交通信号灯课程设计

课程设计说明书课程设计说明书 1 1 引言 1 1 设计背景 随着世界范围内城市化和机动化进程的加快 城市交通越来越成为一个全 球化的问题 城市交通基础设施供给滞后于高速机动化增长需求 道路堵塞日 趋加重 交通事故频繁 环境污染加剧等问题普遍存在 目前 全国大中城市 普遍存在着道路拥挤 车辆堵塞 交通秩序混乱的现象 交通事故频发 这给 人民的生命财产安全带来了极大的损失 如何解决城市交通问题已成为全社会 关注的焦点和大众的迫切呼声 探究城市交通发展中存在问题的原因 无论是 从宏观上还是从微观上分析 其根本原因在于城市交通系统的管理机制不适应 城市交通控制系统 UTC Urban Traffic Control System 是现代城市智能 交通系统 IDJ Intelligent transport system 的组成之一 主要用于城市道路 交通的控制与管理 城市平交路口实现交通信号控制是城市交通管理现代化的 基本标志之一 是提高交通管理效能的重要技术手段 路口信号控制器是控制 交叉路口交通信号的设备 它是交通信号控制的重要组成部分 各种交通控制 方案 最终都要由路口信号控制器来实现 为了确保十字路口的行人和车辆顺 利 畅通地通过 往往采用电子控制的交通信号来进行指挥 伴随着社会的发展 以及人类生活水平的提高 汽车的数量在不断增加 Multisim10 是一款知名的 EDA 仿真软件 由加拿大 IIT 公司于 2007 年推 出最新版本 在 Windows 环境下 Multisim10 软件有一个完整的集成化设计环 境 它将原理图的创建 电路的测试分析 结的图表显示等全部集成到同一个 电路窗口中 在搭建实际电路之前 采用 Multisim10 仿真软件进行虚拟测试 可使实验方法和实验手段现代化 扩展实验容量 使实验内容更完备 提高了 实验效率 节省大量的实验资源 Multisim10 软件进行设计仿真分析的基本步 骤为 设计创建仿真电路原理图 电路图选项的设置 使用仿真仪器 设定仿 真分析方法 启动 Multisim10 仿真 因此本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理 更好的掌握所学知识 将理论联系实际 而且在实际操作中培养自己的实际动手能力 将理论应用与 实际生活中 1 2 设计目的 学习了一个学期的 数字电子技术 课程 这次的课程设计主要综合了解 与运用所学的知识 通过这次课程设计来检查这一学期的学习状况 通过制作 来了解交通灯控制系统 了解译码器 计数器 寄存器芯片的作用 课程设计说明书课程设计说明书 2 交通灯控制系统主要是实现城市交叉路口红绿灯的控制 在现代化的大城 市中 十字交叉路口越来越多 在每一个交叉路口都需要有一个准确的时间间 隔和转换顺序 这就需要一个安全 自动的系统对红 黄 绿的转化进行管理 本次的设计就是基于此目的进行的 设计交通信号控制灯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 南北东西各方向黄灯亮 且每秒闪动一次 其它灯不 亮 要求设置手动开关 用手动开关控制白天和夜间工作方式 课程设计说明书课程设计说明书 3 2 系统总体的方案及设计要求 2 1 设计题目 交通灯逻辑信号灯简易电路设计 2 2 设计要求 要求实现逻辑功能 1 东西方向绿灯亮 南北方向红灯亮 时间 20s 2 东西方向红灯亮 南北方向黄灯亮 时间 4s 3 南北方向绿灯亮 东西方向红灯亮 时间 20s 4 发生紧急情况可以手动控制 2 3 进度安排 1 查找常用器件的资料 表 2 1 常用器件的资料 型号中文名称 74LS74N双 D 触发器 74LS10N 三输入与非门 74LS00N 二输入与非门 74132N 或门 74LS192N 十进制减法计数器 74LS08N 与门 74LS161N 十六进制计数器 74LS04D 非门 DCD HEX 数字显示器 555 VIRTUA L Time 555 定时器 74LS27D 或非门 74LS27D 三输入或非门 2 设计仿真电路并得到仿真结果 3 2012 07 06 完成课程设计说明书 课程设计说明书课程设计说明书 第 4 页 共 18 页 3 简易交通灯控制逻辑电路设计 3 1 主电路状态与指示灯状态转换 表 3 1 主电路状态与指示灯状态转换 主电路主电路 状态状态 S1RS1RS1GS1GS2YS2YS3RS3RS3GS3G S111000 S200100 S300011 S410010 灯数南北 R 2东西 G 2东南西北 Y 4 东西 R 2南北 G 2 根据表 3 1 可知 设计电路只需要 5 组输出端控制指示灯 指示灯都是以 2 个 或 4 个一组 总计需要个灯 1234 3 3 输出指示灯状态设计 显示电路 课程设计说明书课程设计说明书 第 5 页 共 18 页 X1 2 5 V X2 2 5 V X3 2 5 V U16A 74LS08N X4 2 5 V X5 2 5 V X6 2 5 V U21 DCD HEX U24 DCD HEX U30A 74LS32N U31A 74LS32N U33A 74LS32N U35A 74LS08N U36A 74LS08N J1 Key Space U37A 74LS32N U38A 74LS32N 43 54 53 51 40 X7 2 5 V X8 2 5 V X9 2 5 V X10 2 5 V X11 2 5 V X12 2 5 V U42 DCD HEX U43 DCD HEX U44 DCD HEX U45 DCD HEX U46 DCD HEX U47 DCD HEX 6129 30 31 2526 2728 J4 Key Space J5 Key Space 49 46 44 J6 Key Space 60 6 J7 Key Space 13 52 32 图 3 1 显示电路 R 红 Y 绿 G 黄 课程设计说明书课程设计说明书 第 6 页 共 18 页 4 主电路设计 4 1 电路状态转换 主电路实现 S1 S2 S3 状态的转换 红灯 绿灯 黄灯 红灯 另外可以在任何一个状态进入 S4 并能恢复正常工作状态 实现 可以用触发器 实现 S1 20S S2 4S S3 20S 4 2 电路的调试 1 夜晚和白天工作是通过 J1 J4 J5 J6 调试的 J6 Key Space J7 Key Space J4 Key Space J5 Key Space 图 4 1 单刀双掷开关 J4 上拉 夜间工作状态 下拉 白天工作 J5 上拉 白天工作状态 J6 左拉 夜 间工作状态 右拉 白天工作状态 J7 左拉 夜间工作状态 右拉 白天工作状 态 2 使用 2 个 D 触发器 实现 4 分频 U1A 74LS74N 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 U2A 74LS74N 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 48 4750 图 4 2 四分频分频器 3 脉冲发生器 多谐振荡器 课程设计说明书课程设计说明书 第 7 页 共 18 页 555 VIRTUAL Timer GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 800k R1 600k R2 100 Rl 10nF C 10nF Cf 5V Vs VDD 0 23 22 21 图 4 3 555 定时器组成的多谐振荡器 课程设计说明书课程设计说明书 第 8 页 共 18 页 5 电路工作原理及元器件 5 1 74LS161N 状态装换表 表 5 1 74LS161N 状态转换表 74LS161Q1Q2Q3Q4 0000 0001 0011 0100 0101 0110 1000 1001 1010 111 1100 1101 5 2 主要芯片及功能 5 2 1 74LS161 管脚图及功能 图 5 1 74lsLS161 管脚图 课程设计说明书课程设计说明书 第 9 页 共 18 页 时钟 CP 和四个数据输入端 P0 P3 清零 MR 使能 CEP CET 置数 PE 数据输出端 Q0 Q3 以及进位输出 TC TC Q0 Q1 Q2 Q3 CET 表 5 2 74ls 功能表 输 入输 出 CR CP LD EPET D3D2D1D0Q3 Q2Q1Q0 0 0000 1 0 dcbadcba 1 10 Q3 Q2Q1Q0 1 1 0 Q3 Q2Q1Q0 1 111 状态码加 1 从 74LS161 功能表功能表中可以知道 当清零端 CR 0 计数器输出 Q3 Q2 Q1 Q0 立即为全 0 这个时候为异步复位功能 当 CR 1 且 LD 0 时 在 CP 信号上升沿作用后 74LS161 输出端 Q3 Q2 Q1 Q0 的状态分别与并 行数据输入端 D3 D2 D1 D0 的状态一样 为同步置数功能 而只有当 CR LD EP ET 1 CP 脉冲上升沿作用后 计数器加 1 74LS161 还有一个进位 输出端 CO 其逻辑关系是 CO Q0 Q1 Q2 Q3 CET 合理应用计数器的清零功 能和置数功能 一片 74LS161 可以组成 16 进制以下的任意进制计数器 5 2 2 74LS192 功能表 课程设计说明书课程设计说明书 第 10 页 共 18 页 U27 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 表 5 3 74LS192 的功能表 输入输出 MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1 0000 00 dcbadcba 01 1 加计数 011 减计数 5 2 3 555 定时器结构图及功能表 当 uil 2 3 Vcc ui2 1 3 Vcc 时 放电晶体管 VT 导通 输出端 uo 为低电平 当 uil 2 3 Vcc ui2 1 3 Vcc 时 电路亦保持原状态不变 如果在电压控制端 5 脚 施加一个外加 电压 其值在 0 Vcc 之间 比较器的参考电压将发生 变化 电路相应的阈值 触发电平也将随之变化 进而影响电路的工作状态 表 5 3 555 定时器功能表 课程设计说明书课程设计说明书 第 11 页 共 18 页 图 5 3 555 定时器内部结构及逻辑符号 5 2 4 其它芯片符号 U1A 74LS132N U2A 74LS00N U3A 74LS04D U4A 74LS74N 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 图 5 474132N 7400N 7474N 芯片符号 5 3 电路元件 课程设计说明书课程设计说明书 第 12 页 共 18 页 J1 Key Space C1 10nF R1 47k 单刀双掷开关 电容 电阻 U1 DCD HEX DIG RED U2 DCD HEX DIG RED 数字显示器 X1 2 5 V 交通灯分为绿 黄 红 图 5 5 电路元件图 5 4 总仿真电路图 课程设计说明书课程设计说明书 第 13 页 共 18 页 U1A 74LS74N 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 U2A 74LS74N 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 U3 74LS161N QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 VCC 12V VCC 12V U4A 74LS10N X1 2 5 V X2 2 5 V X3 2 5 V U8B 74LS32N U5B 74LS32N U6A 74LS00N U7B 74LS32N U9B 74LS32N U11A 74LS04D U10A 74LS04D U16A 74LS08N U12A 74LS08N U23A 74LS21N U13A 74LS04D X4 2 5 V X5 2 5 V X6 2 5 V U25B 74LS32N U14A 74LS27D U15A 74LS04D U17A 74LS00N U18A 74LS21N U19A 74LS04D U20B 74LS32N U22A 74LS08N U21 DCD HEX U24 DCD HEX 555 VIRTUAL Timer GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 590k R1 620k R2 100 Rl 10nF C 10nF Cf 5V Vs U26 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U27 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U28A 74LS32N U29A 74LS32N U30A 74LS32N U31A 74LS32N U32A 74LS32N U33A 74LS32N U34A 74LS32N U35A 74LS08N U36A 74LS08N J1 Key Space U37A 74LS32N U38A 74LS32N 43 54 53 51 48 47 41 40 VCC 0 39 3837 36 35 34 33 VDD 24 0 23 22 21 20 2 3 10 7 19 18 17 1615 14 12 11 9 8 5 4 1 0 VCC X7 2 5 V X8 2 5 V X9 2 5 V X10 2 5 V X11 2 5 V X12 2 5 V U42 DCD HEX U43 DCD HEX U44 DCD HEX U45 DCD HEX U46 DCD HEX U47 DCD HEX 6129 30 31 2526 2728 J4 Key Space J5 Key Space 49 46 45 44 J6 Key Space 60 6 J7 Key Space 62 50 63 13 52 42 32 图 5 6 总仿真电路图 课程设计说明书课程设计说明书 第 14 页 共 18 页 6 仿真技巧 仿真过程中遇到了很多的问题 在遇到问题后根据除出现的情况按照逻辑 表进行调整 使用 Multisim 的一些技术或仿真中的事项标记如下 1 单刀双掷开关 2 Multisim 中有红绿黄三种颜色的灯 红绿灯需要红绿黄三色 3 接线问题 开关的上下接入电路要认识它的原理及功用 当且仅当元件 结点不移动的情况下 连线不移动 新接连线会自动调整可用 鼠标移动到线上拖动 若线上出现小方框 说明线太密 不能移动 4 元器件的找寻可以按类别查找 5 不要长时间使软件处于仿真状态 以免死机删除元件 仪器 连线等 一定 要在断开仿真开关的情况下进行注意数字地与模拟地的差别 使用标准符号 LED 数码管的极性分模块调试 最后综合调试 课程设计说明书课程设计说明书 第 15 页 共 18 页 7 结论与心得 一周的实习就是将从课本上的知识应用于实践中 数字电路设计就是很好 的实践 在简易交通灯控制系统设计中 充分的体现了动手能力和对课本知识 的掌握程度 以及一些方法 分析问题解决问题的 这其中遇到了很多问题 如 如何设计单脉冲的产生电路 通过查阅课本及相关资料 选用了 RS 触发 器 实习中更是将各个芯片的功能状态系统的学习了一遍 熟练的用它们实现 所需的功能 这次课程设计让我懂得了理论与实际相结合是很重要的 只有理 论知识是远远不够的 还要把所学的理论知识与实践相结合起来 从理论中得 出结论 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力 在设计的过程中遇 到的问题 可以说是困难重重 这毕竟第一次做 难免会遇到过各种各样的问 题 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 不过在所遇的问题处理过程中有成功也有失败 但这却实加强了自己的动手能力 最终我还是体会到了成功的喜悦 课程设计说明书课程设计说明书 第 16 页 共 18 页 8 Multisim10 简介 8 1 软件概述 Multisim 10 是一款知名的 EDA 仿真软件 由加拿大 IIT 公司于 2007 年推 出最新版本 在 Windows 环境下 Multisim 10 软件有一个完整的集成化设计环 境 它将原理图的创建 电路的测试分析 结的图表显示等全部集成到同一个 电路窗口中 在搭建实际电路之前 采用 Mu