交通信号灯控制器设计.doc

河南科技学院新科学院河南科技学院新科学院 电气工程系电子课程设计报告电气工程系电子课程设计报告 交通灯控制器的设计交通灯控制器的设计 学生姓名 学生姓名 陈少俊陈少俊 所学专业 所学专业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 所在班级 所在班级 129129 班班 完成时间 完成时间 2014 年年 5 月月 6 日日 交通灯控制器的设计交通灯控制器的设计 摘摘 要要 随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要 第一盏名副其实的三色灯随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要 第一盏名副其实的三色灯 红 黄 绿三红 黄 绿三 种标志种标志 于于 19181918 年诞生 它是三色圆形四面投影器 被安装在纽约市五号街的一座高塔上 年诞生 它是三色圆形四面投影器 被安装在纽约市五号街的一座高塔上 由于它的诞生 使城市交通大为改善 由于它的诞生 使城市交通大为改善 当前 大量的信号灯电路正向着数字化 小功率 多样化 方便人 车 路三者关系的当前 大量的信号灯电路正向着数字化 小功率 多样化 方便人 车 路三者关系的 协调 协调 多值化方向发展随着社会经济的发展 城市交通问题越来越引起人们的关注多值化方向发展随着社会经济的发展 城市交通问题越来越引起人们的关注 随着社随着社 会的发展会的发展 城市规模的不断扩大城市规模的不断扩大 城市交通成为制约城市发展的一大因素城市交通成为制约城市发展的一大因素 因此因此 有许多设计工作有许多设计工作 者为改善城市交通环境设计了许多方案者为改善城市交通环境设计了许多方案 而大多数都为交通指挥灯而大多数都为交通指挥灯 本电路也正是基于前人设本电路也正是基于前人设 计的基础上进行改进的计的基础上进行改进的 全部有数字电路组成全部有数字电路组成 比较以前的方案更为精确比较以前的方案更为精确 关键词关键词 控制器 计数器 信号灯 译码电路 目目 录录 摘摘 要要 2 关键词关键词 2 一 设计任务和要求一 设计任务和要求 1 二二 系统设计系统设计 2 三 单元电路设计三 单元电路设计 4 3 1 主控制器主控制器 4 3 1 1 74LS90 引脚排列图与逻辑图 4 3 1 2 74LS90 的功能表及引脚功能的功能表及引脚功能 5 3 2 计数器 计数器 7 3 2 1 计数器的作用 7 3 2 2 计数器的工作情况 7 3 2 3 控制信号灯的译码电路的真值表 8 3 2 4 置数电路 9 3 2 5 状态译码电路 11 3 3 译码显示电路译码显示电路 13 3 3 13 3 13 3 1 共阴极共阴极共阴极 LED 七段数码管 13 3 3 2 CD4511 译码器 13 3 4555 振荡器构成的秒脉冲电路振荡器构成的秒脉冲电路 16 3 4 1 555 定时器的引脚 16 3 4 2 555 定时器构成的多谐振荡器 17 3 4 3 555 定时器工作原理 18 3 5 交通灯信号灯控制总体框图交通灯信号灯控制总体框图 20 四 电路安装 调试与测试四 电路安装 调试与测试 21 五 参五 参 考考 文文 献献 22 六 总结 体会和建议六 总结 体会和建议 23 1 一 一 设计任务和要求设计任务和要求 设计并制作一个十字路口的交通信号灯控制器 控制A B两条交叉道路上的车辆通行 基本要求 1 每条道路设一组信号灯 每组信号灯由红 黄 绿三个灯组成 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 车辆停止通行 2 每条道路上每次通行的时间为25S 3 每次变换通行车道之前 要求黄灯先亮5S 才能变换通行车道 4 黄灯亮时 要求每秒钟闪烁一次 5 电源 220V 50HZ 的工频交流电供电 注 直流电源部分仅完成设计即可 不需制作 用实验室提供的稳压电源调试 但要 求设计的直流电源能够满足电路要求 6 按照以上技术要求设计电路 绘制电路图 对设计的电路用 Multisim 或 OrCAD PspiceAD9 2 进行仿真 用万用板焊接元器件 制作电路 完成调试 测试 撰写设 计报告 发挥部分 1 按照交通规则设计人行道指示灯 2 其它恰当的功能 2 二二 系统设计系统设计 十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行 每边都设置了红 绿 黄色 信号灯 红灯亮表示禁止通行 绿灯亮表示可以通行 在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟 以便让停车线以外的车辆停止运行 路口交通指挥系统示意图 设南北干道通行时间为 N1 东西干道通行时间为 N2 南北 东西干道黄灯的时间均为 N3 按南北 东西干道通行的时间来看 设置 N1 N2 N3 系统工作流程图如图所示 3 南北干道绿灯亮 东西干道红灯亮 计数器由 N1 到 30 递增计数 南北干道黄灯亮 东西干道红灯亮 计数器由 N3 到 5 递增计数 南北干道红灯亮 东西干道绿灯亮 计数器由 N2 到 30 递增计 南北干道红灯亮 东西干道黄灯亮 计数器由 N3 到 5 递增计 S1 S2 S3 S0 系统工作流程图 要实现上述交通信号灯的自动控制 则要求控制电路由时钟信号发生器 计数器 主控 制器 信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路等几部分组成 整机电路的原理框图如 图所示 四个路口设有红 黄 绿三色灯和两位 8421BCD 码的计数 译码显示器 显示器 译码器 计数器 时钟信号发 生器 支干道 信号灯 信号灯 译码驱 动电路 主干道 信号灯 主控 电路 交通信号灯控制原理电路框图 十字路口车辆运行情况只有 4 种可能 1 设开始时南北干道通行 东西干道不通行 这种情况下主绿灯和支红灯亮 持续时间为 30s 2 30s 后 南北干道停车 东西干道仍不 通行 这种情况下主黄灯和支红灯亮 持续时间为 5s 3 5s 后 南北干道不通行 东西干 4 道通行 这种情况下主红灯和支绿灯亮 持续时间为 30s 4 20s 后 南北干道仍不通行 东西干道停车 这种情况下主红灯和支黄灯亮 持续时间为 5s 5s 后又回到第一种情况 如此循环反复 因此 要求主控制电路也有 4 种状态 设这 4 种状态依次为 S0 S1 S2 S3 状态转换图如图所示 S0S1 S2S3 30s 后 5s 后 30s 后 5s 后 状态转换图 三 单元电路设计三 单元电路设计 3 1 主控制器主控制器 3 1 1 74LS90 引脚排列图与逻辑图引脚排列图与逻辑图 十字路口车辆运行情况只有 4 种可能 实现这 4 个状态的电路 可用两个触发器构成 也可用一个二 十进制计数器或二进制计数器构成 我采用二 十进制计数器 74LS90 实现 采用反馈归零法构成 4 进制计数器 即可从输出端 QBQA得到所要求的 4 个状态 图 4 1 74LS90 管脚排列图 逻辑图如图所示 为以后叙述方便 设 X1 QB X0 QA 5 74LS90 管脚排列图 74LS90 Q AQ BQ CQ D R01 R02 S91 S92 CP0 CP1 主控制器的逻辑图 3 1 2 74LS90 的功能表及引脚功能的功能表及引脚功能 74LS90 功能表 输 入 输 出 清 0 置 9 时 钟 R0 1 R0 2 S9 1 S9 2 CP1 CP2 QD QC QB QA 功 能 6 1 1 0 0 0 0 0 0 清 0 0 0 1 1 1 0 0 1 置 9 1 QA 输出 二进制 计数 1 QDQCQB 输出 五进制 计数 QA QDQCQBQA 输出 8421BCD 码 十进制 计数 QD QAQDQCQB 输出 5421BCD 码 十进制 计数 0 0 0 0 1 1 不 变 保 持 如表 7 4LS90 功能表 7 4LS90 逻辑功能为 1 计数脉冲从 CP1 输入 QA 作为输出端 为二进制计数器 2 计数脉冲从 CP2 输入 QDQCQB 作为输出端 为异步五进制加法计数器 3 若将 CP2 和 QA 相连 计数脉冲由 CP1 输入 QD QC QB QA 作为输出端 则构成异步 8421 码十进制加法计数器 4 若将 CP1 与 QD 相连 计数脉冲由 CP2 输入 QA QD QC QB 作为输出端 则构成异步 5421 码十进制加法计数器 5 清零 置 9 功能 a 异步清零 当 R0 1 R0 2 均为 1 S9 1 S9 2 中有 0 时 实现异步清零功能 即 QDQCQBQA 0000 b 置 9 功能 当 S9 1 S9 2 均为 1 R0 1 R0 2 中有 0 时 实现置 9 功能 即 QDQCQBQA 1001 7 3 2 计数器 计数器 3 2 1 计数器的作用计数器的作用 计数器的作用有二 一是根据南北干道和东西干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要 求 进行 30s 20s 5s 3 种方式的计数 二是向主控制器发出状态转换信号 主控制器根 据状态转换信号进行状态转换 3 2 2 计数器的工作情况计数器的工作情况 计数器除需要秒脉冲作时钟信号外 还应受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 60s 计数 30s 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 5s 计数 5s 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 主控制器进入状态 S2 计数器 开始 20s 计数 20s 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 主控制器进入状态 S3 计数器又开始 5s 计数 5s 后同样产生归零脉冲 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 开始新一轮循环 根据以上分析 设 30s 20s 5s 计数的归零信号分别为 A B C 则计数器的归零信 号 L 为 L A B C 其中 A S0 QC2 QC2 B S2 QB2 QA2 QB2 QA2 C S1 QB1 QA1 S3 QB1QA1 X0 QB1 QA1 考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发 将 L 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 可选用集成异步十进制加法记数器 74LS90 图 5 1 计数器 8 U2 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U3 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U5A 74LS04N U6A 74LS04N 0 U14A 74LS12N U24A 74LS12N U25A 74LS12N 1 2 3 U12A 74LS20D 23 59 25 6726 29 12 9 21 5 图计数器 利用 74LS90 正计数功能 3 2 3 控制信号灯的译码电路的真值表控制信号灯的译码电路的真值表 主控制器的 4 种状态分别要控制主 支干道红 黄 绿灯的亮与灭 设灯亮为 1 灯灭 为 0 则控制信号灯的译码电路的真值表 表控制信号灯的译码电路的真值表 主控制器状态主干道支干道 X1 X0 红灯 R 黄灯 Y 绿灯 G红灯 r 黄灯 y 绿灯 g S0 0 0 S1 0 1 S2 1 0 S3 1 1 001 010 100 100 100 100 001 010 由灯控真值表可写出六盏等的逻辑式 经化简获的六盏灯逻辑式为 由真值表得灯控函数逻辑表达式 R QB r Q B Y QB QA y QBQA G QBQA g QBQA 9 3 2 4 置数电路置数电路 由真值表可分别写出各灯的逻辑表达式 R S2 S3 X1X0 X1X0 X1 Y S1 X1X0 G S0 X1X0 r S0 S1 X1X0 X1X0 X1 y S3 X1X0 g S2 X1X0 根据功能要求采用以下逻辑门电路构成 门电路是数字逻辑电路的基本组成单元 门电路按逻辑功能可分为 与门 或门 非门 以及与非门 或非门 异或门 同或门 与或非门 若按电路结构组成的不同 可分为立元 件门电路 CMOS 集成门电路 TTL 集成门电路等 各种集成门电路通常都封装在集成芯片内 此次设计采用的集成电路有 74LS04 74LS00 74LS20 74LS12 74LS08 引脚排列图如下图 所示 这些集成电路的封装形式均为双列直插式 为双列直插式集成电路的右下方通常是地 线 GND 左上方引脚一般是电源线 VCC 其它引脚的用途如图中符号所示 每个集成电路都 有自己的代号 与代号对应的名称形象地说明了集成电路的用途 如 74LS00 是二输入端四 与非门 它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与非门 74LS04 74LS00 74LS20引脚 图如下图所示 1 2 3 4 5 6 7 891011121314 74ls04 vcc GND 图 74LS04 六非门内部结构引脚图 10 1 2 3 4 5 6 7 891011121314 74ls00 vcc GND 图 74LS00 四入与非门内部结构引脚图 1234567 891011121314 74ls20 vcc GND 2D 2C NC2B 2A 2Y 1A 1B NC1C 1D 1Y 图 7420 四输出与非门内部结构引脚图 图 74LS10 三输出与非门内部结构引脚图 11 3 2 5 状态译码电路状态译码电路 根据灯控函数逻辑表达式 可画出由与门和非门组成的状态译码器电路 如图所示 将状 态控制器 状态译码器以及模拟三色信号灯相连接 构成三色信号灯逻辑控制电路 如图所 示 12 U4 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U5A 74LS04N U6A 74LS04N U7A 74LS04N U8A 74LS04N U9A 74LS04N U10A 74LS04N U11A 74LS04N U16A 74LS00N U17A 74LS00N U18A 74LS00N U19A 74LS00N LED1LED4LED6LED7LED5LED8 0 U14A 74LS12N U24A 74LS12N U25A 74LS12N 1 2 3 9 5 U13A 7408N U15A 7408N U26A 74LS04N U27A 74LS04N U28A 74LS04N U29A 74LS04N 4810 1115 16 22 24 61 6263 64 65 6 20 17 66 U12A 74LS20D 7 19 58 68 0 图 态译码电路 13 3 3 译码显示电路译码显示电路 译码显示电路主要是由共阴极共阴极共阴极 LED 七段数码管 CD4511 译码器组成 3 3 13 3 13 3 1 共阴极共阴极共阴极共阴极 LED 七段数码管七段数码管 数码管分为共阳极结构和共阴极结构 若显示器共阳极连接 则对应阳极接高电平的字 段发光 而显示器共阴极连接 则接低电平的字段发光 此次设计采用的是共阴极连接如图 图 共阴极数码管引脚图 3 3 2 CD4511 译码器译码器 图 CD4511 管脚功能排列图 1 以下介绍各引脚的功能 14 其功能介绍如下 BI 4 脚是消隐输入控制端 当 BI 0 时 不管其它输入端状态如何 七段数码管 均处于熄灭 消隐 状态 不显示数字 LT 3 脚是测试输入端 当 BI 1 LT 0 时 译码输出全为 1 不管输入 DCBA 状态如何 七段均发亮 显示 8 它主要用来检测数码管是否损坏 LE 锁定控制端 当 LE 0 时 允许译码输出 LE 1 时译码器是锁定保持状态 译码器输出被保持在 LE 0 时的数值 A1 A2 A3 A4 为 8421BCD 码输入端 a b c d e f g 为译码输出端 输出为高电平 1 有效 2 数码连接译码电路 CD4511 是一种 BCD 码输入端 其中 D 是高电位 a b c d e f g 是输出端 输出高 电平有效 和共阴极半导体发光数码管各发光段的阳极引出线相互连接 下面是七段数码显 示器管脚接法 CD4511 和数码管的管脚排列图 图 段数码显示器管脚接法 15 图 数码管连接电路图 3 真值表 共阳极数码管的数字显示真值表如下表所示 表 七段显示译码电路真值表 16 3 4555 振荡器构成的秒脉冲电路振荡器构成的秒脉冲电路 555 定时器是种中规模集成电路 只要外部配上适当阻容元件 就构成脉冲产生和 整形电路 3 4 1 555 定时器的引脚定时器的引脚 时器 555 定时器内部结构和引脚排列图 如内部电路图 引脚排列图 555 定时器 内部含有一个基本 RS 触发器 配个电压比较器 C1 C2 一个放电三极管 T 由三个 5K 的电阻 的分配器 555 定时器因此而得名一个输出缓冲器 G3 比较器 C1 的参考电压为 2VCC 3 加在 同相输入端 C2 的参考电压为 VCC 3 加在反相输入端 两者均由分在器上取得 图 555 的内部电路图 555 定时器引脚排列图 17 555 定时器个引线端的用途如下 1 1 端为接地线 2 2 端为低电平触发端 也称为触发输入端 当 2 端的输入高电压高 于 VCC 3 时 C2 输出为 1 当输入电压低于 VCC 3 时 C2 的输出为 0 使基本触发器置 1 3 3 端 U0为输出端 4 4 端是复位端 当 0 时 基本触发器直接置 0 使 Q 0 1 5 3 端 UDD 为电压控制端 如果 CO 端另加控制电压 则可以改变 C1 C2 的参考电压 工作中不使用 CO 端时 一般都通过一个 0 01uF 的电容接地 以防旁路干扰 6 6 端 TH 为高电平触发端 当输入电压低于 2VCC 3 时 C1 的输出为 1 当输入电压 高于 2VCC 3 时 C1 的输出为 0 使基本触发器置 0 即 Q0 0 1 这时定时器输出 U0 0 7 7 端 D 为放电端 当基本触发器的 1 时 放电晶体管 T导通 外接电容元件通 过 T 放电 8 8 端 VCC为电源端 可在 4 3 1 6V 范围内使用 若为 CMOS 电路 则 VCC 3 18V 表 7 1 555 定时器功能表 它全面表示了 555 的基本功能 55 定时器功能表 3 4 2 555 定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器 多谐振荡器产生矩形波的自激振荡电路 由于矩形波包含和高次谐波成分 因此称为多 谐振荡器 如图 7 3 555 定时器图 7 4 波形图采用 555 设计的多谐振荡器及其工作波形 其振荡频率与实际的数字钟频率略有出入 但可以通过校时装置校时 多谐振荡器也称无稳 态触发器 它没有稳定状态 同时毋须外加发脉冲 就能输出一定频率的矩形脉冲 自激振 荡 用 555 实现多谐振需要外接电阻 R1 R2 和电容 C 并外接 3V 的直流电源 只需在 18 VCC端接上 3V 的电源 就能在 3 脚产生周期性的方波 图 本次设计的秒脉冲电路图 3 4 3 555 定时器工作原理定时器工作原理 接通电后 它经过电阻和对电容 C 充电 当上升略高于时 比较器 C1 的 输出为 0 将触发器置 0 为 0 这时 1 放电管 T 导通 电容 C 通过 和 T 放电 下降 当下降略低于时 比较器 C2 的输出为 0 将触发器置 1 又由 0 变为 1 由于 0 放电管 T 截止 又经过和对电容 C 充 电 如此重复上述过程 为连续的矩形波 第一个暂稳状态的脉冲宽度 即从充电上升到所需的 Cln2 0 7 C 第二个暂稳状态的脉冲宽度 即从放电下降到所需的时间 Cln2 0 7C 19 振荡周期 T 0 7 2 C 振荡频率 占空比 q tp1 T 由式可得 占空比大于总是 50 若设占空比 50 又知交通信号灯的振荡周期是 1S 可得到本次所需要的元器件阻值 R1 4 7K R2 4 7K C1 100nF C2 10nF 20 3 5 交通灯信号灯控制总体框图交通灯信号灯控制总体框图 根据设计各部分功能可画出交通信号灯控制系统总体框图 VCC OUT U1 555 TIMER RATED GND DIS RST THR CON TRI U2 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U3 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U4 74LS90N QA 12 QB 9 QD 11 QC 8 INB 1 R91 6 R92 7 R01 2 INA 14 R02 3 U5A 74LS04N U6A 74LS04N U7A 74LS04N U8A 74LS04N U9A 74LS04N U10A 74LS04N U11A 74LS04N U16A 74LS00N U17A 74LS00N U18A 74LS00N U19A 74LS00N R1 47 R2 47 VCC 5V VCC 5V VCC 5V C1 100uF C2 10uF U22 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U23 4511BD 5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 R9 390 R10 390 R11 390 R12 390 R13 390 R14 390 R15 390 R16 390 R17 390 R18 390 R19 390 R20 390 R21 390 R22 390 U20 A B C D E F G CK U21 A B C D E F G CK LED1LED4LED6LED7LED5LED8 0305 A2 60 57565554535251 50494847464544 43424140393837 36353433323130 0 0 0 VCC VCC 27 0 VCC 14 13 12 18 0 59 U14A 74LS12N U24A 74LS12N U25A 74LS12N 1 2 3 9 5 U13A 7408N U15A 7408N U26A 74LS04N U27A 74LS04N U28A 74LS04N U29A 74LS04N 4810 1115 16 22 24 61 6263 64 65 21 6 25 67 20 26 28 29 17 66 0 U12A 74LS20D 7 19 0 图 交通信号灯控制系统总体框图 21 22 四 四 电路安装 调试与测试电路安装 调试与测试 在电路板上按整机框图把主控制器 计数器 信号灯译码器 数子显示译码器和秒脉冲 信号发生器焊接好然后按以下步骤进行调试 1 秒脉冲信号发生器的调试 按照数字电子钟的方法逐级调试振荡电路和分频电路 使输出设计符合设计要求 2 将秒脉冲信号送入主控制器的 CP 端 观察主控制器的状态是否是按 00 01 10 11 00 的规律