課程設(shè)計(jì)--交通信號(hào)燈的控制電路

1、.數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課 題：交通信號(hào)燈的控制電路班 級(jí)：學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 目 錄前言.3課程設(shè)計(jì)的要求和主要內(nèi)容.4主控制器電路的設(shè)計(jì).6計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì).12譯碼驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì).14采用的原件.15附錄 前 言紅綠燈（交通信號(hào)燈）系以規(guī)定之時(shí)間上交互更迭之光色訊號(hào)，設(shè)置于交岔路口或其他特殊地點(diǎn)，用以將道路通行權(quán)指定給車(chē)輛駕駛?cè)伺c行人，管制其行止及轉(zhuǎn)向之交通管制設(shè)施。為一由電力運(yùn)轉(zhuǎn)之交通管制設(shè)施，以紅、黃、綠三色燈號(hào)或輔以音響，指示車(chē)輛及行人停止、注意與行進(jìn)，設(shè)于交岔路口或其他必要地點(diǎn)。 誕生19世紀(jì)初，在英國(guó)中部的約克城，紅、綠裝分別代表女性的不同身份。其中，著紅裝的女人表示我

2、已結(jié)婚，而著綠裝的女人則是未婚者。后來(lái)，英國(guó)倫敦威斯敏斯會(huì)議大樓前經(jīng)常發(fā)生馬車(chē)軋人的事故，于是人們受到紅綠裝啟發(fā)，1868年12月10日，信號(hào)燈家族的第一個(gè)成員就在倫敦議會(huì)大廈的廣場(chǎng)上誕生了，由當(dāng)時(shí)英國(guó)鐵路信號(hào)工程師德·哈特設(shè)計(jì)、制造的燈柱高7米，身上掛著一盞紅、綠兩色的提燈-煤氣交通信號(hào)燈，這是第一盞信號(hào)燈。在燈的腳下，一名手持長(zhǎng)桿的警察隨心所欲地牽動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)換提燈的顏色。后來(lái)在信號(hào)燈的中心裝上煤氣燈罩，它的前面有兩塊紅、綠玻璃交替遮擋。不幸的是只面世23天的煤氣燈突然爆炸自滅，使一位正在值勤的警察也因此斷送了性命。 從此，城市的交通信號(hào)燈被取締了。直到1914年，在美國(guó)的克利夫蘭市

3、才率先恢復(fù)了紅綠燈，不過(guò)，這時(shí)已是“電氣信號(hào)燈”。稍后又在紐約和芝加哥等城市，相繼重新出現(xiàn)了交通信號(hào)燈。 隨著各種交通工具的發(fā)展和交通指揮的需要，第一盞名副其實(shí)的三色燈(紅、黃、綠三種標(biāo)志)于1918年誕生。它是三色圓形四面投影器，被安裝在紐約市五號(hào)街的一座高塔上，它的誕生，使城市交通大為改善。 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求題目：交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)要求：1.主干道經(jīng)常通行; 2.支干道有車(chē)才通行： 3.主、支干道均有車(chē)時(shí)，兩者交替通行，并要求主干道每次至少放行30秒，支干道每次至多放行20秒； 4.每次綠燈變紅燈時(shí)，要求黃燈先亮5秒鐘（此時(shí)原紅燈不變）。 電路方框原理圖 本設(shè)計(jì)重點(diǎn)

4、要求是設(shè)計(jì)出主控制器、計(jì)時(shí)器。傳感器信號(hào)可以用邏輯開(kāi)關(guān)代替，信號(hào)燈可以采用發(fā)光二級(jí)管，“秒”信號(hào)脈沖可以用1Hz脈沖信號(hào)代替。2、 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的主要內(nèi)容（字?jǐn)?shù)；40005000字）： 1、設(shè)計(jì)任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)和要求； 2、個(gè)單元電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算，元器件選擇，電路圖等； 3、整體電路的工作原理說(shuō)明； 4、用EWB或Multisim繪制原理圖，仿真。主控制器的設(shè)計(jì)從所給的題目可知，本實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)師關(guān)于交通信號(hào)燈電路的控制，其中要求中提到支道有才通行，主道是要經(jīng)常通行，則此時(shí)主道應(yīng)該為綠燈，支道應(yīng)該為紅燈。當(dāng)支道和主道都有車(chē)要通行時(shí)，則主道和支道交替通行，且當(dāng)綠燈變紅燈需經(jīng)過(guò)黃燈，二紅燈變

5、綠燈則不需要。根據(jù)題目要求可分為4種情況：1. 主道為綠燈時(shí)，支道為紅燈；2. 主道為黃燈時(shí)，支道為紅燈；3. 主道為紅燈時(shí)，支道為綠燈；4. 主道繼續(xù)為紅燈時(shí)，支道轉(zhuǎn)為黃燈；按照這4個(gè)狀態(tài)循環(huán)一、狀態(tài)分析 由于有四種狀態(tài)2n=4,則n=2。我們可以確定主控制器中必須有兩個(gè)觸發(fā)器。本實(shí)驗(yàn)中選擇的是74109的JK觸發(fā)器。 接下來(lái)設(shè)計(jì)具體的電路，按以下幾個(gè)步驟：把主道為紅，支道為綠,記為狀態(tài)S0；把主道為黃，支道為紅,記為狀態(tài)S1；把主道為紅，支道為綠,記為狀態(tài)S2；把主道為紅，支道為黃,記為狀態(tài)S3；二、狀態(tài)表S0用“00”表示，S1用“01”，S2用“10”，S3用“11”，則可列出下表 主

6、支狀態(tài)記為綠紅S000黃紅S101紅綠S210紅黃S311 表 1結(jié)合題目分析上表可知，1.當(dāng)電路處于S0有兩種可能：主干道有車(chē)支干道無(wú)車(chē)；主干道和支干道都有車(chē)但是沒(méi)過(guò)30'。2.當(dāng)電路處于S1時(shí)，沒(méi)過(guò)5'。3.當(dāng)電路處于S2時(shí)也有兩種可能：支干道有車(chē)，主干道無(wú)車(chē)；主、支干道都有車(chē)但是沒(méi)過(guò)20'。4.當(dāng)電路處在S3時(shí)，沒(méi)過(guò)5'。5.當(dāng)由S0轉(zhuǎn)換為S1時(shí)的條件是：主干道無(wú)車(chē)，支干道有車(chē)；主干道和支干道都有車(chē)但是過(guò)了30'。6.當(dāng)由S1轉(zhuǎn)換為S2時(shí)的條件是過(guò)了5'。7.當(dāng)由S2裝換為S3時(shí)的條件是：支路無(wú)車(chē)，主干道有；主支都有但是過(guò)了20'。

7、8.當(dāng)由S3裝換為S0時(shí)的條件是：過(guò)了5'。三狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 根據(jù)上訴4種狀態(tài)可以列出下面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖： 圖2四、邏輯抽象1.對(duì)主干道與支干道有無(wú)車(chē)進(jìn)行抽象，令主干道有車(chē)時(shí)記為A=1，無(wú)車(chē)時(shí)記為A=0;支干道有車(chē)時(shí)記為B=1，無(wú)車(chē)時(shí)記為B=0；有車(chē)無(wú)車(chē)主（A）10支 (B )10 表22. 對(duì)30'，20'，5'是否到來(lái)進(jìn)行抽象，令30到來(lái)時(shí)記為L(zhǎng)=1，沒(méi)到記為L(zhǎng)=0; 20'到來(lái)時(shí)記為S=1，沒(méi)來(lái)記為S=0； 5'到來(lái)時(shí)記為P=1，沒(méi)來(lái)記為P=0;到來(lái)未到30'（L）1020'（S）105'（P）10 表3則圖二可以轉(zhuǎn)換為：

8、 圖三五、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表由圖三可以列出相應(yīng)的狀態(tài)裝換表，如下所示：ABLSPQ2Q1Q2*Q1*X0XXX0000110XX000001XXX0001111XX0001XXXX00101XXXX1011001XXX101011X0X101010XXX101111X1X1011XXXX01111XXXX11100 表四六、列出邏輯函數(shù)式運(yùn)用Multisimz中的邏輯轉(zhuǎn)換功能（Logic Converter）可以分別計(jì)算出Q2*，Q1*的最簡(jiǎn)邏輯式如圖四，圖五所示：Q1*的化簡(jiǎn)結(jié)果： （圖四）Q2*的化簡(jiǎn)結(jié)果： （圖五） 由上圖可知Q1*=A'BFG'+AB'FG'+E

9、'G+BCF'G'+ADFG'=A'BQ2Q1+AB'Q2Q1'+P'Q1+BLQ2'Q1'+ASQ2Q1'Q2*=AFG'+E'FG+EF'G+BFG'=AQ2Q1'+P'Q2Q1+PQ2'Q1+BQ2Q1' Q1*，Q2*為主控制器的輸出，因?yàn)檩敵龇匠淌津?qū)動(dòng)方程帶入JK觸發(fā)器的特性方程得出的，所以可以分離出JK觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程：JK觸發(fā)器的特性方程為：J=JQ'+K'Q,則：Q1*=A'BFG'+AB'

10、;FG'+E'G+BCF'G'+ADFG'=A'BQ2Q1+AB'Q2Q1'+P'Q1+BLQ2'Q1'+ASQ2Q1'=(A'BQ2+AB'Q2+ASQ2+BLQ2')Q1'+P'Q1Q2*=AFG'+E'FG+EF'G+BFG'=AQ2Q1'+P'Q2Q1+PQ2'Q1+BQ2Q1'=PQ1Q2'+(AQ1 +P'Q1+BQ1')Q2從上式中可得：J1=A'BQ

11、2+AB'Q2+ASQ2+BLQ2' K1'=P' J2=PQ1 K2'=AQ1 +P'Q1+BQ1'七、選用芯片，按要求連接電路選用74109JK觸發(fā)器，將J1，K1所表示的電路接入第一塊芯片的1J與1K'，J2，K2接入第二片的2J,2K'上，兩塊芯片的CLR'不接，VCC接高電平，GND接地，時(shí)鐘信號(hào)接同步的脈沖信號(hào)，信號(hào)脈沖頻率為1Hz.上從上述驅(qū)動(dòng)方程可以連接出以下電路圖： （圖6） 計(jì)時(shí)器電路的設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的及時(shí)器有3種類(lèi)型，30'，20'，10'計(jì)時(shí)，而且每個(gè)計(jì)時(shí)器響應(yīng)時(shí)相應(yīng)的條

12、件也不相同，所以需要3種不同的及時(shí)器記錄三種時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)選用的是74160二進(jìn)制計(jì)時(shí)器。Q2'Q1'一、計(jì)時(shí)條件 當(dāng)電路進(jìn)行及時(shí)時(shí)需要在一定的條件下進(jìn)行： 當(dāng)進(jìn)行30'記時(shí)條件是主干道和支干道均有車(chē)且處在So的狀態(tài) 當(dāng)進(jìn)行20'記時(shí)條件是主干道和支干道均有車(chē)且處在S2的狀態(tài) 當(dāng)進(jìn)行5'記時(shí)條件是主干道和支干道均有車(chē)且處在S1或者S3的狀態(tài) 對(duì)應(yīng)上述條件可列出計(jì)時(shí)的時(shí)候，不同時(shí)間的電路所需的邏輯條件： 進(jìn)行30'計(jì)時(shí)時(shí)，邏輯條件為ABQ2'Q1' 進(jìn)行20'計(jì)時(shí)時(shí)，邏輯條件為ABQ2Q1' 進(jìn)行5'計(jì)時(shí)時(shí)，邏

13、輯條件為ABQ2'Q1+ABQ2Q12、 芯片選擇 由于每一種邏輯條件下只能讓一個(gè)計(jì)時(shí)器工作，所以這里用到的是74HC138（3線-8線譯碼器）當(dāng)輸入一種狀態(tài)，輸出只有與之對(duì)應(yīng)的輸出端輸出低電平，下圖為條件控制的電路 （圖7）將Y4反向后端接入30'計(jì)時(shí)的EP,ET,將Y6反向接入20'計(jì)時(shí)的EP,ET.將Y5與Y7反向后經(jīng)過(guò)一個(gè)與門(mén)接入5'計(jì)時(shí)的EP,ET上，即完成主控制器對(duì)計(jì)時(shí)器的選擇。在計(jì)時(shí)器的電路方面，由于選用的是74160，則應(yīng)把邏輯條件作為計(jì)時(shí)器的控制端，接與EP,ET上，當(dāng)邏輯條件為“1”時(shí)，EP=ET=1，芯片工作。時(shí)鐘信號(hào)選用同步時(shí)鐘與主電路選

14、用相同脈沖信號(hào)，此處用的是同步置零的方法，當(dāng)要設(shè)計(jì)一個(gè)30'時(shí)，須從29的狀態(tài)經(jīng)過(guò)一個(gè)反向接入同步置數(shù)端，當(dāng)要接一個(gè)20'時(shí)須從19的狀態(tài)經(jīng)過(guò)一個(gè)反向接入同步置數(shù)端，當(dāng)要接5'時(shí)須從4的狀態(tài)經(jīng)過(guò)一個(gè)反向接入同步置數(shù)端.，輸入信號(hào)統(tǒng)一接地，各個(gè)電路的進(jìn)位輸出作為時(shí)鐘型號(hào)是否到來(lái)的標(biāo)志接入主控制器。具體的，在30'計(jì)時(shí)器中，第二塊芯片的Q1，與第一塊芯片的Q3，Q0共同接入一個(gè)與非門(mén)，經(jīng)過(guò)一次與非接入LD'中，輸出信號(hào)為置零信號(hào)取反作為30'計(jì)時(shí)標(biāo)志，接入主控制器，記為“L”。在20'計(jì)時(shí)器中，第二塊芯片的Q0，與第一塊芯片的Q3，Q0共同接

15、入一個(gè)與非門(mén)，經(jīng)過(guò)一次與非接入LD'中，輸出信號(hào)為置零信號(hào)取反作為20'計(jì)時(shí)標(biāo)志，接入主控制器，記為“S”。在5'計(jì)時(shí)器中，將Q2接入非門(mén)接入LD'中，輸出信號(hào)為置零信號(hào)取反作為20'計(jì)時(shí)標(biāo)志，接入主控制器，記為“P”。電路如圖所示： （圖8）譯碼器電路的設(shè)計(jì)1、 邏輯轉(zhuǎn)換將主干道的紅，綠，黃分別設(shè)為R,Y,G。將支干道的紅，綠，黃分別設(shè)為r,y,g.2、 信號(hào)譯碼器的真值表由于是主控制器的Q1，Q2控制燈的明暗，由主控制器的轉(zhuǎn)換圖可以知道： 當(dāng)主干道為紅，支干道為綠，電路處在S0狀態(tài),此時(shí)Q1=0，Q2=0;當(dāng)主干道是黃，支干道為紅，電路處在S1狀態(tài),

16、此時(shí)Q1=1，Q2=0;當(dāng)主干道是紅，支干道是綠，電路處在S2狀態(tài),此時(shí)Q1=0，Q2=1;當(dāng)主干道是綠，支干道是黃，電路處在S3狀態(tài),此時(shí)Q1=1，Q2=1.Q1Q2010101103、 列出卡洛圖Q1Q201001100R的卡洛圖，化簡(jiǎn)得：R=Q1'Q2 r的卡洛圖，化簡(jiǎn)得；r=Q1'Q2'+Q1Q2'Q1Q201000110Q1Q201000101 Y的卡洛圖，化簡(jiǎn)得：Y=Q1Q2' y的卡洛圖，化簡(jiǎn)得：y=Q1Q2 Q1Q201010101Q1Q201000110G的卡洛圖，化簡(jiǎn)得；G=Q1'Q2'+Q1Q2 g的卡洛圖，化簡(jiǎn)得；

17、g=Q1'Q2根據(jù)上述邏輯式可設(shè)計(jì)出譯碼器電路圖，如下圖所示； 將上訴三種電路按步驟連接起來(lái)就得到最后的交通信號(hào)燈的控制電路，此電路以同一的脈沖為1Hz的信號(hào)為時(shí)鐘信號(hào)，主控制器采用兩片JK觸發(fā)器，輸入信號(hào)為傳感器的輸出A,B和時(shí)間控制信號(hào)L,S,P.輸出為Q1，Q2作為譯碼器電路的輸入信號(hào)，計(jì)時(shí)器采用了個(gè)74138（3線-8線譯碼器）對(duì)輸入條件進(jìn)行控制，當(dāng)一個(gè)條件到來(lái)時(shí)，只會(huì)有一個(gè)時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)。計(jì)時(shí)器才用的是74160二進(jìn)制計(jì)時(shí)器，才用同步置零的方法對(duì)時(shí)間進(jìn)行控制。（整體電路圖鑒附錄一） 采用的元器件有：74138譯碼器兩個(gè)74109JK觸發(fā)器，五個(gè)74160計(jì)時(shí)器，若干與非門(mén)，導(dǎo)線

18、若干，脈沖輸入信號(hào)器。6個(gè)指示燈，5個(gè)數(shù)字顯示器。 課程設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì)經(jīng)過(guò)緊張而有辛苦的二周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，自己也學(xué)到的很多。不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，在和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)的過(guò)程中也學(xué)會(huì)了合作，也學(xué)會(huì)了做人與處世。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐，樹(shù)立了正確的設(shè)計(jì)思想，增強(qiáng)創(chuàng)新意思和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，熟悉掌握了課程設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，也培養(yǎng)了分析和解決問(wèn)題的能力。在具體做的過(guò)程中，從設(shè)計(jì)到計(jì)算，從分析到繪圖，讓我更進(jìn)一步的明白了作為一個(gè)設(shè)計(jì)人員要有清晰的頭腦和整體的布局，要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和不厭其煩的細(xì)心，要有精益求精、追求完美的一種精神。說(shuō)實(shí)話，課程設(shè)計(jì)真的有點(diǎn)累然而，當(dāng)我一著手清理自己的設(shè)計(jì)成果，漫漫回味這2周的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使倦意頓悟 通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使我深深體會(huì)到，干任何事都必須耐心，細(xì)致課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，許多計(jì)算有時(shí)不免令我感到有些心煩意亂：有2次因?yàn)椴恍⌒奈矣?jì)算出錯(cuò)，只能重來(lái) 這次課程設(shè)計(jì)使我在工作作風(fēng)上得到了一次難得的磨練 短短2周是課程設(shè)計(jì)，使我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識(shí)是真正如此的缺乏，自己綜合應(yīng)用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)能力是如此的不足。在這