交通灯控制逻辑

西安文理学院机械电子工程系 课程设计报告 专业班级 07 级电子信息工程 2 班 课 程 数字电路技术 题 目 交通控制逻辑电路 学 号 学生姓名 指导教师 2009 年 12 月 西安文理学院机械电子工程系 课程设计任务书 学生姓名 专业班级 07 级电子信息工程 学 号 指导教师 职 称 讲师 教研室 电信 课 程 数字电子技术 题目 交通控制逻辑电路 任务与要求 设计一个主 东西方向十字路口交通灯控制电路 并实现以下功能 1 十字路口东西南北方向各有红 黄 绿三色信号灯 其工作方式为 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 2 各方向 3 个灯的工作时序如下图所示 其中红灯亮的时间为绿灯和黄灯亮的时间 之和 黄灯是间歇闪烁 3 各方向利用数码管进行不同状态的倒计时显示 以便人们直观地把握时间 4 撰写课程设计报告 开始日期 2009 12 282009 12 28 完成日期 2010 1 82010 1 8 20092009 年年 1212 月月 2828 日 目录目录 设计目的设计目的 1 设计任务和要求设计任务和要求 1 总体设计方案总体设计方案 1 功能模块设计与分析功能模块设计与分析 2 电路的安装与调试电路的安装与调试 6 实验仪器及元器件清单实验仪器及元器件清单 7 心得体会心得体会 8 附录附录 系统电路图系统电路图 9 第 1 页 一 设计目的一 设计目的 1 掌握交通灯控制系统的原理与设计方法 2 掌握数字集成电路的设计和使用方法 3 通过完成该设计任务掌握实际问题的逻辑分析 学会对实际问题进行逻 辑状态分配 化简 4 掌握数字电路各部分电路与总体电路的设计 调试 模拟仿真方法 二 设计任务与要求二 设计任务与要求 1 1 设计要求设计要求 a 根据设计原理初步画出实验电路图 b 根据实验电路图在计算机上用Multisim仿真 找出初步设计电路的不足 加以改正和改进 c 根据改进实现后的电路图连接电路 实现设计 2 2 设计任务设计任务 a 东西方向车道和南北方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行 每次通 行时间都设为30秒 在绿灯转为红灯时 要求黄灯先闪烁5秒钟 才能变换运行 车道 黄灯亮时 要求每秒闪亮一次 b 东西方向 南北方向车道除了有红 黄 绿灯指示外 每一种灯亮的时 间都用数码管进行显示 采用倒计时的方法 三 总体设计方案三 总体设计方案 交通灯控制电路是由计数器 控制器 译码器组成的电路 实际交通灯的 信号变换是由传感器发出信号实现的 在课程设计中 用数据开关表示传感器 的信号 交通灯的系统控制框图如图1所示 秒脉冲发生器是该系统中计数器和控制器的标准时钟信号源 译码输出两 组信号灯地控制信号 经驱动电路后驱动信号灯工作 控制器系统的主要部分 由它控制计数器和译码器的工作 G Y R分别表示绿 黄 红三色灯 可用电平显示模拟 控制要求是 红灯时 车辆停止 其时间为T1 在每次由绿灯亮转换到红灯亮时 要经过黄 灯亮的T2时间 现设 T1为30s T3时间为5s 第 2 页 图图1 交通灯的系统控制框图交通灯的系统控制框图 四四 功能模块设计与分析功能模块设计与分析 1 控制器 控制器 控制器是交通管理的核心 它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作 状态的转换 交通灯的主控电路是一个时序电路 它的输入信号来自30秒和5秒两个定时 信号 它的输出一方面经译码后分别控制三个信号灯 另一方面控制定时电路 启动 由于主控电路属于时序逻辑电路 可以采用状态机的方法进行设计 交通灯的运行状态共有四种 分别为绿灯点亮 绿灯持续点亮黄灯闪烁 红灯点亮 红灯持续点亮黄灯闪烁 绿灯点亮周期为30秒 其中倒数5秒黄灯同 时闪烁 一周期结束 黄绿灯熄灭 红灯点亮 周期30秒 倒数5秒黄灯同时闪 烁 周而复始 交通灯电路的具体运行状态框图如图2所示 图图 2 交通灯运行状态交通灯运行状态 第 3 页 以上运行状态要求主控制器电路要有4种状态 设这4种状态依次设置为 S0 S1 S2和S3 其中S0 00 S1 01 S2 10 S3 11 HG 1 表示南北方向绿灯亮 HG 0 表示南北方向绿灯灭 FG 1 表示东西方向绿灯亮 FG 0 表示东西 方向绿灯灭 HY 1 表示南北方向黄灯亮 HY 0 表示南北方向黄灯灭 FY 1 表示东西方向黄灯亮 FY 0 表示东西方向黄灯灭 HR 1 表示南北 方向红灯亮 HR 0 表示南北方向红灯灭 FR 1 表示东西方向红灯亮 FR 0 表示东西方向红灯灭 为了实现这4个状态的电路 我们用74LS190十进制计数器实现 采用反馈 归零法构成四进制计数器 即可从输出端QBQA得到所要求的4种状态 原理图 如图4所示 为以后表达方便 设X1 QB X0 QA 2 计数器 计数器 1 计数器由与系统脉冲同步的减法计数器构成 从系统脉冲得到标准的1Hz 频率信号 当脉冲上升沿到来时 在控制信号作用下 计数器从17开始减法计 数 直至减为0 这样可以显示18秒的时间 如此类推 也可以提供M15 M3 分别显示15秒 3秒的亮灯信号 设计中18秒计数器可以采用两个74LS190级联成十八进制计数器 使复零 信号有足够的宽度 可采用基本的门电路与计数器组成反馈复零电路 按同样 的方法可以设计出15秒 3秒计时电路 与18秒计时电路相比较 后两者只是控 制信号和反馈信号的引出端不同而已 计数器有两个作用 一是根据表1中南北方向和东西方向车辆运行时间及黄 灯切换时间的要求 进行15秒和3秒两种方式计数 二是向主控器发出状态转换 信号 主控制器根据状态转换信号进行转态转换 计数器除需要秒脉冲作时钟 信号外 还应受到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15秒计数 15 秒后产生归零脉冲 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3秒计数 3秒后产生归零脉冲 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S2 计数器又开始15秒计数 15秒后也产生归零脉冲 并向主控制器发出状态转换信号 使计数器归零 主 第 4 页 控制器进入状态S3 计数器又开始3秒计数 3秒后又产生归零脉冲 并向主控 制器发出状态转换信号 使计数器归零 主控制器回到状态S0 开始新一轮的 循环 考虑到主控制器的状态转换位下降沿触发将计数器的归零信号取反后送到 主控制器的CP端作为主控制器的状态转换信号 3 数码管显示器 数码管显示器 采用七段共阴极数码管作为倒计时显示 数码管显示 74LS190 计数器的输出值 为了使显示十位数的数码管为零时显示 必须将十位数码管驱动的接高电平 LT 悬空 接地 而另一个驱动上述管脚全部接高电平 BI RBORBI 4 信号灯控制电路 信号灯控制电路 1 信号灯控制电路 主控器的四种状态分别要控制红绿灯亮灭和黄灯闪烁 令灯亮为 1 灯灭 为 0 则信号灯译码电路真值表为 表表 2 信号灯译码电路真值表信号灯译码电路真值表 主控制信号主控制信号各灯显示各灯显示 X1 X0红灯红灯 R 黄灯黄灯 Y 绿灯绿灯 G S0 S1 S2 S3 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 由真值表可以分别写出各个灯的逻辑表达式 R S2 S3 Y S1 G S0 2 该电路是由 74LS76 JK 触发器控制各个灯的工作 由 74LS32 74LS08 74LS02 74LS03 74LS04 与 74LS76 组成控制黄灯电路 使得黄灯在最后五秒闪烁 而 74LS76 的 3 脚接十位 74LS190 的 LOAD 脚 使 得红灯与绿灯在每次计数开始时交替变换 达到控制各个灯工作的效果 五 电路的安装与调试五 电路的安装与调试 第 5 页 在电路安装的过程中 可以说真的遇到很多问题 首先 在安装的时候 刚开始的时候 我们没有分模块来安装 而是将其整 体的连到了一起 结果 整个电路一点反应也没有 在后来的时候 经过我们 组的成员一起讨论后 决定像我们仿真的时候一样 分模块来组装 最开始 我们先组装的是红绿灯的译码部分 电路真的很简单 而且线路 也不是很多很快就连成了 但是 在最初的时候只有一个红灯亮 其它的没有 反应 我们以为是电路连错了 在后来无意中才发现是由于 74LS90 的芯片没 有插紧 将其固定后 电路正常工作 其次 就是数码显示管出现乱码 如果将其安装在实验箱上就能正常工作 我们猜测 一定是 74LS248 译码器的问题 然后 我们对其进行测试 发现我们 用的是共阳极的 跟我们所用的 74LS190 的芯片不符合 然后 我们将其改成 了共阴极的 数码管就正常显示了 在整体对电路进行演示时 发现黄灯没有间接闪烁 不符合实验的要求 在检查时发现 是由于黄灯少接了脉冲 因此 才不能间接闪烁 我们又加了 两个与门 然后将其与脉冲相连 黄灯间歇闪烁 满足设计的要求 六 实验仪器及元器件清单六 实验仪器及元器件清单 1 实验仪器 实验仪器 实验仪器实验仪器台数台数 万用表1 台 面包板1 块 数字模拟电路实验箱1 个 剥线钳1 把 PC 机1 台 导线若干 2 元件清单 元件清单 元件清单元件清单个数个数 74LS1902 74LS761 第 6 页 74LS023 74LS031 74ls041 74LS081 74LS321 LED 电平显示3 七 心得体会七 心得体会 这次课程设计虽然只有两周 但收获还是很大的 从一开始的无从下手到慢 慢理出头绪 再到后来的动手操作 我们都获益匪浅 通过这次课程设计 加强了我们动手 思考和解决问题的能力 做课程设计 同时也是对课本知识的巩固和加强 在再连接电路时 我发现细心耐心和恒心 一定会做好事情 线的布局上既要美观又要实用和走线简单 兼顾到方方面面 去考虑是很需要的 另外 在连图是一定要眼手并用 要看清每条线路的连接 同时 为了方便检查 线路要用不同颜色的线连接 经过两个星期的实习 过程曲折可谓一语难尽 在此期间我们也失落过 也曾一度热情高涨 从开始时满盛激情到后来汗水背后的复杂心情 点点滴滴 无不令我回味无长 生活就是这样 汗水预示着结果也见证着收获 在此期间 我们收获的不仅仅是为掌握的知识与实践的能力 而且 更多的是懂得了团队 协作的重要性 团队成员间相互帮助 配合默契 同时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 团结协作是我 们实习成功的一项非常重要的保证 而这次实习也正好锻炼我们这一点 这也 是非常宝贵