Word版可编辑-用数字电路对交通灯控制电路的设计精心整理.doc

学院代码 学号 分 类 号 密级 本科学年论文（设计）交通灯设计学院、系 专业名称 年 级 学生姓名 指导老师 2012年 月 日 学年论文指导教师评阅意见学 生姓 名 专 业班 级 学号 （论文）题目交通灯设计指导教师 教师职称 学年论文评语 评定成绩： 指导教师签名： 年 月 日 交通灯设计摘要交通信号灯常用与交叉路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。 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。主要由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路及夜间黄灯闪烁模式组成。秒脉冲发生器由NE555产生脉冲，计时器由74LS160实现，控制器由74LS153和74LS74组成，译码电路采用74LS48和七段数码管来显示。本实验设计目的是培养数字电路的能力，掌握交通信号灯控制电路的设计方法。 关键词：交通灯，秒脉冲发生器，主控器，计数器，译码电路 The design of traffic-light Author:qinwurina Tutor:Baodujiya AbstractTraffic lights and intersection, used to control the flow of cars, improving the intersection vehicle traffic capacity, reduce the number of traffic accidents. With traffic lights safety travel has a great deal of security of people. This design through the use of traffic light control circuit design of digital circuits, make digital signal control intersection traffic light control circuit of two groups of red, yellow, and green traffic lights state transition method, commanding various vehicles and pedestrians safe passage, implementation of traffic management automation. Mainly by the second pulse generator, timers, controllers, display decoding circuit and night consisting of yellow lights flashing mode. Second pulse generator by NE555 pulse, timer is implemented by 74LS160, the controller is composed of 74LS153 and 74LS74, decoding circuit using 74LS48 and seven-segment digital tube display. This experiment is designed to develop the capacity of digital circuits, design method of mastering traffic light control circuit. Keywords: traffic lights, pulse generator, master, counters, decoding circuit目录1绪论12电路设计22.1基本原理与设计方法22.2单元电路设计与分析42.2.1秒脉冲发生器42.2.2控制器52.2.3计数器72.2.4控制信号灯的译码电路82.2.5显示部分102.2.6夜间模式102.3总电路图113系统的仿真和总原理图123.1单元电路部分仿真和调试123.1.1控电路和信号灯译码电路的仿真与调试123.1.2计数器电路的仿真和调试123.1.3时钟信号电路的仿真与调试123.2整体电路的仿真与调试13总结14致 谢15参考文献16附录17 1绪论在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。交通信号灯常用与交叉路口，其中红灯亮表示道路禁止通行；黄灯亮具有警示交通灯将要转变颜色的警示作用；绿灯亮表示该道路允许通行。交通灯通过状态的转换，指示车辆以及路人的通行，保证车辆以及行人有秩序的通过路口，实现十字路口交通管理的自动化，对人们的安全出行有了很大的保障。 自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化、科学化、简便化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。本次实训设计是根据对逻辑功能的要求及对所学的电子技术基本理论知识的综合运用进行电路的独立设计，仿真，实验，调试以及写出实训论文。根据这次实训设计的内容和要求，我们小组首先进行了整体方案的构思，通过查阅相关书籍和综合已学过的数字电路的知识进行分析和比较，定下了一个可行性高的方案。然后通过各种途径的查阅资料，并已学过的数字电路的知识从所给的元件中选择出符合我们构思的电路原理的元件，最后考虑到电路的稳定性，可控性以及电路简单与否等因素，在交通灯基本功实现的基础上考虑实现其扩展功能，即夜间模式。接下来就是电路各个部分的设计，最终连成了整体的电路，通过仿真确定电路的可行性。之后就是紧张的电路连接以及在连接的过程中进行电路的调试，期间还进行了部分方案的改动及改进，实现了本次交通灯设计的主要任务和具体要求。这篇论文主要由电路的基本原理与设计方法，单元电路的设计与分析，电路的仿真以及电路当中所涉及到的各个芯片的原理所构成的。 2电路设计2.1基本原理与设计方法有一个主干道和支干道的十字路口如图所示，每边都设置了信号灯，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒，以便让停车线以外的车辆停止运行，因为主干道车流量较多，所以主干道放行时间长。如图 2.1 图 2.1 十字路口示意图在实际情况下，一个十字路有一个甲车道和一个乙车道。甲车道的车流量较大，即要求甲车道绿灯亮的时间长，乙车道正好相反。设A代表甲车道，B代表乙车道；R代表红灯亮，Y代表黄灯亮，G代表绿灯亮。且设甲、乙干道红、黄、绿灯亮的四种状态分别由Q1、Q0的四种数值组合表示，如下：1.Q1Q0为00时，甲车道绿灯与乙车道红灯亮，即：AG、BR，时间持续20s；2.Q1Q0为01时，甲车道黄灯与乙车道红灯亮，即：AY、BR，时间持续5s；3.Q1Q0为10时，甲车道红灯与乙车道绿灯亮，即：AR、BG，时间持续20s；4.Q1Q0为11时，甲车道红灯与乙车道黄灯亮，即：AR、BY，时间持续5s；四个状态以00-01-10-11的顺序循环出现。其工作流程图如图2.2所示状态00持续40s支干道红灯亮甲车道绿灯亮状态01持续5s乙车道红灯亮甲车道黄灯亮状态10持续20s乙车道绿灯亮甲车道红灯亮状态11持续5s乙车道黄灯亮甲车道红灯亮图2.2工作流程图 述交通信号灯的自动控制，系统主要 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，由它控制计数器和译码器的工作。整个电路的原理框图如图 2.3所示 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第4页 计时器 A车道 信号灯控制器 秒脉冲 发生器译码器B车道 信号灯图2.3设计框图2.2单元电路设计与分析2.2.1秒脉冲发生器秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成，其中电阻电容值决定了脉冲宽度。既T=(R1+2R2)C2.当T=1S，即可凑出R1、R2、C2其中C1=0.01uF是为了保持输出的波形的稳定。NE555引脚图如图 2.4所示 图 2.4 NE555引脚图可以调整多谐振荡器的占空比，从而产生1HZ的矩形脉冲。电路参数如下： 已知C1=0.01uF，C2=10uF ，根据多谐振荡器振荡剧期计算公式 T=tpl+tp20.7(R1+2R2)C2，则R=T/ (2.1C2)=1/(2.11010-6) 47电路如图 2.5所示 图 2.5秒脉冲发生器2.2.2控制器控制器是交通管理的核心，选用两个D触发器74LS74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，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，就可以列出了状态转换信号ST。如表2.1所示表2.1 控制器状态转换表根据上表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： 用四选一数据选择器和D触发器实现，设A1A0 = Q1nQ0n ，其他变量通过数据输入端输入。数据选择器用74LS153，触发器用74LS74。设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将TL、 TS、TY看作输入信号，按照由数据选择器实现逻辑函数的方法实现以上三个逻辑函数，并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端，数据选择器的输入端信号可以根据状态方程和转换信号方程得出。就可得到控制器的原理图，触发器的时钟输入端输入秒脉冲。系统的输出是在Q1Q0驱动下的六个发光二极管，触发器记录4种状态，多路转换器与触发器配合实现4种状态的相互交换。电路图如图 2.6所示 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 5 页 图 2.6 主控器图2.2.3计数器计数器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。计数器选用集成电路74LS160进行设计较简便。74LS160是10进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。74LS160功能表如表4-1所示。其真值表如表 2.2所示表 2.2 74LS160真值表 端口：TC 进位输出端CEP 计数控制端Q0Q3 输出端CET 计数控制端CP 时钟输入端（上升沿有效）MR 异步清除输入端（低电平有效）PE 同步并行置入控制端（低电平有效） 图 2.7计数器图2.2.4控制信号灯的译码电路主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表1-8所示。表中A、B代表甲、乙车道。控制器状态编码与信号灯关系表主控制器的三种状态分别是要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮灭。设灯亮为1，灯灭为0，电路如图2.8 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 7 页图2.8 译码电路图 控制信号灯的译码电路真值表如表 2.3表 2.3 译码电路真值表Q1 Q0AG绿灯AY黄灯AR红灯BG绿灯BY黄灯 BR红灯 0 01000010 10100011 00011001 1001010 发生器产生了周期性变化的CLK脉冲，一部分送给了定时器的74LS160芯片，由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CLK脉冲，一部分送给了定时器的74LS160芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST同时加到定时器74LS160芯片的情况下，通过芯片74LS10将会输出TY、TY非；TL、TL非。即TY和TY非放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和TL非放大的结果是秒脉冲的20倍。前者输出的信号是后者的1/5。将定时器输出的TY。TY非；TL。TL非分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片74LS08组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。2.2.5显示部分 显示部分由74LS48和共阴极七段数码管组成，74LS48作为译码器，对74LS160的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出74LS160的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计如图2.9 图2.9 显示图2.2.6夜间模式为了节省能源，在夜晚车流量少时，会转换成夜间模式，即黄灯闪烁模式。用单刀双掷开关将夜间模式与日间模式的电路的总电源连接起来即可。电路如图 2.9所示图 2.10夜间模式原理图 2.3总电路图总原理图如图 2.11所示图 2.11 总电路图 3系统的仿真和总原理图 一个电路系统的设计能否实现需要进行实践，而实践需要大量的时间和资金，因此，对一个设计好的系统进行仿真与调试在系统设计中起着关键作用。即实物电路是否符合仿真电路图，是否与现实生活中的情况相一致。具体包括对主控器和信号灯译码电路、计数器电路和时钟信号电路的调试。3.1单元电路部分仿真和调试 单元电路部分包括主控电路和信号灯译码电路、计数器电路，时钟信号电路，在仿真时需要对三部分进行仿真与调试3.1.1控电路和信号灯译码电路的仿真与调试主控电路采用74LS160芯片作为交通灯的选择通道。由交通灯电路设计要求可知，整体电路有四个状态S0，S1，S2，S3；甲、乙车道均有三个状态L0，L1，L2。如下S0 甲绿灯L0，乙红灯L0 即 AG=1 BR=1；S1 甲黄灯L1，乙红灯L0 即 AY=1 BR=1；S2 甲红灯L2，乙绿灯L1 即 AR=1 BG=1；S3 甲红灯L2，乙黄灯L2 即 AR=1 BY=1；对于主控器，要求给主控器输入端的变化脉冲端每来一个脉冲时，主控器的计数器加1，在输出端选中下一个状态的信号灯使其处于明亮状态，直到下一个脉冲到来使之熄灭，进入下一个状态。如此循环，从而实现交通灯信号灯系统四种状态的循环变换。仿真时对电路输入单次脉冲，观察每次脉冲输入端时，信号灯状态的变化。若系统工作不稳定或缺少状态，则对主控电路进行调试直至正常工作。3.1.2计数器电路的仿真和调试 计时电路采用74LS160芯片对时间进行计时，连接74LS153使之置零，采用74LS48芯片对输出码进行译码输出，并用数码管显示，进行计数电路的组装和调试时当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到20，能输电有效的定时时间到信号。3.1.3时钟信号电路的仿真与调试时钟信号电路由NE555与两个48的电阻，一个0.01uF的电容，一个10uF的电容构成。仿真时，将脉冲输出端连接一个非门再连接一个灯，观察是否一秒灯变一次，若是怎电路完好，否则对电路进行调试，直到灯正确、稳定的亮灭。3.2整体电路的仿真与调试对于单个电路仿真调试成功后，进行连接，组合成完整的交通信号灯系统，然后对整个电路系统仿真调试。接上电源,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20，甲车道方向绿灯亮，行人车辆都可自由通行；乙车道方向车道的红灯亮，车辆禁止通行。时间显示器从预置的0秒，以每秒增1，增到20时，甲道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。从增至5秒又到0后时甲车道的黄灯转换为红灯；乙车道的红灯转换为绿灯。如此循环下去。通过仿真和调试后，整个系统能够完成要求的功能，实现交通信号灯的自动控制。那么这个交通信号灯电路设计完成。在整个调试过程中需要不断的尝试，这样才能设计成功一个电路。 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 16 页 总结本设计采用74LS160 与74LS153作为控制器，实现具有计数功能，夜间模式（需要黄灯亮着提醒人们前方有路口即可）的交通灯。基本能实现东西、南北直行和转弯灯的显示功能。并充分发挥对所学知识的理解和对毕业设计的思考及书面表达能力，最终完成了。这为自己今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验。撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。通过设计我体会到了我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。撰写论文时，也让自己认识到做每件事都应认真对待，要规范、严谨。通过这次设计，加强了我的动手、思考、解决问题的能力。在做设计的同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本知识太多且考试内容有限，导致平时不能很好地理解和运用各个元件的功能，所以在这次设计中是我很好地了解了各元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。而且通过本次设计，我还学会了用Proteus对数字电路进行设计及模拟仿真。本次设计还有很多不足之处，比如没有倒计时功能，用的芯片过多。在这个过程中最困难的莫过于连接电路，由于芯片，导线及操作者的关系反复连接了许多次。而且支干道的主控器不从S0状态开始导致两个干路不一致，最后在老师的建议下接了低电平才使得电路运行顺畅。通过本次设计，我认识到了自己在知识方面以及经验方面的缺乏，而这也是我今后需要加强的地方。 内蒙古大学本科学年论文(设计) 第 15 页 致 谢 在论文完成之际，我要感谢我尊敬的导师 本文是在 老师精心指导和大力支持下完成的。在课题完成的整个过程中，导师给我指明研究方向，指导我抓住问题的关键，导师对我言传身教、关心备至，正是他孜孜不倦和细致入微的教诲激励着我完成了本论文的研究工作。吉雅老师严谨的治学态度、渊博的科研知识、孜孜不倦的探索精神和乐观豁达的人生态度将激励我在未来的学习、工作和生活中不断进步。通过这次设计，我的理论知识与动手能力都有很大的提高，在论文撰写期间，我还要感谢许多让我分享他们宝贵经验和知识