电子技术交通灯控制电路设计.doc

课程设计(论文)题 目 名 称 交通灯控制电路设计 课 程 名 称 电子技术课程设计 学 生 姓 名 谢 隆 学 号 0841229249 系 、专 业 电气工程系及其自动化 指 导 教 师 李 海 娜 2010年 1 月17日邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业08电气自动化学生姓名谢隆学 号0841229249题目名称交通灯控制电路设计设计时间2010.12.6-12.17课程名称电子技术课程设计课程编号121202306设计地点电气楼电子实验分室、机房一、课程设计（论文）目的通过课程设计，使学生加巩固和加深对电子电路基本知识的理解，学会查寻资料、方案设计、方案比较，以及单元电路设计计算等环节，进一步提高学生综合运用所学知识的能力，提高分析解决实际问题的能力。锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领，通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。二、已知技术参数和条件用中小规模集成芯片和电子元器件设计并制作一交通灯控制电路，具体要求如下：1、要求东西方向车道和南北方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为主道45s，支道25s，时间可设置修改。2、在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5s，才能变换运行车道。3、东西，南北方向的车道除了有红、绿、黄灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示（采用倒计时的方式）。4、同步设置人行横道红、绿灯指示。三、 任务和要求1. 按学校规定的格式编写设计论文。2. 论文主要内容有：课题名称。设计任务和要求。方案选择与论证。方案的原理框图，总体电路图、布线图，以及它们的说明；单元电路设计与计算说明；元器件选择和电路参数计算的说明等。用protuse或其它仿真软件对设计电路仿真调试。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。注：1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）张克农 主编.数字电子技术. 高教出版社出版.第一版.2006年彭介华 主编.电子技术课程设计指导.高教出版社出版.第一版.2002年曾建唐 主编.电工电子基础实践教程.机械工业出版社.2002年康光华 主编.电子技术基础.高教出版社出版.第四版.1999年电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：示波器型号规格VP-5220、电子学习机型号规格WL-V、万用表MF10；以及分立元件、或中规模集成芯片。五、进度安排2010年12月6日-7日：收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求；2010年12月8日-9日：总体方案设计，方案比较，选定方案的论证及整机电路的工作原；2010年12月10日-15日：单元电路设计，参数计算，元器件选择，电路图；2010年12月16日；整理书写设计说明书 2010年12月17日：答辩六、教研室审批意见教研室主任（签字）： 年 月 日七|、主管教学主任意见 主管主任（签字）： 年 月 日八、备注指导教师（签字）： 学生（签字）：邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名 谢隆 学 号 0841229249 系 电气工程系 专业班级 08电气一班 题目名称 交通灯控制电路设计 课程名称 数字电子技术 一、学生自我总结在设计过程，经常会遇到这样的情况，就是心里想老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宵云外去了吧！ 学生签名： 年 月 日二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权 重304030单项成绩指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。摘 要城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。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。在本次课程设计里，将以传统的设计方法，利用数字电路的基本知识，来实现一个简单的交通信号灯控制系统。关键字：脉冲发生器；移位寄存器；计数器；数码显示管；信号灯目 录摘要.1一系统论述21.1 原理框图21.2 设计思路22 单元电路设计与分析32.1 秒脉冲发生器32.2 主控制器模块和信号灯模块32.3 倒计时计数器模块52.4 显示模块83 系统综述113.1 总体电路图113.2 仿真结果144 结束语154.1 收获与体会154.2 鸣谢164.3 元件明细表16参考文献171 系统论述1.1 原理框图 十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。交通控制器模块的原理框图如图1所示。图1 交通控制器原理框图1.2 设计思路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。2 单元电路设计与分析2.1 秒脉冲发生器常见的能产生秒脉冲的器件有晶体振荡器、单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器等。晶体振荡器产生的脉冲稳定、精确，但可获得的最低脉冲值为32768Hz，本实验需要的是秒脉冲（1Hz），需将晶体振荡器产生的脉冲经过15级分频（可用四片74LS161级联实现）才能得到。单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器都可以直接产生1Hz的脉冲。但单稳态触发器和施密特触发器产生的脉冲是经过对波形的整形得到的，需要输入波形，这显然增加了电路的复杂性。而多谐振荡器则不需要输入波形，直接选取合适的电阻和电容，接上5V的电源，就可以直接产生1Hz的脉冲。因此，本实验选取多谐振荡器来产生秒脉冲，取R1=44.2k，R2=50k，C=10uF，则T=（R1+2*R2）*C*ln2=0.9995s1.000s，其误差为0.5%，对于交通灯的控制，这个精度已经完全符合要求。用多谐振荡器产生秒脉冲的电路图及其工作波形如图2所示。（a）电路图 （b）工作波形图2 用多谐振荡器产生秒脉冲本设计中倒计时模块的脉冲就运用此555构成的多谐振荡器产生的秒脉冲来驱动。2.2 主控制器模块和信号灯模块主控制器由移位寄存器74LS194构成，主要控制信号灯显示和提供计数器的置数。要实现“主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒”和“每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡”，则主、支干道两组信号灯总共有四种状态：状态1：主干道绿灯亮，车道通行；支干道红灯亮，车道禁止通行表1 74LS194功能表状态2：主干道黄灯亮，车道缓行；支干道红灯亮，车道禁止通行；状态3：主干道红灯亮，车道禁止通行；支干道绿灯亮，车道通行；状态4：主干道红灯亮，车道禁止通行；支干道黄灯亮，车道缓行。交通灯按这四种状态依次循环工作，要实现这一功能可以用触发器构成时序电路、译码器和移位寄存器。本设计只需进行四个状态的转换，用触发器构成的时序电路太复杂，而且不好实现。四个状态用二线-四线译码器也可实现。但是如果用移位寄存器74LS194，则只需要在一个cp脉冲就可以实现四个状态之间顺利转换，而且在后面的倒计时预置数模块中，也能巧妙地运用寄存器的移位功能，可以说寄存器的灵活运用是本设计的最大亮点之一。74LS194的功能表如表1所示。由表1可知，74LS194主要逻辑功能有：同步置数功能：当RD、S1、S0 都接高电平时，来一个CP上升沿，就将D C B A四个数分别置入QD QC QB QA 中。 移位功能：当RD =1，S1 +S0=1，且S1 S0 =0，来一个CP上升沿就移一位。RD S1 S0 DSL DSR CPD C B AQD QC QB QA说明0 x x x x x 1 1 1 x x 1 1 0 DSL x 1 0 1 x DSR 1 0 0 x x x x x xD C B Ax x x xx x x xx x x x0 0 0 0D C B AQA QD QC QBQC QB QA QDQD QC QB QA清零并行输入左移右移保持用移位寄存器74LS194构成的信号灯模块电路图如图3所示。图3 用74LS194构成的信号灯模块电路图图中cp为555多谐振荡器产生的秒脉冲，cp1为倒计时计数器归零时产生的脉冲。QD与SR相连，打开电源前，先将J1置于cp档，J2置于VCC档，移位寄存器准备置数。当来一个cp上升沿时，就能够将预先设置好的数A B C D置入QA QB QC QD中。由于A接了高电平，则QA也为高电平，此时主干道绿灯和支干道红灯亮。然后将开关J1和J2都置于各自的另一档，即J1接cp1，J2接地，构成右移移位寄存器，当cp1来一个上升沿时寄存器右移一次。寄存器的四个状态如图4所示。每个状态中只有为高电平的那一组信号灯亮，即第一个状态时主干道绿灯G1和支干道红灯R2亮；第二个状态时主干道黄灯Y1和支干道红灯R2亮；第三个状态时主干道红灯R1和支干道绿灯G2亮； 图4 寄存器四个状态图第四个状态时主干道红灯R1和支干道黄灯Y2亮。在cp1的作用下依次循环进行上 面的状态转换，实现信号灯的功能。2.3 倒计时计数器模块构成倒计时计数器的芯片有74LS190、74LS191和74LS193等。74LS190为单时钟十进制可逆计数器，74LS191为单时钟四位二进制可逆计数器，74LS193为双时钟四位二进制可逆计数器。由于本设计需要的是十进制倒计时计数器，故74LS190成为我们的首选。由设计要求可知，需要构成45s、25s和5s的倒计时计数器，而本设计的三个倒计时是一次显示的，每个倒计时模块时间没有冲突，则只需要一个两位数的倒计时计数器就可以实现，因此可以用两片74LS190级联。设计中只需要在每个倒计时结束的时候（即倒计时为0）产生一个脉冲来控制计数器的置数。由于本设计需要的是45s、25s和两个5s总共四个倒计时，对于这一点，本设计是通过移位寄存器来实现的，所以说移位寄存器的运用是本设计的一大亮点。74LS190芯片如图5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，CLK为时钟输入端。 图5 74LS190芯片图74LS190的功能表如表2所示。 表2 74LS190功能表输入输出说 明LD CT U/D CP D C B AQD QC QB QA0XXXD 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。74LS190为十进制计数器，所以四个需要置的数分别为：高位：QD QC QB QA 低位： QD QC QB QA45 ： 0 1 0 0 0 1 0 15 ： 0 0 0 0 0 1 0 125 ： 0 0 1 0 0 1 0 15 ： 0 0 0 0 0 1 0 1由此可见，高位的QD、QA和低位的QD、QC、QB、QA六列数在完全相同，所以这六位只需要预先置入固定的数就可以实现。而高位的QC和QB分别需要在四个时刻置入0001和0100，仔细观察这两组数可以发现，它们分别是移位寄存器的两个状态，因此只需要将移位寄存器的QD与计数器高位的C相连，寄存器的QB与计数器高位的B相连就可以实现这两组数的循环置入。倒计时计数器模块的电路如图6所示。图6 倒计时计数器模块电路首先需将两片74LS190级联成100进制的计数器，即将低位的进位端输入到高位的控制端CTEN，为了提高速度，两片采用同步级联的方式。加减控制端接高电平，可构成减计数器。由于需要在每个倒计时结束时对计数器重新置数，倒计时结束时计数器八个输出端为00000000，将这八个输出端全“或”起来，即Q=Q0+Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7，则只有八个输入端全为0的时候输出Q为0，其余的情况输出Q为1。74LS194的置数端LOAD为低电平有效，又因为其置数端由移位寄存器所控制，移位寄存器的移位脉冲是由Q所产生，设计中需要移位和置数同时进行，因此需将计数器的归零脉冲接到计数器的置数控制端LOAD和移位寄存器的移位脉冲上。计数器刚开始工作时需要预先置入第一个数45，即高位的QC为1，而QC所接的移位寄存器的QD此时为低电平，因此设计中加了一个开关J4来为计数器提供正确的置数条件；而J3是用来控制计数器的倒计数的，防止交通灯未进入初始状态就开始计数。打开电源前，使计数器为置数功能。在计数器将初始状态45置入输出端之后，一次将J3、J4开关置入到各自的另一端，计数器开始正常工作。计数器归零时会产生一个归零脉冲，控制计数器重新置数，置数后再倒计时计数，实现循环置数并倒计时的功能。2.4 显示模块方案：本设计要求将各个倒计时时间用数码管显示出来。数码管有两种，7段显示数码管和集成7段显示数码管，7段显示的有七个输入端，分别对应数码管发光的7段，需用7447驱动；而集成7段显示数码管是将7447集成到数码管内部，输入端只有四个，分别与计数器的四个输出端对应相连即可。所以本设计采用集成7段显示数码管，其电路连接如图10所示。图10 7段显示数码管的连接电路数码管的左端为高位输入端，右端为低位输入端，所以电路连接采用上面的方法。对于这两种方案，我们选择第二种方案。此设计电路所选用的倒计数显示数码管采用的是四端输入，无需驱动电路，这样既节省了设计材料，也简化了电路，便于连接和现实。而第一种方案相对于第二种方案来说较复杂，因此我们选择第二种方案。3 系统综述3.1 总体电路图综上分析，我们得出交信号灯控制系统的总体电路，如图11所示。X1、X2、X3分别表示主干道的绿灯、黄灯、红灯；X3、X4、X5分别表示支干道的绿灯、黄灯、红灯。4首先是用555够成多谐振荡器产生一个频率为1Hz的方波信号，其周期为1s，也就是秒脉冲，用以驱动74LS190构成的计数器进行倒计时功能。用74LS194构成右移位寄存器，构成交通灯的主控电路，驱动信号灯的显示和提供计数器的预置数。用74LS190同步级联构成100进制的倒计时计数器，并在其输出端加入逻辑或门，使其输出全为0的时候产生一个脉冲信号，驱动移位寄存器进行移位和计数器的重新置数。将集成7段数码管与计数器的输出端直接对应相连，显示倒计时时间。开始运行系统前，