简易交通信号灯(可交).doc

华北科技学院课程设计电子技术（数字）课程设计报告简易交通信号灯控制逻辑设计1、设计目的综合运用数字电子技术相关知识设计具有指定用途的数字电路，学会由分立器件与集成电路组成电子电路的方法。2、设计任务设计一种交通信号灯控制电路，主要技术指标与要求：（1）定时控制：主干道红灯15秒，支干道绿灯10秒；（2）每次由绿灯变红灯时，应有5秒黄灯作为过渡；（3）分别用红黄绿色发光二极管表示信号灯；（4）如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮；（5）设计计时显示电路。3、设计要求（1）合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图；（2）选择常用的电器元件（说明电器元件选择的过程和依据）； （3）对设计的电路进行仿真，验证各性能指标；（4）按照规范要求，按时提交课程设计报告，并完成答辩。4、参考资料（l）李立. 电工学实验指导. 北京：高等教育出版社，2005（2）高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2004（3）谢云等. 现代电子技术实践课程指导. 北京：机械工业出版社，20031目录1 设计方案的选择与论证(3)（1） 系统概述(3)（2） 交通灯逻辑分析及整体设计方案模块划分(3)（3） 方案论证及可行性分析(5)2 电路设计计算与分析(6)（1） 秒脉冲信号发生器(6)（2） 控制电路(8)（3） 定时器(11)（4） 显示电路(12)三.电路仿真及心得总结(15)四.附录(17)五.参考文献(18)2一.设计方案的选择与论证(1).系统概述本设计要求设计一个主干道红灯15秒、支干道绿灯10秒的交通灯控制系统，每次由绿灯变为红灯时应有5秒黄灯亮作为过渡，分别用红、黄、绿三色发光二极管表示信号灯，并用数码管显示倒计时。因此，本设计需要一个秒脉冲信号发生器、定时器、译码显示器和控制器。脉冲产生电路用以驱动倒计时电路，置数电路将交通灯亮时间预置到计数电路和寄存器中，控制器对信号灯的各种状态进行循环控制，定时器以基准时间秒为单位做倒计时，数码显示模块显示倒计时的时间，控制器对电路种的各个模块进行级联控制。系统由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器五大部分组成。其中定时器能向控制器发出三种定时信号，使相应的发光二极管发光。译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，分别产生三种倒计时时间显示，控制器根据定时器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。(2).交通灯逻辑分析及整体设计方案模块划分图1表示位于主干道和支干道的十字路口交通灯系统，每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。图1 交通灯系统整体设计框图3该图为交通灯的一个整体设计框图。系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器、信号灯显示器组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作，秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。 图中TL、TS、TY为定时器的输出信号，ST为控制器的输出信号。MG、MY、MR分别表示主干道绿、黄、红三色灯，NG、NY、NR分别表示支干道绿、黄、红三色灯。当某车道绿灯亮时，允许车辆通行，同时定时器开始计时，当达到指定时间时，TL输出为，否则TL输出为；当某车道黄灯亮后，定时器开始计时，当计时到秒时，TY输出为，否则TY；当某车道红灯亮时，定时器开始计时，当计时到指定时间时，TS输出为，否则TS。因此，用定时器分别产生三个时间间隔后，向控制器发出“时间已到”的信号，控制器根据定时器的信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制器发出状态转换信号ST，定时器开始清零，准备重新计时。交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用S0、S1、S2、S3表示。S0状态：主干道绿灯亮，支干道红灯亮，此时主干道允许车辆通行，支干道禁止车辆通行。当主干道绿灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S1状态：主干道黄灯亮，支干道红灯亮，此时主干道允许超过停车线的车辆继续通行，而未超过停车线的车辆禁止通行，支干道禁止车辆通行。当主干道黄灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S2状态：主干道红灯亮，支干道绿灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道允许车辆通行，当支干道绿灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S3状态：主干道红灯亮，支干道黄灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道允许超过停车线的车辆通行，而未超过停车线的车辆禁止通行。当主干道红灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个S0状态。S0、S1、S2、S3状态分别分配状态编码为00、01、11、10，由此得到控制器的状态，如表1所示。控制器状态信号灯状态车道运行状态 (00)主干道绿灯，支干道红灯主干道通行，支干道禁止通行 (01)主干道黄灯，支干道红灯主干道过线车通行，未过线车禁止通行，支干道禁止通行 (11)主干道红灯，支干道绿灯主干道禁止通行，支干道通行 (10)主干道红灯，支干道黄灯主干道禁止通行，支干道过线车通行，未过线车禁止通行表1 控制器的状态表(3).方案论证及可行性分析1.秒脉冲信号发生器方案一：用555定时器构成多谐振荡器方案二：用石英晶体多谐振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器。由于用秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度会影响计数器的精度，进而影响控制系统的精度，因此要求秒脉冲信号具有比较高的精度，为提高精度可先做一个频率比较高的矩形波振荡器，然后将其输出信号分频，就可以得到频率较低而精度比较高的脉冲信号发生器。555定时器构成多谐振荡器，构成方法简单，脉冲频率符合标准。石英晶体虽不需要外加输入信号，而且其脉冲频率很稳定，起振快、时基精度高，工作频率仅决定于石英晶体的振荡频率，而与电路中的R、C的数值无关但电路较为复杂，综上考虑，秒脉冲信号发生器的设计选用方案一。2.控制电路方案一：用译码器74LS138和D触发器实现，具体用四片74LS138芯片构成5线32线译码器，将各逻辑函数化为最小项后用与非门即可得到输出。不过用74LS138芯片构成5线32线译码器的过程比较繁琐，以上三个逻辑函数化为最小项后各有16项，做起来比较难，这会给作图带了比较大的麻烦。方案二：用四选一数据选择器和D触发器实现 。 由于方案一较为复杂，使用芯片较多，对系统延时较大，导致系统精度降低。所以综合考虑我们选用简单的方案二。3.定时器定时器由与系统秒脉冲同步的计数器74LS161构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST作用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供M5、M10、M15信号，即TY、TS、TL的时间信号。4.显示电路交通灯的数字显示采用倒计时，因而应采用减计数器。采用74LS192进行减计数，然后将输出接到七段数码显示数码管DCD _HEX译码器上。每个干道需要两位数字显示。二.电路设计计算与分析(1).秒脉冲信号发生器秒脉冲发生电路是由555定时器构成的多谐振荡器。因为控制系统是以秒作为单位，所以用秒脉冲发生器，又因为对信号的精度要求不高，故选用555定时器构成。TLC555QDR定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器周期计算：T1（R1R2）Cln2=0.7(R1R2）CT2=R2Cln2=0.7R2CT=T1+T2=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C555定时器组成的秒脉冲Cp的周期为1s，即T=1s，设置占空比为51%，所以可设置参数：R1=270 R2=72k C1=10uF C2=10nF图2 555引脚图图3 秒脉冲发生器线路图(2).控制电路控制电路由74LS138和74LS160，与门，非门，或门等共同组成.首先支干路在时钟信号作用下两个74LS192开始计数，当计数到99时通过与非门74LS20输出高电平到达计数器74LS160,160输出000通过译码器输出y0=0使红灯点亮，同时192被置数为15，192开始计数，当192再次计数为99时74LS20输出高电平到达计数器74LS160,160输出100通过译码器输出y1=0使绿灯点亮，同时192被置数位10，当192减计数为99时，74LS20输出高电平到达计数器74LS160,160输出010通过译码器输出y2=0使黄灯点亮，同时192被置数位5，因黄灯与脉冲信号相连所以会不停闪烁，当192再次变为99时会循环重复第一个过程循环往复。主干路与支干路基本相同只是从绿灯开始循环。 电路图如下图所示：图3 控制器电路图芯片74LS138介绍： 74LS138的管脚排列和真值表见下图。由真值表可知，4、5、6脚是控制脚，只有当6脚为高电平而4、5脚都为低电平时，74LS138才对1、2、3脚的输入进行译码，选择和从这三个管脚输入的三位二进制码相对应的某一个输出脚输出低电平，否则所有的输出脚都是输出高电平。8图4 74LS138管脚图图5 74LS138真值表芯片74LS160介绍：74160 是十进制计数器 ,也就是说它只能记十个数 ,从0000-1001（0-9） 到9 之后再来时钟就回到0,首先是clk这是时钟,之后是rco这是输出 ,MR是复位低电频有效（图上接线前面花圈的都是低电平有效）,load是置数信号 当他为低电平时在时钟作用下，读入D0到D3 。为了使161正常工作ENP和ENT接1 ，另外D0到D3是置数端Q0到Q3是输出端。图6 74LS160管脚图(3)定时器定时器由与系统秒脉冲同步的计数器74LS192构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST作用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供M15、M10、M5信号，即TS、TL、TY的时间信号。用74LS192可以级联，只需要2片即可向控制器提供M15、M10、M5的信号，倒计数可在数字显示电路中实现。74LS192芯片介绍：74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。(bcd,二进制)。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除,CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出,BO为借位输出： 图7 74LS192管脚图1图7 74LS192管脚图2CPUCPDRDLD工作状态XX00置数110加计数100减计数XXX1清零表2 74LS192功能表(4)显示电路交通灯的数字显示采用倒计时，因而应采用减计数器。采用74LS192进行减计数，然后将输出接到七段显示译码器上。每个干道需要两位数字显示，由于用减计数器，因而每个干道需要2片74LS192，由表可看出主干道74LS192 应该向七段显示译码器提供M45（S0状态）、M5（S1状态）、M30（S2、S3状态）的倒计数，而支干道74LS192应该向七段显示译码器提供M15（S0. S1状态）、M10（S2状态）、M5（S3状态）的倒计数。74LS192的RD、LD端由Q1、Q0来控制，根据S0S3状态改变Q1、Q0从而控制RD、LD端，使它们进行减计数和清零。CPD端输入秒脉冲信号，而CPU端输入高电平。图8 显示电路图(4)系统综述通过分析交通灯控制系统的要求可知，整个系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器构成。其中，秒脉冲信号发生器由555定时器构成；定时器由两片与系统秒脉冲同步的计数器74LS192构成；控制器由74LS138和74LS160，与门，非门，或门等共同组成驱动电路的工作。主控制器和定时计数器必须使用同一脉冲信号，译码电路输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作。控制电路是系统的主要部分，由它控制定时计数电路和译码驱动电路的工作能够实现交通灯四种状态的自动转换。图9 主干道电路图图10 支干道电路图13图11 总电路图14三.电路仿真图及总结及心得(1) 电路仿真图图12 状态图图13 状态图图14 仿真图(2)总结及心得 实验课、课程设计和毕业设计是大学阶段既互相联系有互有区别的三大实践性教学环节。课程设计课是针对某一门课程的要求，对学生进行综合性训练，培养学生运用课程中所学到的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题的能力。 通过实验课对电子元器件的认识与理解，创造性的应用于课程设计上来，培养和激发了我们的学习兴趣，提升了我们分析和解决问题的能力，通过写设计报告，我们学会了一般小论文的写作与布局方法，为以后的工作与写作打下了良好的基础。 本次课程设计我组选择的是简易交通信号控制灯的设计，我觉得该课题是有一定难度的，秒脉冲信号发生器和控制器的设计还相对简单，但是译码显示器和定时器的设计就有一定的难度了。关键是定时器的设计，要求它可以产生三种时间信号。另外译码显示器要在主干道和次干道上产生一共四个倒计时状态。所以在本课程设计时参阅了许多从图书馆借来的及网上资料。通过本次课程设计，得到了很多收获和体会。我认识到现阶段在课堂上从书本中学到的知识都是一些很基础的，学到的东西也比较有限，离具体的应用还有相当大的差距。在课程设计过程中，光有理论知识是不够的，还必须懂一些实践中的知识。同时有使我认识到了在专业课学习过程中存在的一些不足之处，例如，对某些不常用的芯片的功能作用并不是太熟悉，以至于在应用过程中还要翻阅课本或是与此相关的资料。但是本次课程设计却巩固和加深了我对电子线路基本知识和理解，提高了