數字電路交通燈

1、2017屆結課論文 Proteus原理圖設計與電路仿真設計題目：十字路口紅綠燈設計 學生姓名：張祥光學 號：5011213317 所屬學院：信息工程學院 專 業(yè)：計算機科學與技術 班 級：17-3班 指導教師：孟洪兵 目錄一緒論1二數字電子基礎概述1三基于數字電路的十字路口交通燈設計21.設計背景22.設計目的及意義23.設計方案23.1功能分析23.2元件清單33.2.2芯片介紹33.3設計路線63.3.1組合邏輯電路的設計83.3.1.1狀態(tài)譯碼電路、輸出電路及其交通燈單元的設計83.3.1.2時間預制電路與計時顯示電路的設計93.3.2時序邏輯電路的設計103.3.2.1時間倒計時電路的

2、設計103.3.2.2秒信號產生電路的設計113.3.2.3狀態(tài)產生電路的設計123.4結果分析13四總結13一緒論如今，可以這樣說在世界的的各個地方的馬路上都可以看見紅綠燈，正是有了這個高科技的產品，減少了許多人力在指揮交通上，同時也避免了許多本可以避免的交通事故。如今他已經成為疏導交通車輛最長見和最有效的手段。 但這一技術早在19世紀就已經問世了，而且隨著時代的發(fā)展，社會的進步，信號燈的技術也得到了發(fā)展。1858年，在英國倫敦的主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行，這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大

3、廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。1914年，電器啟動的紅綠燈出現在美國，他被安裝在紐約市5號大街的一座高塔上。1918年，又出現了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。 現在正在應用的紅綠燈主要有三種類型，定周期的信號機，多時段且具有無電纜協(xié)調功能的微電腦型信號機以及聯(lián)網式自適應多相位智能式信號機。其中定周期信號機這一類型以其設計簡單，成本低，安裝及維護方便等特點得到了廣泛的應用。本次課程設計中我所設計的十字路口交通燈控制器就屬于這一類型。二數字電子基礎概述隨著電子技術的不斷發(fā)展，模擬電子技術的缺點和局限性越發(fā)明顯，模擬電子技術的不穩(wěn)定性，易干擾性等大大限制了其應用，且有阻礙電子技術發(fā)展的

4、趨勢。19世紀興起的數字電路以其先天的便捷，穩(wěn)定的優(yōu)點在現代電子技術電路中占有越來越重要的地位。數字電路與模擬電路相比有顯而易見的穩(wěn)定性，近年來，數字電路又有了巨大的發(fā)展，可編程邏輯器件的發(fā)展和普及最終始IC的設計面向了用戶（這是模擬電路無法做到的），而這毫無疑問會給用戶帶來巨大的便捷，從而奠定它在電子電路中的地位，隨著集成技術的進一步提高，各種新技術的出現和應用，人類歷史橫跨數碼時代向更進一步發(fā)展已出現在各大型相關企業(yè)的宏偉藍圖中，新世紀里誰掌握了新技術誰就得到了獲勝的資本，也僅僅是資本而已，新世紀里電子行業(yè)的發(fā)展速度令人窒息?？梢哉雇?，一個由數字構成的新世界即將出現，那將是人類文明的又一飛

5、躍。三基于數字電路的十字路口交通燈設計1.設計背景我國城市路網稀，干道少，間距大，市區(qū)人口稠密，出行需求集中，迫使車輛集中于少數干道上行駛。至于中小城市 ，干道特征更為明顯，往往只有一兩條干道貫穿全市，而其他支路上交通量極小。從流量變化情況來看，除外圍過境干道外，都是有一定規(guī)律的，高峰小時基本上都集中在幾個時段內。而且我國城市機動車車種繁雜，從50年代的老式車到現階段的新型車，從大貨車到小轎車都在一個平面上行駛，近幾年更是有車的人越來越多，如果交通行駛不受管制，很容易造成道路混亂不堪的局面，使南來北往的車子很容易堵在十字交叉口，動彈不得。2.設計目的及意義如何最大限度地保證交通流運動的連續(xù)性，

6、使受控區(qū)域的交通流減少沖突，同時平穩(wěn)地、有規(guī)則地運動，這使得交通燈的使用應運而生了。交通燈的主要功能是改善交通秩序，增加交通安全，減少交通延誤，提高經濟效益，降低污染程度，保護生態(tài)環(huán)境，節(jié)省能源和土地消耗，更大大加強了交警管制力度。3.設計方案 設計并實現一十字路口的紅、綠、黃三色交通燈控制與顯示電路，即每個路口設置一組紅、黃、綠交通燈，以保證車輛、行人通行安全。3.1功能分析 根據需求描述，系統(tǒng)應具有如下基本功能：系統(tǒng)工作時，東西方向綠燈亮時，南北方向紅燈亮，該信號燈點亮時間為25S，同時點亮時間進行倒計時顯示；當時間減為00時，東西方向綠燈熄滅，黃燈同時點亮，并維持5S秒，南北方向仍為紅燈

7、亮；當倒計時顯示減為00時，東西方向紅燈亮， 南北方向綠燈亮， 點亮時間設定為25S； 當倒計時顯示減為00時， 南北方向綠燈熄滅，黃燈同時點亮，并維持5S秒，東西方向仍為紅燈亮。當倒計時顯示減為00時，系統(tǒng)狀態(tài)進入下一個周期，以后周而復始的循環(huán)。3.2元件清單元件名稱數量元件名稱數量BCD七段譯碼管44030異或門274LS08與門1Or或門274LS00與非門4Cap電容274LS76JK觸發(fā)器2RES電阻274LS138譯碼器1LED-RED274LS153多路選擇器8LED-YELLO274LS192可逆計數器4LED-GREEN2555定時器13.2.2芯片介紹<1>74

8、LS138 74LS138 為3 線8 線譯碼器，共有 54/74S138和 54/74LS138 兩種線路結構型式，其工作原理如下： 當一個選通端（G1）為高電平，另兩個選通端（/(G2A)和/(G2B)）為 低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進制編碼在一個對應的輸出端以低 電平譯出。 利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可級聯(lián)擴展成 24 線譯碼器；若外接一個反 相器還可級聯(lián)擴展成 32 線譯碼器。 若將選通端中的一個作為數據輸入端時，74LS138還可作數據分配器。<2>74LS153雙4選1數據選擇器74LS153    所謂雙

9、4選1數據選擇器就是在一塊集成芯片上有兩個4選1數據選擇器。    1G、2G為兩個獨立的使能端；B、A為公用的地址輸入端；1C01C3和2C02C3分別為兩個4選1數據選擇器的數據輸入端；Y1、Y2為兩個輸出端。   當使能端1G（2G）1時，多路開關被禁止，無輸出，Y0。   當使能端1G（2G）0時，多路開關正常工作，根據地址碼B、A的狀態(tài)，將相應的數據C0C3送到輸出端Y。<3>74LS19274LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數器。(bcd,二進制)。CPU為加計數時鐘輸入端，CPD為減計

10、數時鐘輸入端。     LD為預置輸入控制端，異步預置。 CR為復位輸入端，高電平有效，異步清除。    CO為進位輸出：1001狀態(tài)后負脈沖輸出，  BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負脈沖輸出。<4>74LS76J-K觸發(fā)器：74LS76是帶有置位和清零的雙JK觸發(fā)器，每個觸發(fā)器都有一個單獨清零置“1”輸入端，有Q互補輸出。為下降沿觸發(fā)型JK觸發(fā)器。<5>555555的內部結構可等效成23個晶體三極管.17個電阻.兩個二極管.組成了比較器.RS觸發(fā)器.等多組單元電路.特別

11、是由三只精度較高5k電阻構成了一個電阻分壓器.為上.下比較器提供基準電壓.所以稱之為555.555屬于cmos工藝制造. 555引腳圖介紹如下1地 GND 2觸發(fā) 3輸出 4復位 5控制電壓 6門限(閾值） 7放電 8電源電壓Vcc 3.3設計路線根據要求，交通燈共有 4 種狀態(tài)如圖表。該電路根據東西、南北方向的燈亮時間Te、Ts和Ty 產生這些狀態(tài)并對它們進行有序的控制。系統(tǒng)?？熘懈麟娐纺K的作用如下：（1）狀態(tài)譯碼及輸出電路將狀態(tài)產生電路的輸出狀態(tài)信號 A 1 A 0 譯碼為東西、南北方向 6 對交通

12、燈的控制信號。（2）時間預置電路該電路根據4種不同的狀態(tài)信號 A 1 A 0 分別預置相應的燈亮時間數據 T e 、 T y 、 T s 和 T y ，作為開始計時的初始值，改變這些初始值可實現信號燈點亮時間修改的功能。（3）時間倒計時電路該電路在秒信號作用下，對不同狀態(tài)的燈亮時間 T e 、 T y 、 T s 和 T y 分別進行減法計數循環(huán)，實現倒計時功能。每當計時到 00 時，向狀態(tài)產生電路發(fā)出計時結束信號。（4）狀態(tài)產生電路該電路根據計時結束信號分別產生交通燈的 4 種不同狀態(tài)信號 A 1 A 0 。（5）計時顯示電路采用數碼管將燈亮時間 T e 、 T y 、 T s 和 T y

13、進行實時顯示。根據狀態(tài)變化系統(tǒng)框圖如下所示 3.3.1組合邏輯電路的設計由數據選擇器、譯碼器和集成門等集成電路器件設計“交通燈控制電路”中的組合邏輯電路部分，即“狀態(tài)譯碼電路” 、 “輸出電路及其交通燈單元” 、“時間預置電路”和“計時顯示電路” 。具體要求如下：（1）將狀態(tài)信號譯碼為東西、南北方向6對交通燈的控制信號，實現正常時序控制功能；（2）將東西方向、南北方向的燈亮時間分別用數碼管顯示；（3） 根據不同的狀態(tài)信號分別預置相應的燈亮時間數據 Te、Ty 、Ts和Ty 。3.3.1.1狀態(tài)譯碼電路、輸出電路及其交通燈單元的設計該電路的主要功能是依據不同的狀態(tài)信號實現對交通燈的控制?！盃顟B(tài)譯

14、碼電路”采用二進制譯碼器 74LS138 實現； “輸出電路”采用集成邏輯門實現；“交通燈單元”采用普通的紅色、綠色和黃色發(fā)光二極管。狀態(tài)譯碼電路AB輸出電路交通燈單元00Y0與Y7南北紅+東西綠01Y1與Y6南北紅+東西黃10Y2與Y5東西紅+南北綠11Y3與Y4東西紅+南北黃 狀態(tài)譯碼電路圖 輸出電路 交通燈單元3.3.1.2時間預制電路與計時顯示電路的設計（1）時間預制電路的主要功能是依據不同的狀態(tài)信號輸入相應的時間預置數據，從而確定交通燈的燈亮時間。該電路采用集成數據選擇器 74LS153 實現。（2）計時顯示電路是將將倒計時電路產生的輸出經過七段譯碼管進行顯示。由于南北與東西兩個方向

15、時間并不同步，需要74LS153的預制功能對時間進行控制狀態(tài)AB南北預置數東西預置數南北顯示東西顯示000011000000100101302501000001010000010155100010010100110000253011000001010000010155 南北時間預置 東西時間預置 南北顯示電路 東西顯示電路3.3.2時序邏輯電路的設計由集成觸發(fā)器、集成計數器等集成器件設計“交通燈控制電路”中的時序邏輯電路部分，即“狀態(tài)產生電路”和“時間倒計時電路”。具體要求如下：（1）交通燈的不同狀態(tài)轉換時分別產生相應的狀態(tài)信號；（2）對交通燈不同狀態(tài)的燈亮時間 T e 、 T y 、 T s

16、 分別進行減法計數，實現倒計時功能；3.3.2.1時間倒計時電路的設計該電路在秒信號作用下，分別以不同狀態(tài)的燈亮時間作為開始計時的初始值進行減法計數循環(huán)。每當計時到 00 時，向“狀態(tài)產生電路”發(fā)出計時結束信號。改變這些初始值即可實現信號燈點亮時間修改的功能。 采用 2 片具有置數功能的集成十進制加/減可逆計數器 74LS192 組成時間倒計時電路。 東西倒計時電路 南北倒計時電路3.3.2.2秒信號產生電路的設計利用555定時器構成秒為單位的多諧振蕩器T=T1+T2=(R1+2R2)C1Ln2=0.994ms1S秒信號產生電路3.3.2.3狀態(tài)產生電路的設計該電路的主要功能是根據實際交通燈的

17、轉換過程，產生相應的狀態(tài)信號供其它電路使用。根據設計要求，只有當倒計時時間結束時交通燈的狀態(tài)才發(fā)生變化，故可將“時間倒計時電路”產生的計時結束信號作為狀態(tài)變化的控制信號。為此，將該信號作為計數器的時鐘脈沖即可，計數器采用 JK 觸發(fā)器。每一次倒計時完成74LS192的TCD端會產生一次下降沿，又由于東西南北不同步，將兩方向的用一與門組合起來，選擇時間最先結束計時的一端作為狀態(tài)改變信號。 狀態(tài)產生電路3.3.3綜合設計的集成 3.4結果分析 整體運行過程即為，秒時鐘信號開始計時，南北東西減數器DN端為1，計數器始電路首先進入00狀態(tài)，南北方向紅燈亮起，東西方向綠燈亮，東西方向綠燈25S倒計時結束

18、，DN端產生下降沿信號，計數器始電路進入01狀態(tài)，南北方向仍然紅燈，東西方向綠燈熄滅，黃燈亮起，同時5S倒計時結束，DN端產生下降沿，計數器始電路進入10狀態(tài)，南北紅燈熄滅，綠燈亮起，東西黃燈熄滅，紅燈亮起，南北方向綠燈25S倒計時結束，DN端產生下降沿信號，計數器始電路進入11狀態(tài)，南北方向綠燈熄滅，黃燈亮起，東西方向仍為紅燈。以此為周期循環(huán)。四總結一學期的學習生活已經過去了，在本學期中，我學到了很多，讓我真正體會到了Proteus在日常生活中的作用，同時也是我學到的知識和實踐得到了有機的結合。使我們在書本上學到的知識得到了鞏固。通過這次紅綠燈設計，本人在多方面都有所提高，綜合運用本專業(yè)所學課程的理論知識和實際進行一次組合，鞏固了課程所學的內容，掌握課課程設計的方法和步驟，同