交通信号灯控制器

精品文档 1欢迎下载 电子技术电子技术 课程设计报告课程设计报告 题 目 简易交通信号灯控制器 学院 部 电子与控制工程学院 专 业 电子科学与技术 班 级 学生姓名 学 号 3205070122 12 月 14 日至 12 月 23 日 共 2 周 指导教师 签字 精品文档 2欢迎下载 前言前言 电子技术课程设计 是电子技术课程的实践性环节 进行自主选题和 设计 本设计课题为简易交通信号灯控制器 通过采用数字电路对交通灯 控制电路的设计 提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组 红 黄 绿交通灯的状态转换的方法 指挥各种车辆和行人安全通行 实现 十字路口交通管理的自动化 本设计分为两个部分 第一部分是由定时器 时钟脉冲驱动和控制器 组成的秒脉冲信号发生装置 第二部分是由译码器 发光二极管和数码管 组成的交通信号灯以及时间显示装置 各部分采用分模块设计 正文中详 细介绍了各模块的功能和原理 为完成本次设计 参阅了大量资料 包括所用到芯片的详细中英文资 料 搜集和查阅资料时一个漫长但最重要的过程 获取个模块电路原理 然后经过讨论比较 结合课题要求 确定出一套最适合的方案 小组人员 花费几天时间 通过图书馆和上网查阅资料 分别查阅到相应资料 经过 商讨 结合现有资料 制定基本框架 并基本定出电路图 在 MULTISIM 软 件里进行电路仿真 来验证电路的正确性 在进行电路仿真过程中碰到了 很多问题 往往一开始电路仿真不出结果 这就需要找出问题所在 一般 是先看电路原理图是否正确 是否画正确了 如果不是这块问题的话 就 需要改变元件参数试一试 在这个过程中 还会碰到元件库里找不到自己 要用的元件的情况 这个时侯可以找替代元件 通过这种方法来验证实验 原理和电路的正确性 过程中 充分发挥主观能动性 将平时所学的理论 知识和实际相结合 往往理论可行的东西 实际并不一定能出结果 这就 需要解决问题 通过问老师或者查阅资料和分析问题来进行解决 经过以 上各步工作 基本完成本次设计 本设计分为的两大部分 交通信号灯灯以及译码显示电路 时间显示 部分由李龙同学负责主导设计 秒脉冲信号发生以及控制部分由李志杰同 学负责 最后经过整合得到完整系统 精品文档 3欢迎下载 在设计过程中得到了各方面的支持和帮助 在此向老师表示由衷的感 谢 由于设计时间和水平的限制 如有不足之处 敬请指正 目录目录 精品文档 4欢迎下载 前言 1 设计摘要 3 第一章 系统概述 1 1 设计思想及方案论证 4 1 2 工作原理 第 2 章 单元电路设计 2 1 脉冲信号发生电路 5 2 1 1 定时器电路 5 2 1 2 计数器驱动脉冲电路 6 2 1 3 控制器电路 9 2 2 交通信号灯及数码管显示电路 本人负责设计部分本人负责设计部分 9 2 2 1 译码器电路 9 2 2 2 交通信号灯电路 10 2 2 3 数码管显示电 路 12 2 24 调试及仿真结果 2 3 元件说明 21 第三章 系统综述 综述及总电路 图 23 第 4 章 结束语 收获与体会以及存在的问题 参考文献 鸣谢 评语评语 精品文档 5欢迎下载 数字电子技术课程设计数字电子技术课程设计 简易交通信号灯控制器 一 设计摘要一 设计摘要 通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计 提出使交通灯控制电路用数字 信号自动控制十字路口两组红 黄 绿交通灯的状态转换的方法 指挥各种车辆 和行人安全通行 实现十字路口交通管理的自动化 因此 在本次课程设计里 将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯 1 设计一个交通信号灯控制器 由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口 在每个入口处设置红 绿 黄三色信号灯 红灯亮禁止通行 绿灯亮允许通行 黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外 2 用红 绿 黄发光二极管作信号灯 用传感器或逻辑开关作检测车辆是否到 来的信号 3 主干道处于常允许通行的状态 支干道有车来时才允许通行 主干道亮绿灯 时 支干道亮红灯 支干道亮绿灯时 主干道亮红灯 4 主 支干道均有车时 两者交替允许通行 主干道每次放行 45 秒 支干道 每次放行 25 秒 设立 45 秒 25 秒计时 显示电路 5 在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中 要亮 5 秒黄灯作为过渡 使行驶中 的车辆有时间停到禁行线外 设立 5 秒计时 显示电路 设计所需要的元件有 555 定时器 74LS190 JK 触发器 74LS139 发光 二极管 各种门电路 关键字关键字 交通信号灯 555 定时器 数码管显示 译码器 减法计数器 二 设计任务与要求二 设计任务与要求 精品文档 6欢迎下载 1 设计一个十字路口的交通灯控制电路 要求主干道和支干道两条交叉道路上 的车辆交替运行 主干道通行时间 45 秒 支干道通行时间 25 秒 2 要求黄灯先亮 5 秒 才能变换运行车道 即每次由绿灯变红灯时 应有 5 秒 黄灯亮作为过渡 3 设计记时显示电路 4 分别用红 黄 绿 发光二极管表示信号灯 简易交通信号灯控制器简易交通信号灯控制器 精品文档 7欢迎下载 第一章第一章 系统概述系统概述 1 1 1 1 设计思想及方案论证设计思想及方案论证 本设计要求设计一个主干道绿灯 45 秒 支干道绿灯 25 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 本设计需要一个脉冲 产生模块 信号灯模块 倒计时模块 数码显示模块和主控模块 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 信号灯模块对信号灯的各种状态进行循环控制 倒计时模块以基准时间秒为单 位做倒计时 数码显示模块显示倒计时的时间 主控模块对电路种的各个模块 进行级联控制 交通信号灯控制电路 交通灯采用发光二极管 显示时间则采用自带译 码器的数码管显示 系统需要每秒减数 所以可以采用 555 定时器产生秒脉冲 经由一个脉冲驱动电路后产生信号灯需要的三种脉冲 即 45s 25s 5s 传递给 控制器 由控制器发出状态 译码器接受状态后译码 输出控制信号灯和数码 管显示的状态 由于系统状态只有四种 译码器选择 74LS139 即可 2 线 4 线译码器 输 出四种状态 1 21 2 工作原理工作原理 1 通过分析系统的逻辑功能 画出其机构框图 交通灯控制系统的原理框图如图 1 所示 它主要由控制器 定时器 译码器 和秒脉冲信号发生器等部分组成 秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的 标准时钟信号源 译码器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 控制器是系统的主要部分 由它控制定时器和译码器的工作 图中 TL1 表示主干道绿灯亮的时间间隔为 45 秒 TL2 表示支干道绿灯亮的时间间隔 为 25 秒 即车辆正常通行的时间间隔 定时时间到 TL 1 否则 TL 0 TY 表示黄灯亮的时间间隔为 5 秒 定时时间到 TY 1 否则 TY 0 ST 表示定时器到了规定的时间后 由控制器发出状态转换信号 由它控制定 精品文档 8欢迎下载 时器开始下个工作状态的定时 图 1 1 实现红绿灯的交通管制功能 2 在红绿灯交换的前五秒种 有常亮的黄灯提示司机注意 此时绿灯已灭 3 可适应主支干道不同的车流量的需要 拟设计主干道的车量通行时间为 45 秒 支干道的车量通行时间为 25 秒 4 另有数字倒计时装置 提示司机剩余时间 45 秒 25 秒 5 秒定时信号用倒计时 计时起始信号由主控电路给出 定时结 束信号也输入到主控电路 由主控电路启 闭三色信号灯或启动另一计时电路 主控电路是核心 其状态表 1 为 状态主干道支干道时间 s0 绿灯亮 允许通 行 红灯亮 禁止通 行 45 秒 s1 黄灯亮 停车红灯亮 禁止通 行 5 秒 s2 红灯亮 禁止通 行 绿灯亮 允许通 行 25 秒 s3 红灯亮 禁止通 行 黄灯亮 停车5 秒 5 分析 1 主干道绿灯亮 支干道红灯亮 表示主干道上的车辆允许通行 支干道禁止通行 绿灯亮足规定的时间隔 TL1 时 控制器发出状态信号 ST 转 到下一工作状态 2 主干道黄灯亮 主干道红灯亮 表示主干道上未过停车线的车辆停止 通行 已过停车线的车辆继续通行 支干道禁止通行 黄灯亮足规定时间间隔 精品文档 9欢迎下载 TY 时 控制器发出状态转换信号 ST 转到下一工作状态 3 主干道红灯亮 支干道绿灯亮 表示主干道禁止通行 支干道上的车 辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔 TL2 时 控制器发出状态转换信号 ST 转 到下一工作状态 4 主干道红灯亮 支干道黄灯亮 表示主干道禁止通行 支干道上未过 停车线的车辆停止通行 已过停车线的车辆继续缓慢通行 黄灯亮足规定的时 间间隔 TY 时 控制器发出状态转换信号 ST 系统又转换到第 1 种工作状态 交通灯以上 4 种工作状态的转换是由控制器器进行控制的 设控制器的四 种状态编码为 00 01 11 10 并分别用 S0 S1 S3 S2 表示 则控制器的 工作状态及功能如表所示 控制器应送出甲 乙车道红 黄 绿灯的控制信号 为简便起见 把灯的代号和灯的驱动信号合二为一 并作如下规定 控制状态 信号灯状态 车道运行状态 S0 00 主干道绿 支干道红 主干道通行 支干道禁止通行 S1 01 主干道黄 支干道红 主干道缓行 支干道禁止通行 S3 11 主干道红 支干道绿 主干道禁止通行 支干道通行 S2 10 主干道红 支干道黄 主干道禁止通行 支干道缓行 HG 1 主干道绿灯亮 FG 1 支干道绿灯亮 HY 1 主干道黄灯亮 FY 1 支干道黄灯亮 HR 1 主干道红灯亮 FR 1 支干道红灯亮 设 A 45 秒定时信号 45 秒定时已到为 1 45 秒定时未到为 0 B 25 秒定时信号 25 秒定时已到为 1 25 秒定时未到为 0 C 5 秒定时信号 5 秒定时已到为 1 5 秒定时未到为 0 状态编码 S0 00 S1 01 S2 10 S3 11 若选 JK 触发器 其输出为 Q2 Q1 则状态表 2 为 ABCQ2nQ1nQ2n 1Q1n 1 xxx0000 0 xx0000 xxx0001 1xx0001 xx00101 xx10111 x0 x1111 xxx1111 xxx1110 精品文档 10欢迎下载 xx01010 xxx1000 第第2 2章章 单元电路设计单元电路设计 2 12 1 脉冲信号发生电路脉冲信号发生电路 2 1 12 1 1定时器电路定时器电路 脉冲发生器是由 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 且其对信号的精度要求不高 这里选用 555 定时器来构成 555 定 时器组成的秒脉冲 CP1 的周期为 T 0 7 R1 2 R2 C 若 T 1s 令 C 10 F R1 44 2K R2 51K 根据计算结果 脉冲发生器设计如下图 它向计数电路提供的秒计时CP脉冲 2 1 22 1 2 计数器驱动脉冲电路计数器驱动脉冲电路 此电路图是产生CP45 CP25 CP5的电路 通过门电路完成由CP控制电路产 生所需的脉冲的功能 精品文档 11欢迎下载 2 1 32 1 3 控制器电路控制器电路 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 如表 3 所示 选用两个 D 触发器 FF1 FFO 做为时序寄存器产生 4 种状态 控制器状态转换的条件为 TL 和 TY 当控制器处于 Q1n 1Q0n 1 00 状态时 如果 TL 0 则控制器保持在 00 状态 如果 TL 1 则控制器转换到 Q1n 1Q0n 1 01 状态 这两种情况与条件 TY 无关 所以用无关项 X 表示 其余情况依次类推 同时表中还列出了状态转换信号 ST 表 3 控制器状态转换表 输入输出 现态状态转换 条件 次态状态转换 信号 Q1nQ0nTLTY TSQ1n 1Q0n 1ST 0 00 无无 000 001 无无 011 01 无 0 无 010 01 无 1 无 111 11 无无 0110 11 无无 1101 精品文档 12欢迎下载 10 无 0 无 100 10 无 1 无 001 表 4 74LS153 功能表 根据表 4 可以推出状态方程和转换信号方程 其方法是 将 Q1n 1 Q0n 1 和 ST 为 1 的项所对应的输人或状态转换条件变量相与 其中 1 用原变量表示 0 用反变量表示 然后将各与项相或 即可得到下面的方程 根据以上方程 选用数据选择器 74LS153 来实现每个 D 触发器的输入函数 将触发器的现态值 加到 74LS153 的数据选择输入端作为控制信号 即可实 现控制器的功能 控制器的逻辑图如图 3 所示 图中 R C 构成上电复位电路 可通过放置的开关控制 精品文档 13欢迎下载 2 22 2 交通信号灯及数码管显示电路 本人负责设计部分 交通信号灯及数码管显示电路 本人负责设计部分 2 2 2 1 2 1 译码器电路译码器电路 系统的输出是在 Q1Q0驱动下的 6 个信号灯 由于系统显示只有四个状 态 即 S0 S1 S2 S3 所以译码器采用 2 4 线译码器 74LS139 由于芯片为反 相输出 所以每条输出上加一个非门 使得译码器相应输出为高电平 高电平加一个非门 使得译码器相应输出为高电平 高电平 时灯亮时灯亮 各状态与信号灯的关系由表 5 给出 电路图见图 因此 根据状态关 系表分析可得到灯光信号与控制器状态变量的关系为 HG Y0 FG Y3 HY Y1 FY Y2 HR Y2 Y3 FR T0 Y1 加入两个或门产生六个输出端 表 5 信号灯与控制器状态编码表 状态 HGHYHR FGFYFR S0100001 S1010001 S2001100 S3001010 精品文档 14欢迎下载 由上到下六个输出端口依次为 HG 主干道绿灯 FR 支干道红灯 HY 主干道 黄灯 FY 支干道黄灯 HR 主干道红灯 FG 支干道绿灯 2 2 22 2 2 交通信号灯电路交通信号灯电路 交通信号灯采用红 黄 绿三种颜色的发光二极管 共阴极接法 并联接 地时分别接入保护电阻 避免电流过大时对二极管造成损坏 信号输入分别接 译码管和或门的六个输出端 如图 与译码电路相连接如图 2 2 32 2 3 数码管显示电路数码管显示电路 精品文档 15欢迎下载 显示电路作为定时控制器 秒信号发生器用于产生整个定时系统的时 基脉冲 通过 74ls190 减法计数器对秒脉冲进行减计数 以达到显示每一种工 作状态的持续时间 当主干道红灯亮时 信号给减法器置数 同时支干道也由 相应的信号控制置数 减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换 同 时状态译码器根据系统下一个工作状态决定计数器下一次减计数的初始值 减 法计数器的状态由 BCD 译码器译码 数码管显示显示电路是一个定时控制电路 当绿灯亮时 使减法器开始工作 每来一个脉冲使计数器减 1 直到计数器为 0 数码管选用自带译码器的四输入数码管 计数器采用可预置计数器 这里选 74LS190 当主干道为黄灯时 该干道计数器不工作 由黄变红灯时 由主干道红灯 信号将预置数 0011 置入 U1 0000 置入 U2 0010 置入 U3 0101 置入 U4 U1 U2 开始 30 秒的减计数 U3 U4 开始 25 秒减计数 即主干道红灯 30 秒时间显示 支干道绿灯 25 秒显示 当支干道 25 秒减完后 支干道灯变为 黄 支干道计数器关闭 无显示 在主干道红灯变绿灯同时 HR 控制将 0100 置 入 U1 0101 置入 U2 0101 置入 U3 0000 置入 U4 并开始 U1 U2 组成 45 秒 倒计数 U3 U4 组成 50 秒倒计数 当主干道 45 秒计时完毕后 主干道黄灯亮 同时使计数器 U1 U2 停止工作 上述功能实现 将 U1 U3 引脚 9 和 U2 U4 引脚 1 9 接地 HR 即主干道红 灯信号加非门接入 U1 引脚 15 1 通过非门与 HR 非后相连 非 HR 与高电平 通过与门与 U1 引脚 10 相连 U2 引脚 15 10 与 非 HR 相连 非 HR 分别与高电 平通过与门与 U3 引脚 15 10 相连 非 HR 通过非门与 U3 引脚 1 相连 U4 的引 脚 15 10 直接与 相连 主干道黄灯 和支干道黄灯 分别与秒脉冲通过或非门 相连 秒脉冲与 相连的输出控制 的 端 这样当黄灯亮时相 应干道上计数器被关闭 管脚功能如图 74LS190 芯片如图 2 3 1 所示 LD 为异步置数端 CT 为控制端 A B C D 为并行置数输入端 QA QB QC QD 为输 出端 U D 为加 减计数方式控制端 RCO 为进位 借位端 U1 74LS190N A 15 B 1 C 10 D 9 U D 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 CTEN 4 LOAD 11 RCO 13 MAX MIN 12 CLK 14 精品文档 16欢迎下载 CLK 为时钟输入端 74LS190 的功能表如表 2 3 1 所示 图 2 3 1 74LS190 芯片图 表 2 3 1 74LS190 功能表 由表我们可以看出 74LS190 的主要逻辑功能有 异步置数功能 当 LD 0 时 与 CP 无关 直接并行输入数据 D C B A QD QB QC QA D C B A 计数功能 取 CT 0 LD 1 当 U D 0 时 对应 CP 脉冲的上升沿 进行十进制加计数功能 当 U D 1 时 对应 CP 脉冲的上升沿 进行十进制减计数功能 保持功能 当 CT LD 1 时 计数器保持原来的状态不变 和 级联时分别将低位的 RCO 端接入高位的 CT 端 的 端接地 U D 接高电平 由于主干道红灯信号来时置数 此时 LD 0 而置数完之后马上要进行减法计数 要使 LD 1 所以在每条干道上驱动数码管的 条到线上分别加一个八输入的或 门 置数完毕后或门输出为 反馈给 端 使计数器开始计数 直到减为 时 或门输出为 这时新一轮置数信号到来 进行置数 电路能够自启动 这样设计有一定的缺陷 也就是当计数器没有减到 时 无法进行任意时间的 重新置数 所以每个或门输出时加上一个开关 能够控制或门输出对 端的 反馈 因为 空置时相当于接 即可进行置数 输入输出 LD CT U D CP D C B AQD QC QB QA 说 明 0XXXD C B AD C B A 并行异步置数 1 0 0 X XX X 加计数 1 0 1 X XX X 减计数 1 1 X X X X X X 保持 精品文档 17欢迎下载 电路图如下 2 242 24 调试及仿真结果调试及仿真结果 将个部分相连后 接入四种状态需要的输入 进行调试 结果如下 状态 主干道绿灯亮 支干道红灯亮 主干道显示 秒绿灯 支干 道显示 秒 红灯 主干道黄灯时间 精品文档 18欢迎下载 状态 主干道黄灯亮 支干道红灯亮 主干道显示 支干道显示 精品文档 19欢迎下载 状态 主干道红灯亮 支干道绿灯亮 主干道显示 支干道显示 精品文档 20欢迎下载 状态 主干道红灯亮 支干道黄灯亮 主干道显示 支干道显示 精品文档 21欢迎下载 2 32 3 元件说明元件说明 集成电路 JK 触发器 2 个 1 个 74LS190 4 片 74LS153 3 片 555 1 片 电阻 1 只 51 1 只 个 电容 10Uf 1 只 0 01uf 一个 其它 发光二极管 6 只 具体芯片功能已经在正文中相应部分详细描述 第三章第三章 系统综述系统综述 综述及总电路图综述及总电路图 本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计 提出使交通灯控制电路 用数字信号自动控制十字路口两组红 黄 绿交通灯的状态转换的方法 指挥各 种车辆和行人安全通行 实现十字路口交通管理的自动化 交通灯采用发光二 极管 显示时间则采用自带译码器的数码管显示 采用 555 定时器产生秒脉冲 经由一个脉冲驱动电路后产生信号灯需要的三种 脉冲 即 45s 25s 5s 传递给控制器 由控制器发出状