簡易交通信號燈控制器

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)簡易交通信號控制器長 安 大 學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課題名稱 簡易交通信號燈控制器班 級 32040902 姓 名 杭勝奎 指導(dǎo)教師 鄧秋霞 日 期 2011/6/31 前 言 社會在飛速發(fā)展，交通也越來越便利，各式各樣的馬路，立交橋縱橫交錯(cuò)，其中必不可少的就是交通信號燈。在繁忙的十字路口，紅綠燈指示著各種車輛和行人的安全，使交通井然有序，無需交警，交通信號燈的自動(dòng)控制是通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)在，我國的一些城市已經(jīng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制了，市交警管理工作逐步自動(dòng)化智能化。為了更了解信號燈自動(dòng)控制的基本原理，學(xué)習(xí)利用數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計(jì)并制作自動(dòng)控制裝置的方法?？删幊踢壿嬈骷拇罅繎?yīng)用，傳統(tǒng)

2、74系列標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來越小，但是數(shù)字電子技術(shù)作為理論基礎(chǔ)原理并沒有改變。因此，基本單元電路，基本功能模塊及基本的分析方法仍然是本次設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，本次設(shè)計(jì)主要是簡易交通燈控制。這將有利于學(xué)生更好的掌握數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法，將數(shù)字電路和模擬電路融會貫通，提高解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)也為更好的熟悉計(jì)算機(jī)和運(yùn)用各程序打下良好基礎(chǔ)。 目 錄摘要1一、方案論證與選擇1二、系統(tǒng)概述21、原理框圖2 2、簡要分析2三、單元電路設(shè)計(jì)及功能說明3 1、秒脈沖產(chǎn)生模塊3 2、分頻模塊4 3、控制模塊5 4、計(jì)數(shù)和顯示模塊7四、系統(tǒng)仿真9五、系統(tǒng)綜述11簡易交通指示燈總電路圖12編后語12元器

3、件明細(xì)表13參考文獻(xiàn)14簡易交通信號燈控制器摘要 在現(xiàn)代城市中，人口和汽車日益增長，市區(qū)交通也日益擁擠，人們的安全問題也日益重要。因此，紅綠交通信號燈成為交管部門管理交通的重要工具之一。有了交通燈人們的安全出行有了很大的保障。通過采用數(shù)字電路對交通燈控制電路的設(shè)計(jì)，提出使交通燈控制電路用數(shù)字信號自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃。綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法，指揮各種車輛和行人安全通行，實(shí)現(xiàn)十字路口交通管理的自動(dòng)化。因此，在本次課程設(shè)計(jì)里，將以傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)交通控制信號燈。關(guān)鍵字：交通信號燈 控制器 課程設(shè)計(jì) 數(shù)字電路技術(shù) 計(jì)數(shù)器 寄存器 任務(wù)設(shè)計(jì)與要求1.定周控制：主干道綠燈45秒，支干

4、道綠燈25秒；2.每次由綠燈變?yōu)榧t燈時(shí)，應(yīng)有5秒黃燈亮作為過渡；3.分別用紅、黃、綠發(fā)光二極管表示信號燈；4.設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)顯示電路。一、方案論證與選擇提出方案 方案一：采用555多諧振蕩器來產(chǎn)生T=1s的CP脈沖，然后分主干道和支干道兩路，每一路的原理都相同；控制電路：由一個(gè)雙向移位寄存器74LS194的輸出來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)控制電路。通過它的移位來實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的轉(zhuǎn)換以及計(jì)數(shù)電路的工作狀態(tài)；計(jì)數(shù)電路：采用十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74LS190的級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)燈的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)；顯示電路：采用七段數(shù)碼顯示譯碼器7447芯片和數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。方案二：采用555多諧振蕩器來產(chǎn)生T=1s的CP脈沖，用異步二-五-十進(jìn)制

5、計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)5分頻的功能，從而減少控制狀態(tài)；控制電路：采用移位寄存器74LS164芯片的輸出與計(jì)數(shù)電路的邏輯關(guān)系來實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；計(jì)數(shù)電路：采用十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74LS190級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)燈的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)；顯示電路：采用七段數(shù)碼顯示數(shù)碼管DCD HEX來實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。方案選擇 本次設(shè)計(jì)我們采用方案二。對于方案一中的74LS194，要想實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的轉(zhuǎn)換；需要通過控制74LS194的S1、S0的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)置數(shù)、保持、右移，而這三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不易實(shí)現(xiàn)，相較而言，方案二比較合理。二、系統(tǒng)概述1、通過分析系統(tǒng)的邏輯功能，畫出其原理框圖如圖1交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要有秒脈沖發(fā)生

6、器，分頻器，控制器，計(jì)數(shù)器及倒計(jì)時(shí)顯示電路組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中控制器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號源?？刂破魇窍到y(tǒng)的主要部分。有它來控制計(jì)數(shù)電路工作。主干道計(jì)時(shí)顯示計(jì)數(shù)模塊主干道燈秒脈沖發(fā)生模塊控制模塊分頻模塊支干道計(jì)時(shí)顯示 支干道燈計(jì)數(shù)模塊 圖12、分析(1)、主干道綠燈亮，支干道紅燈亮。支干道禁止通行，綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔45s時(shí)，轉(zhuǎn)到下一個(gè)工作狀態(tài)。（2）主干道黃燈亮，支干道紅燈亮。支干道禁止通行，黃燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔5s時(shí)，轉(zhuǎn)到下一個(gè)工作狀態(tài)。（3）主干道紅燈亮，支干道黃燈亮。主干道禁止通行，支干道的黃燈亮足規(guī)定時(shí)間間隔的5s時(shí)轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)。（4）、主干道紅燈亮，支干道綠燈亮。主干道禁止

7、通行，支干道上的車輛允許通過綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔25s時(shí)，電路有轉(zhuǎn)到第一種工作狀態(tài)。交通燈的以上四種狀態(tài)是由控制器的移位寄存器74LS164芯片和一些門電路來進(jìn)行控制的，具體介紹見后續(xù)控制器功能說明。三、單元電路設(shè)計(jì)及功能說明1、秒脈沖產(chǎn)生模塊秒脈沖發(fā)生電路時(shí)由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)是以秒作為單位，所以用秒脈沖發(fā)生器且對信號的精度要求不高，故選用555定時(shí)器構(gòu)成。如圖2所示555定時(shí)器周期計(jì)算：T1（R1R2）Cln2=0.7(R1R2）CT2=R2Cln2=0.7R2CT=T1+T2=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C555定時(shí)器組成的秒脈沖Cp的周期為

8、1s，即T=1，所以可設(shè)置參數(shù)R1=28.86k R2=57.72k C=10uF Cf=10uF圖22、分頻模塊通過芯片74LS290實(shí)現(xiàn)其功能。74LS290介紹下：74LS290是異步二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其邏輯電路圖、引腳圖和邏輯符號如圖所示(a)、 (b)、(c)所示。它有一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和五進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成。若以Cp0為計(jì)數(shù)輸入端、Q0為輸出端，則得到一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；若以Cp1為輸入端，Q3Q2Q1為輸出端，則得到異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器；將Cp1與Q0相連并以Cp0為時(shí)鐘脈沖輸入端，則得到以一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。有兩個(gè)清零端R0(1）、R0(2），兩個(gè)置9控制端S9(1) 、S9(2)。當(dāng)S

9、9(1) = S9(2)=1時(shí)，R0(1）= R0(2），=0時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出將被置9，其功能表如表1。復(fù)位輸入置數(shù)輸入 時(shí) 鐘 輸 出R0(1） R0(2）S9(1) S9(2) Cp0 Cp1 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 X 0 0 X 1 X X 0 1 1 1 1 X X X X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1R0(1）R0(2）=0S9(1）S9(2）=0 Cp X X Cp Cp Q0 Q3 Cp 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 五進(jìn)制計(jì)數(shù)器 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（8421碼） 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（5421碼）表174LS290的邏輯電路如圖3所示：圖3本

10、電路只用五進(jìn)制計(jì)數(shù)，將秒脈沖產(chǎn)生的Cp給Cp1,輸出端的變化如表2，根據(jù)Q3的變化。所以將Q3的輸出作為控制器的Cp脈沖。 Q3 Q2 Q1 Q0R0(1）R0(2）=0S9(1）S9(2）=0Cp 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0分頻模塊如圖4：表2：圖43、控制模塊控制電路：采用移位寄存器74LS164芯片和一些門電路來實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；74LS164功能介紹：8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個(gè)輸入端（DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個(gè)輸入

11、端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。時(shí)鐘 (CP) 每次由低變高時(shí)，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（DSA和 DSB）的邏輯與，它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長度。主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個(gè)低電平將使其它所有輸入端都無效，同時(shí)非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平。其邏輯圖及引腳圖如圖5，圖6. 圖5 圖6A1，A2分別表示主干道和支干道的紅燈,B1，B2分別表示主干道和支干道的綠燈C1，C2分別表示主干道和支干道的黃燈.則得真值表如表3：Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7A1 B1 C1A2 B2 C2 45s0 0

12、0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 01 1 1 0 0 0 0 01 1 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 0 0 01 1 1 1 1 1 0 01 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 10 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 01 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 5s0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 025s0 0 1 1 1 1 1 10 0 0 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 1 1 10 0

13、0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 5s0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 表3由此真值表的如下關(guān)系：A1=Q1Q7 B1=Q7+Q0 C1=Q0Q1 A2=Q7+Q1 B2=Q1Q6 C2=Q6Q7控制器的電路如圖7所示：圖74、計(jì)數(shù)和顯示模塊采用十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74LS190來實(shí)現(xiàn)燈的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)；主干道和支干道的計(jì)數(shù)原理相同。74LS190介紹如下： 74LS190是十進(jìn)制可加可減計(jì)數(shù)器。預(yù)置是異步的。當(dāng)置入控制端（LD）為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘Cp的狀態(tài)如何，輸出端

14、Q0Q3即可預(yù)置成與輸入端D0D3相一致的狀態(tài)。而它的計(jì)數(shù)是同步的，靠Cp加在四個(gè)觸發(fā)器上實(shí)現(xiàn)，當(dāng)計(jì)數(shù)控制端CT為低電平，在Cp上升沿作用Q0Q3同時(shí)變化，從而消除了異步計(jì)數(shù)器中出現(xiàn)的計(jì)數(shù)尖峰。當(dāng)計(jì)數(shù)方式控制（U/D）為低電平進(jìn)行加計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)方式控制（U/D）為高電平進(jìn)行減計(jì)數(shù)。只有在Cp為高電平時(shí)CT和U/D才可以跳變。190有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，進(jìn)位/借位輸出端CO/BO輸出一個(gè)低電平脈沖，其寬度為Cp脈沖周期的高電平脈沖。行波時(shí)鐘輸出端Rc輸出一個(gè)寬度等于Cp脈沖周期的低電平脈沖。利用Rc可級聯(lián)成N位同步計(jì)數(shù)器，當(dāng)采用并行Cp控制時(shí)，則將Rc接到后一級的CT；當(dāng)采用并行CT控制

15、時(shí)，則將Rc接到后一級的CP. 圖8 圖974190與指示燈控制端真值表如下：主干道支干道綠黃紅高位片H G F E低位片D C B A綠黃紅高位片H G F E低位片D C B A1000 1 0 00 1 0 10010 1 0 10 0 0 00100 0 0 00 1 0 11000 0 1 00 1 0 10010 0 1 10 0 0 00100 0 0 00 1 0 1表4通過對應(yīng)邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)74190置數(shù)功能。采用兩片74LS190級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)45s及其他倒計(jì)時(shí)電路，電路原理圖如圖所示圖10顯示電路采用七段帶譯碼數(shù)碼顯示DCD_HEX來實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。七段數(shù)碼顯示DCD HEX具有

16、4位輸入端，是共陰極七段顯示。 只需按從左到右按高位到低位連接即可。如圖10所示圖10四、系統(tǒng)仿真通過Multisim軟件仿真，得如下結(jié)果1 主干道綠燈，支干道紅燈狀態(tài)圖112 主干道黃燈，支干道紅燈狀態(tài)圖123 主干道紅燈，支干道綠燈狀態(tài)圖13 4 主干道紅燈，支干道黃燈狀態(tài)圖14五、系統(tǒng)綜述所設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過將555多諧振蕩器產(chǎn)生的秒脈沖用74290五分頻后實(shí)現(xiàn)對移位寄存器74164的控制，再將八位寄存器74164通過非門接成十六位扭環(huán)形移位寄存器，得到十六種均勻的輸出狀態(tài)，將其不同輸出狀態(tài)通過邏輯門得到紅綠燈的工作狀態(tài)，同時(shí)可以根據(jù)紅綠燈的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)化為數(shù)碼管所需顯示時(shí)間，通過計(jì)時(shí)顯示電路實(shí)

17、現(xiàn)數(shù)碼顯示功能。而計(jì)時(shí)電路通過十進(jìn)制加減可逆計(jì)數(shù)器74190的減法計(jì)數(shù)功能得以實(shí)現(xiàn)。簡易交通信號燈控制器總電路圖圖15編后語總結(jié)、收獲與體會在此次課程設(shè)計(jì)中，對于簡易交通指示燈，我們采用的方案也許不是最佳的，但是是我們努力的成果。我們的方案存在的缺點(diǎn)有電路比較復(fù)雜，用的芯片比較多。在計(jì)數(shù)電路和顯示電路方面也以用更方便的集成電路來替代，但由于時(shí)間緊迫，我們沒有完成。本次課程設(shè)計(jì)促使我們開動(dòng)腦筋想出自己的方案, 鞏固和加強(qiáng)“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”課程的理論知識。不僅使我們知道課本上知識的原理,也使得我們對各種方案有進(jìn)一步的理解并進(jìn)行選擇。在做設(shè)計(jì)之前我們在圖書館找了大量的資料，并從中得到

18、啟發(fā)進(jìn)一步得出自己的總體方案，我們對方案進(jìn)行了分塊，對單元電路也做了詳細(xì)的介紹。同時(shí)我們也進(jìn)一步熟悉并掌握了Multisim軟件的應(yīng)用，對所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真，由于時(shí)間的限制在設(shè)計(jì)的某些方面設(shè)計(jì)的還不理想。在這次設(shè)計(jì)中，我初步把數(shù)電知識理論與實(shí)踐聯(lián)系起來，使我所學(xué)的數(shù)字邏輯知識得到了的一定程度的運(yùn)用。也培養(yǎng)了我對數(shù)電的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)也讓我們團(tuán)隊(duì)合作的重要性。問題與反思：1.脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖不夠穩(wěn)定；2.各器件都有延時(shí)，可能會對電路有影響；3.器件的精確性會給系統(tǒng)帶來誤差；4.圖中十位和個(gè)位位置不合理元器件明細(xì)表元器件明細(xì)表序 號名 稱 型號參數(shù)數(shù)量備注 0 1555定時(shí)器555 Timer

19、1秒脈沖發(fā)生器 0 22-5進(jìn)制計(jì)數(shù)器74290N1分頻器 0 3八位移位寄存器74164N1計(jì)數(shù)功能 0 4十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74190N4減計(jì)數(shù)器 0 5或門7432N1每片4個(gè) 0 6與非門7400N3每片4個(gè) 0 7非門7404N5每片6 個(gè) 0 5數(shù)碼管DCD HEX4數(shù)碼顯示 0 6發(fā)光二極管LED6紅黃綠各兩個(gè) 0 7電阻IPC-7351Chip-R0805428.86k、57.72k、649 0 8電容IPC-2221A/2222CAPPA3600-3000X1500210F鳴謝在本次設(shè)計(jì)中首先感謝我的組員郝小艷和陳曉菲，在設(shè)計(jì)過程中我遇到過各種各樣的問題，但是在他們的幫助下問題的到了解決，是整個(gè)設(shè)計(jì)及部分設(shè)計(jì)能按時(shí)完成。在他們身上，我感受到了他們對知識科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和認(rèn)真學(xué)習(xí)的能力。在此還要感謝指導(dǎo)老師，在老