交通燈控制器1

1、 課程設計說明書課程設計名稱： 脈沖數(shù)字電路 課程設計題目： 交通燈控制器 學 院 名 稱： 信息工程學院 專業(yè)： 通信工程 班級： 090421班 學號： 09042130 姓名： 堯國振 評分： 教師： 20 11 年 09 月 22 日 數(shù)字電路 課程設計任務書20 11 20 12 學年 第 1 學期第 2 周 3 周 題目交通燈控制器內(nèi)容及要求1.采用時基電路、主控電路、譯碼電路組成的交通燈控制器2.增加自動夜間開關功能，黃燈亮(使用光敏三極管)3.增加手動功能，方便盲人通過進度安排1. 布置任務、查閱資料、選擇方案，領儀器設備：3天； 2. 領元器件、焊接、制作：3天3調(diào)試：2天4

2、. 驗收：0.5天5. 提交報告：本學期37周學生姓名：堯國振指導時間:第23周指導地點：e 樓 601 室任務下達20 11 年09月10 日任務完成2011 年09 月17 日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4.其它指導教師徐新河系（部）主任付崇芳注：1、此表一組一表二份，課程設計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、 課程設計結(jié)束后與“課程設計小結(jié)”、“學生成績單”一并交院教務存檔。目錄前言3第一章 設計內(nèi)容及要求4第二章 系統(tǒng)設計方案選擇 2.1 方案一52.2 方案二6第三章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1 系統(tǒng)組成.73.2 工作原理.7第四章 單元電路設計、參數(shù)計算、

3、器件選擇4.1 脈沖產(chǎn)生電路.84.2 控制電路.84.3 時間設置電路.94.4 計數(shù)電路.104.5 顯示輸出電路.124.6 紅黃綠燈控制電路.13第五章 實驗、調(diào)試及測試結(jié)果分析.15結(jié)論.19參考文獻.21附錄一.21附錄二.22 前 言隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關注。人、車、路三者關系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分 不同的城市有不同城市的問題，但共性就是混合交通流問題。在交叉口如何解決混合交通流中的相互影響或彼

4、此的相互影響，就是解決問題的關鍵！隨著我國城市化建設的發(fā)展，越來越多新興城市的出現(xiàn)，使得城市交通成為了一個絕對主要的問題。同時隨著我國經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，隨著城市機動車量的不斷增加，人民的生活水平日漸提高，越來越多的汽車進入尋常老百姓的家庭,許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況，再加上政府大力發(fā)展的道交、出租車，使得車輛越來越多，這不僅要求道路要越來越寬闊，而且要求有新的交通管理模式和交通規(guī)則的出臺。因此，自80年代后期，很多城市紛紛擴建城市道路，在道路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對道路的系統(tǒng)研究和控制，加寬道路并沒有充分發(fā)揮出

5、預期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特點，也決定了城市道路的交通狀況必然受這種路況的制約。 于是，舊的交通控制系統(tǒng)的弊病和人們越來越高的要求激化了矛盾，使原來不太突出的交通問題被提上了日程。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的多車道城市道路，緩解城區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。 由于交通路口的形狀和規(guī)模不一，所采用的信號燈的數(shù)量、控制要求不一，控制的復雜程度也就不一樣，為此有關部門愈來愈多的注重在交通管理中引進自動化、智能化技術(shù),比如“電子警察”、自適應交通信號燈以及耗資巨大的交通指揮控制系統(tǒng)等。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步

6、，道路交通已愈來愈成為社會活動的重要組成部分。對交通的管控能力，也就從一個側(cè)面體現(xiàn)了這個國家對整個社會的管理控制能力，因此各國都很重視用各種高科技手段來強化對交通的管控能力。第一章 設計內(nèi)容及要求基本要求 1) 用數(shù)字電路實現(xiàn)下面功能南北向綠燈亮，東西向紅燈亮30s南北向黃燈亮，東西向紅燈亮6s南北向紅燈亮，東西向綠燈亮30s南北向紅燈亮，東西向綠燈亮6s圖1.1 交通燈控制器控制流程圖 2) 增加自動夜間開關功能，黃燈亮(使用光敏三極管) 3)增加手動功能，方便盲人通過提高要求 1)要求顯示剩余時間 2)增加拐彎時序主要參考元器件：74ls74，74ls00，74ls168，74ls248，

7、74ls161，74ls08第二章 系統(tǒng)設計方案選擇2.1 方案一此方案邏輯清晰，通過計數(shù)器和組合邏輯電路來控制主次紅黃綠燈的亮與滅，在交通燈亮滅的同時，再通過組合電路來控制主次道的計數(shù)，比如計數(shù)器通過組合邏輯電路使紅燈亮，同時通過組合電路使主道開始計數(shù)。此電路的缺點：由于主次道紅黃綠燈的時序要求不同，通過計數(shù)器和組合邏輯電路來控制主次道紅綠燈的亮滅會是組合邏輯電路變得很復雜，主次道實現(xiàn)定時倒計數(shù)比較困難，而且為接近實際情況應該設置置數(shù)控制來對等亮滅的時間進行調(diào)整等，對圖1的原理框圖來說，每一次調(diào)整都需要重新改編組合邏輯電路，這個過程相當繁雜。2.2方案二在設計要求中要實現(xiàn)四種狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換，

8、首先要把這四種狀態(tài)以數(shù)字的形態(tài)表示出來。可以用兩位二進制數(shù)表示所需狀態(tài)（00gr, 01yr, 10rg, 11ry）,循環(huán)狀態(tài)：（0001101100）。我根據(jù)數(shù)字電路課程中介紹的計數(shù)器，利用74192設計一模值為4的計數(shù)器，其輸出（代表不同狀態(tài)）既可以循環(huán)轉(zhuǎn)換，控制主干道和支干道的紅黃綠燈亮的情況，而且能夠控制其他部分電路。然后，又采用一片192作為計時部分通過一片248芯片來對數(shù)碼管進行顯示。 電路的基本框圖：時基電路20秒定時5秒定時30秒定時主控電路譯碼電路紅 綠 黃(主)紅 綠 黃(支)相對來講，第二個放案原理更清晰，可操作性更強，也更符合實際，故選擇第二個方案。第三章 系統(tǒng)的組成

9、及工作原理3.1 系統(tǒng)的組成本次系統(tǒng)主要由：控制電路，預置電路，倒計時電路，顯示電路，秒脈沖發(fā)生器開關控制電路。1.脈沖產(chǎn)生電路。設置好參數(shù)r1,r2和c就可以產(chǎn)生交通燈控制器所需要的1秒的脈沖。2. 預置電路。因十字路口每個方向綠、黃、紅燈所亮時間分別為5:1:6，所以通過4片74ls153芯片分別與秒脈沖連接產(chǎn)生4倍分頻（既是4秒的脈沖）。3.系統(tǒng)控制電路。選用74ls112jk觸發(fā)器組成00-01-10-00循環(huán)狀態(tài)控制交通燈的亮滅和數(shù)碼管的顯示。4.顯示部分電路。顯示控制部分實際上是一個定時控制電路。當綠燈亮時，使減法計數(shù)器開始工作（用對方的紅燈信號控制），每來一個秒脈沖，使計數(shù)器減1

10、，直到計數(shù)器為“0”而停止。譯碼顯示用74ls48 bcd碼七段譯碼器。顯示器用lc5011-11共陰極led顯示器，計數(shù)器材用可預置加、減法計數(shù)器，如74ls192。3.2 工作原理它主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時器和控制器的標準時鐘信號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時器和譯碼器的工作。控制器部分它由74ls164組成扭環(huán)形計數(shù)器，然后經(jīng)譯碼后輸出十字路口南北、東西兩個方向的控制信號。其中黃燈信號必須滿足閃耀，并在夜間時，使黃燈閃亮，而綠、紅燈滅。數(shù)字顯示部分當南北方向綠

11、燈亮，而東西方向紅燈亮時，使南北方向的74ls168以減法計數(shù)器方式工作，從數(shù)字“24” 開始往下減，當減到“0”時，南北方向綠燈滅，紅燈亮，而東西方向紅燈滅，綠燈亮。由于東西方向紅燈滅信號（ewr：0）使與門關斷，減法計數(shù)器工作結(jié)束，而南北方向紅燈亮使另一方向東西方向減法計數(shù)器開始工作。在減法計數(shù)開始之前，由黃燈亮信號使減法計數(shù)器先置入數(shù)據(jù)，黃燈亮（為高電平）時，置入數(shù)據(jù)。黃燈滅（y=0）而紅燈亮（r=1）開始減計數(shù)。第四章 單元電路設計 參數(shù)計算 期間選擇4.1脈沖產(chǎn)生電路：用555，電阻，電容 產(chǎn)生通過555芯片按一定的線路接上不同的電阻和電容就可產(chǎn)生周期不同的方波脈沖，即不同的頻率脈沖

12、。課程設計需要秒脈沖，利用的2個電容，2個電阻。（電容分別為0.1uf和4.7uf電阻分別為47千歐和150千歐。） 脈沖產(chǎn)生電路圖如下：秒脈沖產(chǎn)生電路4.2、控制電路紅綠燈顯示受到主控電路控制，即其輸出（q1和q2）決定了主干道和支干道的紅綠燈的亮滅情況。如：亮1，滅0，則有q1q2紅(r)黃（y）綠(g)支紅(r)支黃(y)支綠(g)00001100010101001010000111100010由上表可以得出： r=q1, y=q1！q2， g=q1！q2！ r=q1!，y=q1q2，g=q1q2在這里我用中規(guī)模器件74ls74雙d觸發(fā)器來實現(xiàn)主控電路部分,因為中規(guī)模器件不僅較小規(guī)模器件

13、穩(wěn)定,而且接線也較小規(guī)模器件簡單.上面紅綠燈的狀態(tài)完全由q1和q2控制。紅綠燈接線及主控電路接線如下:用兩個d觸發(fā)器來實現(xiàn)計數(shù)器反饋信號狀態(tài)由00-01-10-00循環(huán)變化時，主道顯示燈綠黃紅依次循環(huán)，次道紅綠黃燈依次循環(huán)4.3、時間設置電路主次分別采用4片雙4選一數(shù)據(jù)選擇器74153芯片從左至右四片74153芯片的輸出1y2y 1y2y 1y2y 1y2y 分別接至高低位計數(shù)器的輸入端dcba dcba74153的輸入ab分別接控制電路的qo q1從左至右四片74153芯片的輸入八個c0為綠燈時間設置，八個c1為黃燈時間設置，八個c2為紅燈的時間設置。如主道路八個c0依次設置為0011 00

14、00，八個c1依次設置為0000 0110，八個c2設置為0011 0110，八個c3依次設置為0000 0000，即在電路工作時，顯示電路會從36 06 30倒計時。4.4、計數(shù)電路（a）記時器狀態(tài)產(chǎn)生模塊： 設計要求對不同的狀態(tài)維持的時間不同，而且要以十進制倒計時顯示出來。根據(jù)器材本人采用74ls161完成計時器狀態(tài)產(chǎn)生模塊，并把它的cp端接秒脈沖。而74ls161計數(shù)器是采用加法計數(shù)，要想倒計時，則其輸出的信號必須經(jīng)過非門處理后才能接入數(shù)碼管的驅(qū)動74ls48，而顯示數(shù)字是0-9顯示計時，故在設計不同模值計數(shù)器確定有效狀態(tài)時，本人以0110-1111這些狀態(tài)為有效狀態(tài)。例：有效狀態(tài)011

15、0-0111-1000-1001-1010-1011-1100-1101-1110-1111取非 后 1001-1000-0111-0110-0101-0100-0011-0010-0001-0000 即 9-8-7-6-5-4-3-2-1-0 a) 實現(xiàn)模10的倒計時。首先對控制輸出的74ls161設計我利用系統(tǒng)的狀態(tài)量q1,q2控制74ls161的置數(shù)端d0，d1，d2，d3。當系統(tǒng)處在gr或rg狀態(tài)時，個位的進制是十（模10），即逢十進一，當系統(tǒng)處在yr或ry狀態(tài)時，個位的進制是五（模5），即逢五進一，模10時，有效狀態(tài)為0110，0111，1000，-1111，置d3，d2，d1，d0

16、為0110，模5時有效狀態(tài)為1011，1100，1101，1110，1111，置d3，d2，d1，d0為1011，由此有，q1q2d3d2d1d0000110011011100110111011由上表可以得出d3=q2 d2=q2! d1=1 d0=q2當狀態(tài)為1111時，74ls161的狀態(tài)必須跳到進入下一個循環(huán)，此時進位輸出為1，我們可以把它的co非接入置數(shù)端ld。b)數(shù)字顯示模塊： 我們用數(shù)碼管將計時器產(chǎn)生的信號以數(shù)字形式顯示出來，其中包括接數(shù)碼管的驅(qū)動74ls248，其驅(qū)動的lt、bi/rbo及rbi都接1 4.5顯示輸出電路顯示電路各用兩片74ls248芯片和2片bcd七段譯碼器兩片

17、74ls248的輸入dcba分別連接74161芯片的輸出qd qc qb qa，由計數(shù)器74ls161計數(shù)輸出的信號通過74ls248譯碼器譯碼，譯碼后通過輸出端直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示。4.6、紅黃綠燈控制電路由于控制器的狀態(tài)為00-01-10-00循環(huán)，所以對于主道路來說當為狀態(tài)為00時計數(shù)器倒計時36秒紅燈亮，狀態(tài)為01時計數(shù)器倒計時6秒黃燈亮，狀態(tài)為10時計數(shù)器倒計時30秒綠亮。用三個與門即可實現(xiàn)， q0q1,q0q1,qoq1,控制紅黃綠三個指示燈。當計數(shù)器計數(shù)到0000 0000時產(chǎn)生控制電路的下降時鐘脈沖信號，繼而使控制器的狀態(tài)發(fā)生改變，即在00-01-10-00這三種狀態(tài)之間循環(huán)，利

18、用這三種狀態(tài)的循環(huán)來設計紅黃綠燈的控制電路。為了增強電路的擴展功能，可以在計數(shù)器的置數(shù)信號和控制開關相與來控制兩個觸發(fā)器的時鐘脈沖信號，因此當將主道的開關a擲0，打開秒脈沖發(fā)生器。然后將開關擲1即可開始計數(shù)，若需要控制從那種顏色的燈先開始計時，先將開關置1然后置0，即可產(chǎn)生一個下降沿脈沖，同時也是一個置數(shù)信號。可以置數(shù)為控制控制的下一狀態(tài)。4.7 總電路圖第五章實驗 調(diào)試及測試結(jié)果與分析5.1時間顯示的調(diào)試在調(diào)試之初，高低位片的借位信號作為計數(shù)器的置數(shù)控制信號由于跟據(jù)74ls161的計數(shù)功能及特征發(fā)現(xiàn)，74ls61的進位端和借位端在當計數(shù)為0時，進位和借位端并不會馬上變?yōu)?狀態(tài)，而是先高電平，

19、后低電平，高低電平的時間與脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖一樣。應此在調(diào)試過程中存在00這種輸出狀態(tài)，這樣就會導致紅黃綠燈亮的時間分別為00-36-35-00，00-06-05-00,00-30-29-00。這樣不僅給人每種燈亮的時間就會增加一秒成為37秒，7秒，31秒的感覺。但其實并沒有增加，而是狀態(tài)00-36-35經(jīng)過的時間為1s,00-36的時間為脈沖發(fā)生器高電平時間，36-35脈沖發(fā)生器低電平時間，這就當顯示走到以上脈沖時速度明顯加快，這在現(xiàn)實中顯能不行，也不符合題目要求的時序。所以需要想辦法消除這種狀態(tài)。后來想到0000 0000這種狀態(tài)來作為計數(shù)器的置數(shù)信號，同時這樣就會要求除0000 000

20、0這種狀態(tài)，其他狀態(tài)時計數(shù)器都能正常倒計數(shù)。所以考慮到將計數(shù)器的八個輸出端相或作為置數(shù)信號。這個時候也恰好產(chǎn)生一個下降沿來使控制電路輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)化，進而使預置數(shù)電路的輸出變化，然后輸入到計數(shù)器，這樣剛剛好能達到效果。雖然用到了7個二輸入或門，但是能有效地消除00這種狀態(tài)，使得時序滿足設計要求，另外計數(shù)過程也更符合實際情況。5.2時間預置的調(diào)試在設計之初，考慮到用盡量少的芯片作為時間的預置數(shù)電路，或者是直接用控制器的不同狀態(tài)在計數(shù)器上實現(xiàn)預置數(shù)，但是這樣需要用到比較多的邏輯門電路，是電路變得復雜，而且每次調(diào)整時間都的重新設計組合邏輯電路，比較繁瑣。由于控制電路的輸出又00-01-10-00循環(huán)，所

21、以考慮到用二輸入的四選一選擇器來進行置數(shù)，這樣思路更清晰，操作起來比較方便，所以最終選擇用雙四選一的74253數(shù)據(jù)選擇器來進行時間預置。雖然使得時間預置數(shù)的芯片由四片變?yōu)榱俗罱K的八片，但這樣更直觀，所需要預置的數(shù)直接譯為二進制碼，然后分別在各74ls153芯片的c0,c1,c2端輸入即可。比如要把時間設置為36,6,30。只需將八個c0端設為0110 0110，八個c1端設置為0000 0110，八個c2端設為0011 0000。5.3擴展功能的調(diào)試在設計的電路能完成任務要求后，我考慮通過對電路的局部修改來實現(xiàn)擴展功能。為了增強電路的擴展功能，可以在紅綠燈的位置適當?shù)募右恍╅_關和門電路來實現(xiàn)設

22、計的盲人模式和夜間模式，如下圖的sw3,sw7，sw4開關實現(xiàn)盲人模式，當需要盲人模式時關閉sw2,這時紅綠燈全滅黃燈閃爍且不受控制器的控制置，在撥動sw3向左時，南北綠燈亮，東西紅燈亮，同時亮黃燈，此時盲人便可以安全通過，當撥動sw3向右時，南北紅燈亮，東西綠燈亮，同時亮黃燈，此時盲人便可以安全通過，當在夜間時，光敏電阻阻值下降，使得東西和南北方向的紅綠的全滅，黃燈閃爍，從而實現(xiàn)夜間模式。5.4電路的整體調(diào)試打開秒脈沖發(fā)生器，用示波器觀察波形是否為方波，周期是否為一秒，然后接入到控制器和計數(shù)器即可，該電路測試過程:道路綠、黃、紅燈亮的時間可以預置；道路綠、黃、紅燈亮的時間可以分別調(diào)整；結(jié) 論

23、本次試驗在仿真階段并未出錯，但是在實際操作階段卻出了不少問題。首先我們用555組成的的秒脈沖發(fā)生信號在示波器中觀察本應為方波，但我們觀察到的卻是跳動的一高一低的波形，后來經(jīng)過從新設置電容和電阻值得出了正確的波形。一開始我們打算用74ls168十進制計數(shù)器來實現(xiàn)計數(shù)功能，后來發(fā)現(xiàn)領不到該芯片，于是打算用74ls192代替，但是在實現(xiàn)電路功能的時候發(fā)現(xiàn)192置數(shù)時出現(xiàn)錯誤，使得電路到黃燈亮的時候，本來是另一方向綠燈亮，但另一個黃燈卻亮了起來。并且有時電路出現(xiàn)亂碼，數(shù)碼顯示管數(shù)字顯示不全，或者顯示的時間發(fā)生錯誤。比如南北向綠燈亮的時間為36秒，從36開始倒計時，但是數(shù)碼顯示管顯示剩余時間卻是35秒，東西向?qū)狞S燈顯示正常為6秒，但紅燈卻顯示29秒。但是在第一個工作循環(huán)數(shù)碼管顯示卻是符合要求的，在調(diào)試檢查過程當中有時南北向綠燈亮了，東西向燈卻仍停留在上個工作狀態(tài)，而當我們把192輸出與地接時東西向由于高向低電位的變化工作狀態(tài)處于正常。這是我們在實際操作當中出現(xiàn)的一