交通灯控制逻辑电路设计

1、PAGE 数字电子技术 课 程 设 计 题 目 交通灯控制逻辑电路设计 系 (部) 信息工程系 班 级 11通信1班 姓 名 学 号 指导教师 2013 年 7 月 1 日至 7 2013年 7课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数 缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现（20分）课设答辩（20分）说明书（20分）设计成果（40分）总成绩（100分）提问（答辩）问题情况综合评定 指导教师签名： 年 月 日课程设计说明书PAGE 目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc360786228 1 引言 PAGEREF _Toc360786228 h 1 HYPERLINK

2、l _Toc360786229 1.1 功能要求 PAGEREF _Toc360786229 h 1 HYPERLINK l _Toc360786230 1.2总体方案设计 PAGEREF _Toc360786230 h 1 HYPERLINK l _Toc360786231 2 设计原理 PAGEREF _Toc360786231 h 2 HYPERLINK l _Toc360786232 2.1 白天工作模式 PAGEREF _Toc360786232 h 2 HYPERLINK l _Toc360786233 2.2 夜晚工作模式和总设计图 PAGEREF _Toc360786233 h

3、 2 HYPERLINK l _Toc360786234 3 总体设计 PAGEREF _Toc360786234 h 3 HYPERLINK l _Toc360786235 3.1 单元电路 PAGEREF _Toc360786235 h 3 HYPERLINK l _Toc360786236 3.1.1 秒脉冲产生电路 PAGEREF _Toc360786236 h 3 HYPERLINK l _Toc360786237 3.1.2 信号灯转化器 PAGEREF _Toc360786237 h 4 HYPERLINK l _Toc360786238 3.1.3 JK触发器 PAGEREF

4、_Toc360786238 h 5 HYPERLINK l _Toc360786239 3.1.4 倒计时计数器 PAGEREF _Toc360786239 h 6 HYPERLINK l _Toc360786240 3.1.5 倒计时计数器与信号灯转化器的连接 PAGEREF _Toc360786240 h 7 HYPERLINK l _Toc360786241 3.1.6 黄灯闪烁控制 PAGEREF _Toc360786241 h 8 HYPERLINK l _Toc360786242 3.1.7 白天夜间模式的转换 PAGEREF _Toc360786242 h 9 HYPERLINK

5、 l _Toc360786243 3.2 时序仿真结果 PAGEREF _Toc360786243 h 9 HYPERLINK l _Toc360786244 3.2.1 白天工作模式 PAGEREF _Toc360786244 h 9 HYPERLINK l _Toc360786245 3.2.2 夜间工作模式 PAGEREF _Toc360786245 h 10 HYPERLINK l _Toc360786246 4 仿真软件简介 PAGEREF _Toc360786246 h 12 HYPERLINK l _Toc360786247 5 设计总结 PAGEREF _Toc36078624

6、7 h 13 HYPERLINK l _Toc360786248 6 参考文献 PAGEREF _Toc360786248 h 14 HYPERLINK l _Toc360786249 7 附录 PAGEREF _Toc360786249 h 15 PAGE 161 引言城市十字交叉路口为确保车辆、行人安全有序地通过，都设有指挥信号灯。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显效果。因此如何采用合适的方法，使交通信号灯的控制与交通疏导有机结合，最大限度缓解主干道与匝道、城市同周边地区的交通拥堵情况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门以待解决的

7、主要问题。以下就一个简单的交通灯控制系统的电路原理、设计和仿真测试等问题来进行具体分析。1.1 功能要求要求东西方向的红、黄、绿灯和南北方向的红、黄、绿灯按照上面的工作时序进行工作，黄灯亮时应为闪烁状态；1)南北和东西车辆交替进行，各通行时间24秒2)每次绿灯变红灯时，黄灯先闪烁4秒，才可以变换运行方向3)十字路口要有数字显示作为时间提示，以倒计时按照时序要求进行显示；4)可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀状态(选作：通行时间和黄灯闪亮时间可以在0-99秒内任意设定)1.2总体方案设计 G Y G Y R白天工作模式夜间工作模式 G 夜间工作模式 G Y R 信号灯转换器倒计时计数器秒脉冲

8、发生器图1-1 交通信号灯的逻辑框图2 设计原理南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，各20秒。南北方向黄灯闪亮4秒，东西方向红灯亮4秒。南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，各20秒。南北方向红灯亮4秒，东西方向黄灯闪亮4秒。2.1 白天工作模式南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，各20秒。南北方向黄灯闪亮4秒，东西方向红灯亮4秒。南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，各20秒。南北方向红灯亮4秒，东西方向黄灯闪亮4秒。图2-1 信号指示灯白天工作流程图2.2 夜晚工作模式和总设计图 南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮。因此总设计图如下图所示：东西信号灯东西信号灯南北信号灯组合逻辑电路计数器分频器秒

9、脉冲产生电路系统电源工作方式控制开关图2-2 总设计图3 总体设计3.1 单元电路3.1.1 秒脉冲产生电路秒脉冲产生电路的功能是产生标准秒脉冲信号，主要由振荡器和分频器组成。振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的进度决定了计时器的准确度，可由石英晶体振荡电路或555定时器与RC组成的多谐振荡器构成。一般来说，振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大，故在设计时，一定根据需要设计出最佳电路。石英晶体振荡器具有频率准确、振荡稳定、温度系数小的特点，但如果精度要求不高的时候可以采用555构成的多谐振荡器。振荡周期与频率的计算公式为：T=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2

10、)C,电源电压为Vcc=12V，其中电路图中C1的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，课程设计中要求输出T=1S，选取电容为C=10nF，R1=28.86M，根据振荡周期计算，选择电阻R2=57.72M。用multisim进行仿真，仿真图如图所示：图3-1 555构成的多谐振荡器此电路就可以产生脉冲频率为1赫兹的脉冲。以下对555定时器进行简介：NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。NE555图3-2 555定时器内部逻辑电路3.1.2 信号灯转化器信号灯状态与车道运行状态如下：S0:东西方向车道的绿灯亮，车道通行；南北方向车道的红灯亮

11、，车道禁止通行；S1:东西方向车道的黄灯亮，车道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；S2:东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道通行；S3：东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道缓行。用以下6个符号来分别代表东西（A）、南北（B）方向上个灯的状态：GA=1: 东西方向车道绿灯亮；YA=1：东西方向车道黄灯亮；RA=1：东西方向车道红灯亮；GB=1：南北方向车道绿灯亮；YB=1：南北方向车道黄灯亮；RB=1：南北方向车道红灯亮。 实现信号灯的转换有多种方法，现采用比较典型的方法进行设计，实现信号灯的转换工作。若选用JK触发器，则原理如下。3.

12、1.3 JK触发器设状态编码为S0=00,S1=01,S2=11,S3=10,其输出为Q1，Q2，则其与信号灯状态关系如表31所示。表3-1状态编码与信号灯关系表现态次态输出Q0 Q1 0 0 0 1 1 1 1 0Q0* Q1* 0 1 1 1 1 0 0 0GA YA RA GB YB RB 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0可以得出信号灯状态的逻辑表达式： GA =Q1Q0 YA =Q1 GB =Q1Q0 YB =Q1Q0 RB=QJK触发器的输出状态是与J输入端的状态相同的，同时分析表3-1，触发器0的现态与触发器1的次态相同

13、，触发器1的现态与触发器0的次态相反，因此可以将触发器0的输出端Q、Q（现态）分别接触发器1的J、K输入端（次态），触发器1的输出端Q、Q（现态）分别接触发器0的K、J端（次态），取触发器0为 、触发器1为 ，连接后的电路如下图所示：图3-3 JK触发器连接的电路图3.1.4 倒计时计数器十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们更直观的把握时间。具体工作方式为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1，计数方式工作，直至减到数位“4”和“0 倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。 根据要求，采用两片74190芯片构成计数器，因为74190是十进制同步

14、可逆计数器，它具有异步并行置数功能、保持功能。采用两片74190芯片可设计成0099的百进制计数器，再根据线路连接的改变将其连接成24进制计数器。 74190没有专用的清零输入端，但可以借助QD、QC、 QB、 QA的输出数据间接实现清零功能。其功能表如下图所示：表3-2 74190的功能表CTEN D/U CLK LOADA B C D QA QB QC QD 0 A B C D 0 1 1 减计数 0 0 1 加计数 1 1 0 0 0 0 要实现24s的倒计时，需选用两个74190芯片级联成一个从99到00的计数器，其中作为个位数的74190芯片的CLK接秒脉冲发生器，再把个位数7419

15、0芯片输出端QD用一个与门连起来，再接在十位数74190芯片的CLK端。当个位数减到0时，再减1就会变成9，0（0000）和9（1001）之间的QA 、QD同时由0变为1，把QA 、QD起来接在十位数74190芯片的CLK端，此时会给十位数74190芯片一个脉冲数字减1，相当于借位。则又74190芯片的功能性质可知，当个位数74190的C管脚和十位数74190的B管脚同时置1，CTEN端接低电频，加/减计数控制端D/U接高电频实现减计数，预置端LOAD接高电频时计数，接低电频时预置数。因此，工作开始时，LOAD为0，计数器预置数，置完数后，LOAD变为1，计数器开始倒计时，当倒计时减为00时，

16、LOAD又变为0，计数器又预置数，如此循环下去。则连接后的电路如下图所示：图3-4 倒计时计数器电路3.1.5 倒计时计数器与信号灯转化器的连接倒计时计数器向信号灯转换器提供定时信号T4和定时信号T0以实现信号灯的转换。TO表示倒计时减到数“00”时（即绿灯的预置时间，因为到“00”时，计数器重新置数），此时给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。接法为：把个位、十位计数器的输出端QA、QB、QC、QD分别用一个4输入或非门连起来，再把这两个4输入或非门的输出用一个与门连起来。T4表示倒计时减到数“04”时，给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯

17、的变为黄灯，红灯不变。接法为：当减到数为“04”（0000 0100）时，把十位计数器的输出端QA、QB、QC、QD用一个4输入或非门连起来，个位计数器的输出端QB、QD用一个两输入或非门连起来，再把这两个或非门与个位计数器的的输出端QA、QC用一个4输入与门连接起来。最后将T4和T0两个定时信号用或门连接接入信号灯转换器的时钟端。则连接图如下图所示： 图3-5交通灯信号控制器电路图3.1.6 黄灯闪烁控制要求黄灯为闪烁状态，即黄灯0.5秒亮，0.5秒灭，故用一个频率为1赫兹的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接至黄灯。在3.1.1中已用555定时器连接成了频率为1赫兹的多谐振荡器。3.1.

18、7 白天夜间模式的转换根据任务书的要求，要用一个手动开关来控制白天模式与晚上模式的改变。由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式可以看出，白天与夜间模式的转换由单刀双掷开关与与门或或门控制。当开关接上边时为白天工作模式，开关接地时为夜晚工作模式。则电路连接如下图3-5所示： 图3-6 白天夜间的切换开关在实际生活中，手动开关电路毕竟不方便，因此实际应用中可设计自动开关电路。用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现），作为白天与夜间的自动转换开关。这

19、样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。第二天天量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。在本次课程设计中选择使用手动切换白天与夜晚模式的选择。3.2 时序仿真结果3.2.1 白天工作模式交通灯从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用红、绿、黄发光二灯模拟。 在实际电路中，开关J2和J7闭合，使个位74190的C管脚接高电平，A、B、D接低电平；十位74190的B管脚接高电平，A、C、D接低电平，并且白天夜间的切换开关不接地。计数器的开关

20、如下图所示： 图3-7 置数法的开关连接方法白天的工作状态结果如下图3-7所示：图3-8 白天工作状态3.2.2 夜间工作模式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮，将设置的手动开关，拨动到接地状态。电路图工作结果如下图3-7所示： 图3-9 夜间工作状态4 仿真软件简介NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。

21、与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。有如下特点：1通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路 ；2通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为； 3借助高级电路分析, 理解基本设计特征 ；4通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试 ；5通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短研发时间。5 设计总结通过本次课程设计，使我对数电知识有了更深更广更深刻的理解和掌握。课设的学习不同于课本的学习，课设是真正要求一个人的思维能力的，课程设计中的每一步没一个小小的细节都必须做到准确无误。这次课程设计更让我

22、懂得了一个严谨的思维是多么的重要。电路的连接，芯片和其它各种器件的放置，电路的检查，都需要一个人的动手能力，对个人的能力提高很有帮助。时间很紧，这一周又在忙碌中过去了，经过一周的数电课程设计，我从原先看见电路图就一头雾水到现在能够设计复杂的数字钟电路，并且能够实现电路的仿真与实物板的制作与调试，之间的巨大变化着实令人吃惊。但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题，正是在解决问题的期间我才慢慢地熟悉了数字电子技术基础的基础知识，才慢慢学会了如何去按照给定的要求设计出合适的电路，作出电路的实物并对电路进行调试。本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计一个符合要求的数字钟，本次设计不仅要求我们要掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对数字钟的各个组成部分的原理，包括振荡器的原理、计数器的原理、译码驱动原理都有深刻的理解和掌握，本次课程设计最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且