参考文献12一、 设计的目的及要求一、课程设计目的1）掌握脉冲信号发生器，译码器，控制器，数码管等器件的使用方法和工作原理。2）理解74LS161、74LS139、555、74LS48等芯片的使用方法。3）掌握简单数字电路原理的分析和电路设计的流程。4）学会简单设计的电路，培养分析，连接与查错的能力。二、设计内容与要求 在实验板上构造一个交通灯控制系统 系统能产生两个方向的交通控制信号，每个方向的交通灯由红、绿、黄3个灯组成，在实验板上交通灯使用发光二极管。 通行时间由设计者自行确定 用数码管显示交通灯的倒计时设计一个十字路口交通信号灯控制器，其要求如下：控制器状态S0控制器状态S1控制器状态S2控制器状态S3支干道红灯亮主干道绿灯亮支干道绿灯亮主干道黄灯亮定时30定时5秒定时20秒定时5秒支干道绿灯亮支干道黄灯亮主干道红灯亮主干道红灯亮1.设南北方向的红、黄、绿灯分别为r，y，g；东西方向的红、黄、绿灯分别为R，Y，G，满足图1 的工作流程并且可以并行工作：g（R）r（G），黄灯用于闪烁提示绿灯变为红灯。图1：时序工作流程状态1左右黄灯亮前后红灯亮状态0左右绿灯亮前后红灯亮状态3左右红灯亮前后黄灯亮状态2左右红灯亮前后绿灯亮交通指示灯状态转换图2.满足两个方向的工作时序：东西方向红灯亮的时间应等于南北方向黄、绿灯亮的时间之和；南北方向红灯亮的时间应等于东西方向黄、绿灯亮的时间之和。其中东西方向为主干道，绿灯亮30秒，红灯亮20秒，黄灯5秒；南北方向为支干道，绿灯20秒，红灯30秒，黄灯5秒。3.十字路口要有数字显示装置，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体要求为：当某方向绿灯亮时，置计数器为某一个数值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，进入另一个方向的工作循环。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19，并使数显计数器开始减“1”计数，当减法计数到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数码管显示的数值应为4，当减法计数到“0”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，并置东西方向的数码管的显示为29。二、 概 述控制系统主要由定时器、控制器、双D触发器和脉冲信号发生器。定时器，有74LS161来计时，利用同步置数的方法，经过非门输入到74LS48中译码控制数码管倒计时。而控制器是有译码器和定时器共同工作完成的。脉冲信号发生器，利用它发生一秒一次的方波信号输出，从而使得定时器得到隔一秒一次的脉冲方波从而控制计时工作。信号发生器同时也控制相应时间段的LED亮灭，从而做到数秒结束LED的状态同步转换。从前面提到的主控制时序图可以得知，总共控制LED的转换形态有四种。可以用74LS74来控制产生四种状态再经过各种逻辑门电路去控制LED和计时器，从而控制数码管倒计时。控制状态如下： 状态 信号灯状态 00 主绿、支红（时间30秒） 01 主黄、支红（时间5秒） 10 主红、支绿（时间20秒） 11 主红、支黄（时间5秒）1. 当控制状态为00时，主干道绿灯亮，支干道红灯亮。此时主干道通行，支干道禁止通行。这段时间是30s，数码管实现倒计时。2. 当控制状态为01，主干道黄灯亮，支干道红灯亮。此时主干道缓行，支干道禁止通行。这段时间是5s，数码管实现倒计时。3. 当控制状态为10，主干道红灯亮，支干道绿灯亮。此时主干道禁止，支干道通行。这段时间是20s，数码管实现倒计时。4. 当控制状态为11，主干道红灯亮，支干道黄灯亮。此时主干道禁止，支干道缓行。这段时间是5s,码管实现倒计时。三、方案设计与论证1方案设计2论证用示波器来测量555构成的多谐振荡器产生的脉冲周期是否为1s；连接数码显示管来显示各个状态的转换以及每种状态持续的时间来验证控制电路知否正确；根据交通指示灯状态转换图来检验信号译码驱动电路是否正确。四、单元电路设计与分析1555定时器构成多谐振荡器 555定时器构成的多谐振荡器脉冲输出部分为555时基芯片构成的多次谐波震荡器，电路原理图如上：其中器件参数分别为R1=4.7k，R2=150k，C1=4.7F，C2=0.01F。产生的时钟脉冲为周期T=1s的方波。电容C1充电时，暂稳态持续时间为tw1=0.7(R1+R2)C=0.7(150k+4.7k) 4.70.5s电容C1放电时，暂稳态持续时间为tw2=0.7R2C=0.7150k4.70.5s因此，电路输出矩形脉冲的周期为T= tw1tw21s输出占空比为q= tw1/T50%C2为0.01uF，若C1取10uF，依据公式周期T=（R1+2R2）Cln2 可计算出R1+2R2=144k欧姆时可得到周期为1s的振荡信号。2总控电路模块利用一片161四位二进制计数器实现s0，s1，s2，s3四个状态，用QA,QB,的00,01,10,11四个状态表示利用计数总控模块产生的四种状态s0，s1，s2，s3列出真值表得出四种不同的置数，送到高位计数161 和低位161 的置数端 161 161（高位） 161（低位） QB QA D0 D1 D2 D3 D0 D1 D2 D3 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0（计数30） 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1（计数5） 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0（计数20） 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1（计数5） 高位 低位D3D21 D3D0QAD1A+B D2D0 D113用74LS161计数器构成5、20、30进制计数用 74LS161，74LS48 ， 7404，数码管，电阻。当每一状态发生变化时，置入的数据将跟着变。数码管显示秒数： 主干道 支干道S0：绿灯 290 红灯（30秒）S1：黄灯 040 红灯（5秒）S2：红灯 190 绿灯（20秒）S3：红灯 040 黄灯（5秒）以计数30秒为例 计数显示 cp信号（161） 29 0 28 0 . . . . 19 0 . . . . 02 0 01 0 00 1 (上升沿) 04 0 . . 01 0 00 1显示00时置数端发生变化，从而下一个计数从要求的数字开始倒数4.计数显示模块电路图如下：利用6个非门将高低位161的输出端QA,QB,QC,QD通过04取非实现倒数计时 计数器计数（正计数 ） 显示（倒显示） 0110. 9 1000 7 . 1011 . 4 . 1110 . 1 1111 . 05.交通灯控制模块QB QA 主、次干道灯颜色 0 0 绿 红 0 1 黄 红 1 0 红 绿 1 1 红 黄电路图如下：五、总电路图及元器件清单1元器件清单表1 元器件清单元件序号型号主要参数数量备注U2U3U474LS1613个模16计数器7SEG-BCD2个数码管显示器U1074001个与非门U78U74482个数码管驱动译码U6741391个二-四译码器U9U1174042个非门D1D2LED-GREEN2个绿色发光二极管D3D4LED-RED2个红色发光二极管D5D6LED-YELLOW2个黄色发光二极管U574742个D型锁存器U15551个555定时器R1R210WATT1K72K72K2个电阻C1C2AUDIO220N0.01uF10uF2个电容2总电路图六、遇到的问题及结论1. 遇到的问题通过为期两周的课程设计，我应用所学数字电子技术顺利得完成了交通灯控制器的设计。期间，我查阅里很多相关书籍，学到了很多知识，并利用它们设计了符合设计要求的信号产生器、计数器、控制电路等。不仅巩固了课堂知识，而且有效的和实际结合在了一起，扩展了所学知识和见识。在设计过程中遇到不少问题，如相关元件运用条件不熟、接口不对应等问题，感觉到书本知识与实际问题及需要结合的难处，但也激发了我这方面的兴趣，提高了理论结合实际的意识2.结论1、第一次画好电路图连接电路时，没注意到面包板的线路是否连通，结果接完一个分支电路却实现不了功能，后来先查发现面包板有一处不连通，问题解决。而后面我也每完成一个分支电路都要用万用表测试一下该单元电路的连通性和正确性，以避免同样的错误再次发生。2、第一次接好电路由于没能结合面包板的连通性，致使最终所的的电路模型相当的杂乱，而且出现了几处错误都不好检查。后来我拆了重连，这次由于有了上次的经验，使得电路的布局大大简化，而且还精简了原电路图，使用的芯片更少，功能更强，结构简单了，检查电路也方便的多了。3、调试电路前，首先要检查一下各个芯片是否完好，我就为了一个坏掉的7474而浪费了2个小时的时间。在调试的时候，我的电路总是在记数的时候发生错误，经检查新片和电路均未有错误，我试着换了一个电源，一切正常，所以电源的稳定很重要，要注意检查。4、由于是在一小块面包板上完成一个集成电路，所以电路的连线比较繁琐，接线的时候要特别注意芯片的管脚，同时注意一下芯片是否插紧，导线是否松弛等等。5、实验中还遇到了其他的一些问题，但最后都在老师或同学的帮助下得到了完美的解决。七、心得体会通过这次课程设计，我们提出问题，思考问题，解决问题的能力的到加强。在整个实验过程中，我从设计电路，选择元件，检测元件，连接电路再到测试电路，对基础的电路设计过程有了整体的认识。在设计过程中，由于面包板的接触问题或元件管脚的接触问题，很多看似完好的电路却不能实现具体功能，而在这个过程中，万用表的作用就很大了，它可以检测每条电路是否导通，而在每个部分板块后接指示灯是很有用的，为检查电路节省了很多功夫。实验的过程也是一学习的过程，面对一个个元件，它的引脚图功能表，在一次次的接线中了然于心。书本中的看似苦涩难懂的一些问题在动手操作中迎刃而解。而且记忆深刻。理论出于实践，在我们这门学科中也有很强的体现。在实际操作中会遇到很多的问题，而遇到问题，解决问题的过程中，我们在一点点的进步，着中进步不只是理论知识的进步更是思想上的进步，为以后的工作以及问题的处理有了很大的帮助。理论联系实际，是我这次课程设计的重要收获之一，理论只有付诸于实践时残能在其中看到智慧的火花。在这个过程中提高自己的动手能力和理论基础。必将是第一次完整的去做一个东西，实现一个功能，在设计的过程中遇到问题很多，可以说得是困难重重，但第一次去做，遇到问题是很正常，而在解决问题的过程中进步才是重中之重。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。以后应加强基础的学习，不能遇到问题就看是，要记住某些东西，只有记住了才是自己的。在这次的课程实际遇到很多很实际的问题，在老师的耐心讲解下，都一一解决了，而老师给我们提供的一些经验之谈更是让我们受益匪浅。在此，感谢于老师的耐心指导和同学的帮助。总而言之，本次实习我受益匪浅，并且各方面都有很大提高。通过本次实习我更加深刻理解到数字电路逻辑 与设计理论知识在实际中的作用是不可忽略的。而且实验设计中要有一定耐心，而且连接电路前先对电路进行简单布局，使电路的连接简单。连线尽可能规律、整齐。完成电路后发现问题时根据芯片的功能使用万用表测量，找出问题所在。八、参考文献1、数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路 第三版）王疏银 主编 高等教育出版社2、数字电路实验指导书（西安邮电电子工程学院）张亚婷 王利 杨乐 周丽娟 郭华编西安邮电学院 数字电路课程设计 成绩鉴定表学生姓名 汤奇班级/学号光电0904班/05094106承担任务实验室（单位）电路与电子技术基础教学部所在部门电子工程学院