基于中小规模集成电路的数字交通灯的设计

第0页共16页摘要随着微电子技术和集成电路的发展，数字电路和数字科技得到飞速发展，几乎遍及方方面面。数字电路不仅能进行数值运算，进行逻辑判断和运算，而且工作可靠性高，抗干扰性强，所以本次设计采用数字电路。现在化的大城市交通越来越繁忙，交通灯的出现极大地缓解了交通压力。交通灯的设计比较实用，易于理解。结合制作交通灯的一般原理，再在本次试验设计要求的框架，充分发挥自己的想象，设计出自己的方案：一种简单的交通灯的模型。关键词交通灯；交通控制；数字化目录摘要1第1章绪论2第2章总体方案设计3第3章单元电路的设计43.1倒计时计数器43.2信号灯转换器63.3黄灯闪烁控制9第4章仿真过程与效果分析10总结12致谢14参考文献15附录系统总体电路图16第1页共16页第1章绪论随着社会经济的发展，人口和汽车急剧增长，城市交通问题越来越引起人们的关注。特别是许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，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。交通灯作为指挥工具，对维持路面状况的稳定，保证车辆的畅通起到了很大的作用。尽管如此，交通问题仍然存在，如何妥善解决交通问题，寻求人、车、路三者协调，以成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。另一方面，自20世纪90年代，随着微电子技术和集成电路的发展，数字电路和数字科技得到飞快发展，在电子计算机、通信、自动控制、电子测量、雷达、导航、工业交通等方面得到广泛的应用。随着计算机通信网、各种数据网、电子商务网、金融网络、数字语音和图像网络的开通，数字技术已渗透到国民经济的各个领域和人民生活的方方面面。数字化已成为衡量一个国家的经济发展水平和人民生活的一个重要标志。值得一提的是，为迎接2008年北京奥运会，欢迎世界各地得人来华观赛，北京市投入大量资金建立了大量的交通灯以维持路面的顺畅。由此可见，交通灯的普遍和实用性。交通灯的设计与制造，贴近我们的日常生活，这样易于我们接受，同时需要运用了数字电路得知识，于现代社会科技相接轨，一举两得。第2页共16页第2章总体方案设计交通灯控制系统的原理框图如图2-1所示。整个系统可以分为4个模块，秒脉冲信号发生器、倒计时计数电路、信号灯转换器和信号显示器组成。秒脉冲信号发生器是该系统中倒计时计数电路和黄灯闪烁控制电路的标准时钟信号源，倒计时计数器输出两组驱动信号T5和T0，经信号灯转换器控制信号灯工作，倒计时计数电路是系统的主要部分，由它控制信号灯转换器的工作。图2-1交通灯控制系统原理框图根据系统框图分析数字交通灯的几个模块：秒脉冲选用74190芯片产生秒脉（频率为1Hz）。倒计时计数器中的显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值，而计数器选用集成电路74190进行设计从而实现其计数功能。信号灯转换器的设计可以采用集成计数器74163，也可以采用JK触发器组成。然而无论从原理还是从接法画线上，采用JK触发器组成的信号灯转换器都是比较简单易懂，工作效率高，而且不容易出错。第3页共16页第3章单元电路的设计3.1倒计时计数器十字路口要有数字显示，作为倒计时提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1，计数方式工作，直至减到数为“5”和“0”，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。在倒计时过程中计数器还向译码器提供模5的定时信号T5和模0的定时信号T0。倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。计数器选用集成电路74190进行设计较简便。74190是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能、保持功能。74190没有专用的清零输入端，但可以借助QA、QB、QC、QD的输出数据间接实现清零功能。表3-174190的状态表CTEND/UCLKLOADABCDQAQBQCQD0XX0XXXXABCD01POS1XXXXCountDown00POS1XXXXCountUp1XXXXXXXQa0Qb0Qc0Qd0第4页共16页图3-1两个74190芯片级联成的计数器现选用两个74190芯片级联成一个从99倒计到00的计数器，其中作为个位数的74190芯片的CLK接秒脉冲发生器（频率为1），再把个位数74190芯片输出端的QA、QD用一个与门连起来，再接在十位数74190芯片的CLK端。当个位数减到0时，再减1就会变成9，0（0000）和9（1001）之间的QA、QD同时由0变为1，把QA、QD与起来接在十位数的CLK端，此时会给十位数74190芯片一个脉冲数字减1，相当于借位。具体连接方法如图3-1所示。信号LD由两个芯片的8个输出端用或门连起来，决定倒计时是置数，还是计数。工作开始时，LD为0，计数器预置数，置完数后，LD变为1，计数器开始倒计时。当倒计时减到数00时，LD又变为0，计数器又预置数，之后又倒计时，如此循环下去。图3-2预置数（即车的通行时间）功能第5页共16页预置数（即车的通行时间）功能：如图3-2所示，8个开关分别接十位数74190芯片的D、C、B、A端和个位数74190芯片的D、C、B、A端。预置数的范围为698。假如把通行时间设为45秒，就像图3-1的接法，A接0，B接1，C接0，D接0，E接0，F接1，G接0，H接1。（接电源相当于接1，悬空相当于接0）图3-3定时信号的具体连接方法向译码器提供模5的定时信号T5和模0的定时信号T0：T0表示倒计时减到数“00”（也即绿灯的预置时间，因为到00时，计数器重新置数），T0=1，此时T0给译码器一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。接法为：把两个74190计数器的8个输出端用一个或非门连起来。T5表示倒计时减到数“05”时。T5=1，此时T5给译码器一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯的变为黄灯，红灯的不变。接法为：当减到数为“05”（00000101）时，把十位计数器的输出端QA、QB、QC、QD连同个位计数器的输出端QB、QD用一个或非门连起来，再把这个或非门与个位计数器的输出端QA、QC用一个与门连接起来。具体连接方法如图3-3所示。3.2信号灯转换器两方向车道的交通灯的运行状态共有4种(因人行道的交通灯和车道的交通灯是同步的,所以暂时先不考虑)，如图3-4所示。第6页共16页图3-4两方向车道的交通灯的运行状态信号灯状态与车道运行状态如下：S0：东西方向车道的绿灯亮，车道通行，人行道禁止通行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行，人行道通行S1：东西方向车道的黄灯亮，车道缓行，人行道禁止通行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行，人行道通行S2：东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行，人行道通行；南北方向车道的绿灯亮，车道通行，人行道禁止通行S3：东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行，人行道通行；南北方向车道的黄灯亮，车道缓行，人行道禁止通行Ga=1：东西方向车道绿灯亮Ya=1：东西方向车道黄灯亮Ra=1：东西方向车道红灯亮，人行道绿灯亮；南北方向人行道红灯亮Gb=1：南北方向车道绿灯亮Yb=1：南北方向车道黄灯亮第7页共16页Rb=1：南北方向车道红灯亮，人行道绿灯亮；东西方向人行道红灯亮信号灯转换器方案一：若选集成计数器74163，74163是一个具有同步清零、同步置数、可保持状态不变的4位二进制同步加法计数器。表3-2是它的状态表。表3-274163的状态表CLRLOADENPENTCLKABDCQAQBQCQD0XXXXXXXX00001000POSXXXXABCD1111POSXXXXCount111XXXXXXQA0QB0QC0QD011X1XXXXXQA0QB0QC0QD0设状态编码为：S0=0000S1=0001S2=0010S3=0011，则其状态表为：表3-3状态编码与信号灯关系表QDQCQBQAGaYaRaGbYbRb0000100001000101000100100011000011001010电路接法如下：图3-5由74163组成的信号灯转换器信号灯转换器方案二：若选JK触发器，设状态编码为：S0=00S1=01S2=11S3=10，其输出为Q1Q0，则其状态表为：第8页共16页表3-4状态编码与信号灯关系表现态次态输出Q1nQ0nQ1n+1Q0n+1GaYaRaGbYbRb0001100001011101000111100011001000001010电路接法如下：图3-6由JK触发器组成的信号灯转换器对方案一和方案二进行比较，发现方案二无论是从原理还是从接法画线上，都是比较简单易懂，工作效率高，而且不容易出错。故信号灯转换器选择方案二的接法，即用JK触发器进行信号灯的转换。3.3黄灯闪烁控制要求黄灯每秒闪一次，即黄灯0.5秒亮，0.5秒灭，故用一个频率为2的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连进来，再接到黄灯。第9页共16页第4章仿真过程与效果分析根据题目的要求，整个交通灯控制系统需要有4个时间显示器，10个交通灯。但由于4个时间显示器是由同一个倒计时计数器控制，所以我在设计图3-7电路的过程中，为了简化电路使画图看起来更加清晰，就只接了1个时间显示器。另外由于人行道的红绿灯跟车道的红绿灯是同步的，分别是：东西方向人行道的绿灯接车道的红灯，红灯接南北方向车道的红灯；南北方向人行道的绿灯接车道的红灯，红灯接东西方向车道的红灯。所以在图3-7电路中就只接了6个灯。为了使电路更加直观，我把计数器、信号灯灯转换器等放在一个名为main的子电路中。然后再在子电路外面接输入端和输出端。具体如图3-8所示。图3-8仿真电路图点击启动按钮，然后再打开总开关，便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为45秒，打开总开关，东西方向车道的绿灯亮，人行道的红灯亮；第10页共16页南北方向车道的红灯亮，人行道的绿灯亮。时间显示器从预置的45秒，以每秒减1，减到数5时，东西方向车道的绿灯转换为黄灯，而且黄灯每秒闪一次，其余灯都不变。减到数1时，1秒后显示器又转换成预置的45秒，东西方向车道的黄灯转换为红灯，人行道的红灯转换为绿灯；南北方向车道的红灯转换为绿灯，人行道的绿灯转换为红灯。如此循环下去。修改通车时间为其它的值再进行仿真（时间范围为698秒），效果同上面所说的一样，总开关一打开，东西方向车道的绿灯亮，时间倒计数5，车灯进行一次转换，到0秒时又进行转换，而且时间重置为预置的数值，如此循环。第11页共16页总结通过这次毕业设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我总共想过两个方案，另一个方案弄了两天，结果总是实现不了题目的要求。所以我又花了一天的时间做出这个方案，这个相对另一个方案比较简单，包括电路原理和连接，和芯片上的选择。这个方案总共只用了四个芯片，分别为2个74190计数器，2个JK触发器。在设计过程，经常会遇到这样的情况，就是心里老想着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了。所以这几天不管是吃饭还是睡觉，脑子里总是想着如何解决这些问题，如何想出更好的连接方法。不过说也奇怪，整天想着这些问题，脑子和身体却一点都不会觉得累。或许是那种渴望得到知识的欲念把疲劳赶到九霄云外去了吧！我沉着做毕业设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完毕业设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。故一个小小的毕业设计，对我们的作用是如此之大。经过三个多月的努力，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。从开始时满富盛激情到最后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。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会。我想说，确实很累，但当我看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋；正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执第12页共16页着的走下去。某个人的离群都可能导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们设计成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！通过这次毕业设计使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，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，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问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，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。这次毕业设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！此次毕业设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。在此，感谢潘锋老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！第13页共16页致谢经过近三个多月的毕业设计，在潘锋老师的指导下本人顺利完成了此次毕业设计，通过这次设计使本人受益匪浅。本设计中包括了秒脉冲信号发生器、倒计时计数电路、信号灯转换器和信号显示器四部分组成。数字电路、电子技术、EDA技术等多领域知识这次设计是对大学两年来的学习知识系统化、深层次化，得以灵活的应用。通过这次设计学