电工与电子技术基础课程设计报告-简易交通信号灯控制器

实用标准电工与电子技术基础课程设计报告 题 目 简易交通信号灯控制器 学院（部） 汽车学院 专 业 能源与动力工程 班 级 2013220501 学生姓名 孙玮佳 学 号 201322050136 6 月 29 日至 7 月 3 日 共 1 周文案大全目录第一章 前言 1.1摘要2 1.2主要技术指标和要求21.3总体设计方案论证及选择21.4设计摘要4 第二章 系统综述 2.1设计方案原理框图42.2设计方案总体电路图5第三章 单元电路设计3.1秒脉冲发生器63.2 十六进制计数器电路83.3主控制器103.4倒计数器133.5显示管译码器14第四章 收获与体会 15附录 A.主要元器件清单15 B.参考文献15第一章 前言1.1摘要在城市交通日益繁忙的今天，汽车进入百姓家庭。因此，交通自动指挥系统越来越重要，为了确保行人和车辆的安全，实现红绿灯对十字路口的自动控制是城市管理自动化的重要课题。交通信号控制系统是用来自动控制十字路口红黄绿三色灯的电子系统。其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示停车；绿灯亮表示允许通行。为确保行人和各种车辆的安全，保证正常的交通秩序，我们小组拟进行简易交通信号灯控制器的设计，将所学知识运用在实际生活中，加深对中规模集成电路的理解以及熟练掌握数字电路与模拟电路的灵活运用。1.2主要技术指标和要求（1）定周控制：主干道绿灯亮45秒，支干道绿灯亮25秒；（2）每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡；（3）分别用红、黄、绿色发光二级管表示信号灯；（4）设计计时显示电路。主干道主干道支干道支干道图 1.21.3 总体设计方案论证及选择 根据交通信号灯控制器的设计要求，最初我们有三套备选方案：方案一：通过分析设计要求，十字路口主干道的绿、黄、红灯所亮时间比例分别为9：1：6，支干道的绿、黄、红所亮时间比例分别为5:1:10，所以，可以选择计数器为5s的脉冲。选择555脉冲发生器，它是由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。因为每5s一个时间单位，所以计数器的工作循环为16，应选择一个十六进制的计数器来控制，教材中学过74LS161，且电工实验中也使用过较为熟悉，故选择74LS161四位异步二进制计数器，再加上相应控制器来配合，达到计数器分别在9、10、15、16翻转的目的。连接上相应的门电路、二极管，使交通信号灯按要求正常工作。方案二：本方案主要由主控制电路和秒脉冲发生器组成，其中主控制电路包括：主控制器、清零装置、驱动装置、信号灯装置及一些逻辑门。主控制器中采用两块74LS290二-五-十进制来实现八十进制计数器。秒脉冲发生器由555秒脉冲发生器负责提供脉冲信号。接通电源瞬间，清零装置将主控制器清零，紧接着，主干道绿灯和支干道红灯打开，其余主、支道灯关闭。秒脉冲传送到控制器，主控制电路在45s到，50s到，75s到，80s到分别产生翻转信号，从而改变 主、支道绿、黄、红灯的开闭持续时间，继而实现交通信号灯控制。 方案三：十字路口车辆通行情况只可能有4种情况，可以依次用S0=00,S1=01,S2=10,S3=11,L来记忆交通灯的工作情况。分别对这四种情况进行编码，得到转换图，显然这是一个四进制计数器，可以采用J-K触发器74LS107来构成，控制电路。状态100001010001001100001000图1.3 四种情况状态表在认真讨论分析之后，方案一成为我们的首选，因为方案一比较容易理解，设计思路比较清晰，主控制器用的是十六进制74LS161计数器，该元件在课本有详细介绍，电工实验中也使用过，比较熟悉，比方案二、三更容易实现。1.4设计摘要要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由秒脉冲发生器、分频器、主控制器、倒计数器、数字显示译码器几部分组成。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，我们选用CB555定时器组成的多谐振荡器外接上合适的电容C和电阻R组成，可以产生T=5s的矩形波，该信号输入计数器74LS161（十六进制计数器）进行计数并通过Q3Q2Q1Q0输出二进制数，然后译码器输出信号灯的控制信号，在组合逻辑电路作用下分别在0（0s）、9(5*9=45s)、10(5*10=50s)、15(5*15=75s)时用组合逻辑电路使相应信号灯电路导通（二极管发光），实现信号灯控制的功能。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，它能够按照交通管理规则控制信号灯即发光二极管工作状态的转换。接入倒计时器的秒脉冲起到计时的作用，每次来一个脉冲倒计时器就变化一下（即为递减一次）耗时一秒。然后把倒计时的信号通过显示管译码器译码输入到显示管内显现出来，倒计数器分别显示30S的红灯倒计时和50S的绿灯倒计时,使司机与行人更直观的把握时间。第二章 系统综述2.1设计方案原理框图（图2.1）脉冲信号（T=5s）计数器（十六进制）组合逻辑电路主干道红绿灯支干道红绿灯图2.1 设计方案原理图2.2设计方案总体电路图（图2.2）图2.2 总体电路图第三章 单元电路设计3.1秒脉冲发生器3.1.1 利用555定时器为主组成多谐振荡器，输出1Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。555定时器的原理图、电路图、波形图如图所示，555定时器功能如表1所示。图3.1.1 (a) 555定时器原理图0 t t 0 uc tp1 tp2 图3.1.1(b) 555定时器电路图 图3.1.1(c) 555定时器波形图 输入输出阀值输入()触发输入()复位()输出()放电管T00导通11截止10导通1不变不变图3.1.1(d) 555定时器功能表3.1.2 秒脉冲的设计秒脉冲设计可以分为两种方案：直流设计方案与交流设计方案。（1）直流设计方案：只运用直流电产生秒脉冲，通常直流电在512V，组成的秒脉冲电路图如图图3.1.2(a)，输出波形如图3.1.2(b)。 图3.1.2(a) 秒脉冲电路图 图3.1.2(b)输出波形脉冲信号周期：T=tp1+tp2=ln2(R1+2R2)C0.7（R1+2R2）*C，取T=5s,则可取R1=R25.1KW, C470mF因此，将R1=R2=5.1K，C=470uF按要求接入电路，在U0端输出T=5s的矩形脉冲波（2） 交流设计方案较为复杂，在此不加赘述。综上，我们采用直流设计方案，即先通直流电压，再经过脉冲变换。值得注意的是，555定时器的输出端还要经过分频器的处理才能得到我们所需要的秒脉冲信号。3.2十六进制计数器电路计数器为5s的脉冲，所以计数器的工作循环为16，故选择74LS161四位异步二进制计数器来实现十六进制计数器功能，再加上相应控制器来配合，达到计数器分别在9、10、15、16翻转的目的。74LS161的真值表如图3.2.1，74LS161时序图如图3.2.2。图3.2.1 74LS161真值表图 3.2.2 74LS161时序图 图3.2.3 74LS161接线图 图3.2.4 74LS161管脚图将脉冲信号发生器产生的脉冲信号接在CP端，置数端接地，EP、ET、LD、RD端均接高电平，在Q3Q2Q1Q0端即可得到0-15的二进制编码，实现对矩形脉冲的计数。3.3主控制器主控制器控制着电路中的灯亮与对应的时间，主干道与支干道的时间转换计量等情况如下图3.3.1所示：主干道绿灯，支干道红灯45S主干道黄灯，支干道红灯5S 主干道红灯，支干道黄灯5S主干道红灯，支干道绿灯25s 图3.3.1时间0-45s45-50s50-75s75-80s主干道信号灯红0011黄0100绿1000次干道 信号灯红1100黄0001绿0010根据上图可以得到，每一次转换的周期为80s，而且最小的周期为5s,因此我们可以设计一个一周期为十六进制，每进制5s的控制器。可以利用74LS161的四位二进制加法功能实现控制器。假设Q0、Q1、Q2、Q3分别为74LS161的四个输出端，再假设主干道上的绿灯、黄灯、红灯分别为G1、Y2、R3，支干道上的绿灯、黄灯、红灯分别为G1、Y2、R3；”1”表示灯亮，”0”表示灯灭。得出信号灯的逻辑状态图和逻辑电路图如下图3.3.2 信号灯逻辑状态表 Q3 Q2 Q1 Q0图3.3.3组合逻辑电路图计数脉冲数输入逻辑变量灯的亮灭情况CPQ3Q2Q1Q0G1Y1R1G2Y2R200000100001100011000012001010000130011100001401001000015010110000160110100001701111000018100010000191001010001101010001100111011001100121100001100131101001100141110001100151111001010图3.3.4 主控制器真值表由真值表可得出如下逻辑关系：Y1= Q3Q2Q1Q0 = Q3 Q0+Q2Q1：R1=Q3 Q1+Q3Q2Q1 = Q3Q1 Q3Q2G1=Q3+Q3Q2Q1Q0 =Q3+ Q2Q1Q0Y2= Q3Q2Q1Q0R2=Q3+Q3Q2Q1=Q3+Q2Q1G2= Q3Q2Q1 +Q3Q2Q1 +Q3Q2Q1Q0= Q3 Q1Q0 Q3Q2 Q1 Q3Q2Q定时器产生的矩形方波（T=5s）经计数器统计后在输出端Q3Q2Q1Q0 形成二进制数从0000到1111循环，每个数字间间隔5s，当Q3Q2Q1Q0 =0000时，组合逻辑电路使绿灯变亮，并保持。当Q3Q2Q1Q0 =1001时，使黄灯变亮，同时，使绿灯1熄灭。其他灯的亮与灭的实现方法与此相同。 经过一系列计算可得到主控制器与指示灯连接的电路图为3.3.5所示。分频处理后的脉冲图3.3.53.4 倒计数器 根据主干道与支干道红绿灯交替状况可知：当主干道绿灯亮和支干道红灯亮时从50s开始计时，当到第5s时，主干道黄灯亮；第二次是当主干道为红灯时，支干道为绿灯，此时从30s开始计时，当到第5s时，支干道黄灯亮。如此循环往复，整个倒计时器完成。 由此可知，倒计数器的时钟脉冲应为秒脉冲，控制倒计数器开始工作和停止工作的都是主控制器。根据所学的元件中我们可以用74LS190、74LS191、74LS193等集成元件实现倒计数的设计，而由于74LS190是十进制可逆计数器，考虑到元件连接的简单性，我们用74LS190设计倒计数器。74LS190的功能表如图所示。 分析可知，显示器需有两个置数端，分别是50s和30s置数端，个位上直接接上信号脉冲，综上所述，可以画出电路图，如下图3.4.1所示：时钟脉冲30S置数端50S置数端 图3.4.1分析可知，由于74LS190要完成置数功能，所以高位应该有主控电路控制，而低位可以直接接入到秒脉冲发生器。当有信号进入时，两个高位的数字显示由主控电路控制，低位则由脉冲控制。此时，将74LS190接入到译码器上即可，选用译码器7447可完成相应功能。3.5 显示管译码器倒计数器通过显示管译码器与显示管连接，最终使倒计数器中的数据读出来。并且显示管的显示与熄灭可以通过显示管译码器控制，所以显示管在电路中起到很重要作用，根据所学的我们用74LS247型七段译码器。74LS247型七段译码器的功能表如图3.5.1所示。图3.5.1 74LS247七段显示译码器功能表A B图3.5.2 74LS247接线图其中A、B均与主控电路相连接，由主控电路对其进行置数。第四章 收获与体会通过本次简易交通信号灯控制器的设计，我学到了很多书本上没有的知识。课程设计是提高实际动手能力的有效方法，在设计过程中能够让我们进一步认识常用数字电子元件的类型和特性，并且掌握如何选用元件。刚开始拿到课题时，我们都觉得很难和无从下手，然而通过查阅资料、严谨的分析和反复论证后发现逻辑电路并没有看上去那么纷繁复杂，每一个复杂的逻辑电路都是由具有不同功能的模块组成的，这些模块独立实现各自的功能，再通过有机组合实现总的功能，这种思路对今后我们分析复杂问题具有指导意义。在设计中通过查阅资料培养了我们对课本知识与实践相结合的能力，提高了独立分析和解决实际问题的能力。在设计过程中，我们也遇到不少问题，也总结了很多经验，比如：今后设计电路时不仅要考虑其合理性，还要考虑其现实可行性，尽量使电路设计的简洁，原件用的少，这样才能避免不必要的错误发生。总之，实践出真知，我们只有将所学的知识运用到实践中，才能真正掌握这些知识，达到学以致用的目的。通过本次实践我和同学们学会了合作，学会了共同努力和解决问题，但是由于我们的知识水平有限，可能在设计的方案上会存在一些问题与不足，恳请老师斧正。附录A.主要元器件清单1. 四位二进制计数器 74LS161 4片2. 单时钟十进制可逆计