交通燈設(shè)計(jì)報(bào)告

1、設(shè)計(jì)要求（1）在十字路口的兩個(gè)方向上各設(shè)一組紅燈、綠燈、黃燈，顯示順序?yàn)椋浩渲幸粋€(gè)方向是綠燈、 黃燈、紅燈，另一個(gè)方向是紅燈、黃燈、綠燈。（2）設(shè)置一組數(shù)碼管，以倒計(jì)時(shí)的方式顯示允許通行或禁止通行的時(shí)間，其中綠燈、黃燈、紅燈 的持續(xù)時(shí)間分別為20s、5s、25s。（3）當(dāng)各條路中任意一條上岀現(xiàn)特殊情況，例如有消防車、救護(hù)車或其他需要優(yōu)先放行的車輛 時(shí)，各方向上均是紅燈亮，倒計(jì)時(shí)停止，且顯示數(shù)字在閃爍。當(dāng)特殊運(yùn)行狀態(tài)結(jié)束后，控制器恢復(fù)原 來(lái)狀態(tài)，繼續(xù)正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)原理及框圖交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，它主要由秒脈沖發(fā)生器，時(shí)間顯示器，倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)控制器，交通燈控制器，交通顯示燈，緊

2、急開(kāi)關(guān)構(gòu)成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時(shí)器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘 信號(hào)源，同時(shí)控制著正常工作時(shí)黃燈與特殊情況下數(shù)碼管數(shù)字的閃爍，倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器控制器控制倒計(jì) 時(shí)計(jì)數(shù)器，倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器輸岀的數(shù)字經(jīng)過(guò)時(shí)間顯示器顯示在數(shù)碼管上。交通控制器控制交通顯示燈的 亮滅，交通控制燈的輸入信號(hào)由緊急開(kāi)關(guān)和倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器共同提供。圖一：交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖兩方向車道的交通燈的運(yùn)行狀態(tài)共有4種，如圖2所示，它們轉(zhuǎn)換到數(shù)字狀態(tài)如下圖(1)甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。此時(shí)TF=0,TS=0;綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間隔20s，倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器發(fā)岀狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)使TS=1，使計(jì)數(shù)控制器使TS=1轉(zhuǎn)到下一工作

3、狀態(tài)。(2)甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過(guò)停車線的車輛停止通行，已過(guò)停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時(shí)間間隔5s時(shí)，倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)使TF=1，TS=0,使控制器控制譯碼器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。(3)甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行，綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔20s時(shí)，倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)使TS=1，使控制器控制譯碼器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。(4)甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上位過(guò)縣停車線的車輛停止通行， 已過(guò)停車線的車輛停止通行，已過(guò)停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔5s時(shí)，倒計(jì)時(shí)

4、計(jì)數(shù)器發(fā)岀狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)使TF=0,TS=0，使計(jì)數(shù)控制器轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)，即系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第(1)種工作狀態(tài)。因?yàn)樵谏鲜鲛D(zhuǎn)換過(guò)程中燈的轉(zhuǎn)換只在計(jì)數(shù)器為零的時(shí)候發(fā)生且不存在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的問(wèn)題，所以可設(shè)計(jì)為當(dāng)計(jì)數(shù)器為00時(shí)即發(fā)生信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換，當(dāng)信號(hào)燈1為00時(shí)，交通燈控制器向交通顯示燈發(fā)岀轉(zhuǎn)換信號(hào)，交通顯示燈由紅燈變?yōu)榫G燈；當(dāng)信號(hào)燈 換信號(hào)，交通顯示燈由綠燈變?yōu)辄S燈；當(dāng)信號(hào)燈 換信號(hào)，交通顯示燈由黃燈變?yōu)榧t燈。信號(hào)燈 到黃燈再到紅燈的。1.元件清單：(1)集成元件74LS161四片N555片74LS192四片7447N兩片74LS21四片(與門(mén))74LS04(非門(mén))三片74LS32五片(或門(mén))74IS2

5、7四片(或非門(mén))(2)數(shù)碼管共陽(yáng)極七段數(shù)碼管四個(gè)紅色LED兩個(gè)，黃色LED兩個(gè)，綠色LED兩個(gè)(3)電阻51K?一只，39K?一只(4)電容10卩F一只，10nF一只(5)開(kāi)關(guān)三刀雙擲開(kāi)關(guān)一只2.主要器件的引腳排列圖和功能表TS=0TS=1TF=OTF=1TF:表示甲車道或乙車道紅燈亮的時(shí)間間隔為T(mén)F=1時(shí)，乙車道為紅燈，25秒倒計(jì)時(shí)。TS:表示倒計(jì)時(shí)到5秒和20秒。TY=0倒計(jì)時(shí) 一般十字路口的交通燈控制系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：狀態(tài)0狀態(tài)1狀態(tài)220秒，否則，TY=1倒計(jì)時(shí)5秒25秒倒計(jì)時(shí)；當(dāng)1再次為00時(shí)，交通燈控制器向交通顯示燈發(fā)岀轉(zhuǎn)1再次為00時(shí)，交通燈控制器向交通顯示燈發(fā)岀轉(zhuǎn)2與信號(hào)燈1

6、轉(zhuǎn)換過(guò)程相同，只不過(guò)信號(hào)燈2是由綠燈器件說(shuō)明狀態(tài)3時(shí)， 甲車道為紅燈,Q14Q13CPoMQ10oQ8OQ7306Q504GPiCP08II(1)N555引腳圖:(2)74IS161引腳圖：功能表：(3)74IS192引腳圖：波形圖：(4)7447n引腳圖：四.設(shè)計(jì)過(guò)程.秒脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì):方案一:本實(shí)驗(yàn)采用555定時(shí)器組成秒脈沖信號(hào)發(fā)生器。因?yàn)樵撾娐返妮攲缑}沖的周期T(R1+2R2)C,若T=1s，令C=10卩f,Ri=39K?,那么R251K?。取一固定電阻47K?與一個(gè)5K?的電位器想串聯(lián)代替電阻艮。在調(diào)試電路時(shí)，調(diào)節(jié)電位器R ,使輸岀脈沖周期為is。如圖所示圖秒脈沖信號(hào)發(fā)生器方案二

7、：用石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成秒脈沖信號(hào)發(fā)生器，如圖。先用石英晶體振蕩器和若干電阻電容組成頻率為32768Hz的信號(hào)發(fā)生器，再用十四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4060 14進(jìn)行14分頻使其成為2Hz的信號(hào)，最后用D觸發(fā)器進(jìn)行2分頻，使其成為頻率為1Hz的秒脈沖信號(hào)。22PF間圖 3 秒脈沖信號(hào)發(fā)牛器|- 1 32768圖石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成秒脈沖信號(hào)發(fā)生器方案選擇本設(shè)計(jì)中由于用秒脈沖信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)脈沖，其精度會(huì)影響計(jì)數(shù)器的精度，進(jìn)而影響 控制系統(tǒng)的精度，因此要求秒脈沖信號(hào)具有比較高的精度，為提高精度可先做一個(gè)頻率比較高的 矩形波振蕩器，然后將其輸出信號(hào)分頻，就可以得到頻率較低而精度比較高的

8、脈沖信號(hào)發(fā)生器。 用石英晶體構(gòu)成秒脈沖信號(hào)發(fā)生器不需要外加輸入信號(hào)，而且其脈沖頻率很穩(wěn)定，起振快、時(shí)基 精度高，它的工作頻率僅決定于石英晶體的振蕩頻率，而與電路中的R、C的數(shù)值無(wú)關(guān)。綜上考慮，在實(shí)際應(yīng)用中秒脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)選用石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成秒脈沖 信號(hào)發(fā)生器。但由于本次設(shè)計(jì)是基于multisim11軟件的，所以在仿真過(guò)程中可以使用時(shí)鐘脈沖 電源（1HZ,5V）代替。在仿真精度不高的前提下，也可以使用RC多諧振蕩器構(gòu)成的電路來(lái)提供秒脈沖。倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器和時(shí)間顯示器的設(shè)計(jì)倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器直接控制時(shí)間顯示器所顯示的內(nèi)容，因?yàn)榻煌舳际堑褂?jì)時(shí)的數(shù)字，所以采用可加可 減的74ls192，采用倆

9、片74ls192分別對(duì)25s，20s，5s進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，采用異步計(jì)數(shù)置數(shù)法，當(dāng)兩片74IS192的B0為0時(shí)置數(shù)，即兩片74IS192的QA,QB,QC,QD都為零時(shí)置數(shù)，不需要再加入脈沖即可實(shí) 現(xiàn)置數(shù)。因?yàn)?4IS192的B0引腳不工作時(shí)是高電平，所以加非門(mén)后連入第二片74IS192，實(shí)現(xiàn)十位的倒計(jì)時(shí)。兩片74IS192的QA,QB,QC,QD分別與兩片7447N的輸入端A,B,C,D相連接；7447N的輸岀分別 與七段共陽(yáng)數(shù)碼管的A,B,C,D,E,F,G相連接，兩個(gè)七段共陽(yáng)極數(shù)碼管的CA引腳連接在一起接入緊急開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字的閃爍功能。倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器和時(shí)間顯示器如下圖：計(jì)數(shù)控制器計(jì)數(shù)控制器是

10、電路的核心，它主要根據(jù)倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器中QA,QB,QC,QD的信號(hào)來(lái)輸岀信號(hào)到倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，從而實(shí)現(xiàn)在時(shí)間顯示器到00后能夠正確繼續(xù)顯示要倒計(jì)時(shí)的大小，從而與交通燈的亮滅相對(duì) 應(yīng)。觀察交通燈計(jì)數(shù)要求，紅燈25S,對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)為0010 0101;綠燈20S，對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)為00100000;黃燈5S,對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)為0000 0101。發(fā)現(xiàn)這三個(gè)狀態(tài)數(shù)字信號(hào)第2位和第0位始終相同，且第7，6，5，3，1位始終為0；所以只要控制第4位和同時(shí)改變第0位和第2位即可完成對(duì)倒計(jì)時(shí)狀態(tài) 的轉(zhuǎn)換。方案一：兩個(gè)交通燈通過(guò)秒脈沖聯(lián)系在一起，但它們之間置數(shù)獨(dú)立，即第一組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)25Sf 20S5S25S;第

11、二組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)20S5S25S20S。第一組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的控制電路如下圖：只要在倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器在倒計(jì)時(shí)到00之前將控制置數(shù)的A,B,C,D引腳電平改變?yōu)樾枰碾娖郊纯?，所?可以用D觸發(fā)器或者74IS161接收倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的控制信號(hào)使控制電路在倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器為07時(shí)（倒計(jì)時(shí)5S時(shí)在05就轉(zhuǎn)變了）轉(zhuǎn)變74IS192的A，B,C,D電平。上圖74IS161的狀態(tài)圖是00 f 011000;0R4的輸入為第一個(gè)74ls192的QC的非，第一個(gè)74ls192的QD第二個(gè)74IS192的QA和QB當(dāng)電路處于初始狀態(tài)時(shí)，74ls161的QA,QB輸岀00,通過(guò)兩個(gè)非門(mén)分別接到第一組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的第0位

12、第2位和第4位，所以初始狀態(tài)第一組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的第0位第2位和第4位都是1,即倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器從25S倒計(jì)時(shí)；當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)到07S時(shí)，或門(mén)0R4由1變?yōu)?，74LS161接收到一個(gè)脈沖，輸岀加1使QB, QA變?yōu)?1，所以第一組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的第0位第2位變?yōu)?而第4位還是1,倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到00后置數(shù)工作，變成20S倒計(jì)時(shí)，從而完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)或門(mén)OR又由1變?yōu)?時(shí)474IS161又接收到一個(gè)脈沖，輸岀由01變?yōu)?0，從而變成05S倒 計(jì)時(shí)；當(dāng)或門(mén)OR又由1變?yōu)?時(shí)474IS161又接收到一個(gè)脈沖，輸岀由10變?yōu)?0,從而又變成25S倒 計(jì)時(shí)，完成一個(gè)循環(huán)。第二組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的控制電路如

13、下圖：原理與第一組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器類似，同樣是在倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器為07時(shí)（倒計(jì)時(shí)5S時(shí)在05就轉(zhuǎn)變了）通過(guò)OR4向74IS161輸入一個(gè)脈沖，74IS161狀態(tài)圖也為00f01f10f00,不過(guò)輸入到倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的第4位為QA的非，第0位第2位為QA和QB相異或；狀態(tài)圖為：10f01f11f10。方案2:計(jì)時(shí)控制器是通過(guò)控制TF和TS來(lái)控制倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器置數(shù)的，置數(shù)結(jié)果如下圖：C=TF+TSD=TF+TSB=TF+TS注：A表示第一個(gè)74IS192的A和C引腳；B表示第二個(gè)74IS192的B引 腳；C表示第三個(gè)74IS192的A和C引腳；D表示第四個(gè)74IS192的B引腳置數(shù)過(guò)程如下:如下圖，因?yàn)門(mén)F和

14、TS是由前面的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器控制的，所以可以用D觸發(fā)器或者74IS161接收倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的控制信號(hào)。這里我讓TF由第一個(gè)74IS161控制，TS由第二個(gè)74ls161控制；第一個(gè)74IS161狀態(tài)轉(zhuǎn)換是0 f 10;第二個(gè)74IS161狀態(tài)轉(zhuǎn)換是00011000; 初始狀態(tài)時(shí)TF=O,TS=O,倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器分別進(jìn)行25S和20S的倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)诙M倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)到07時(shí)，兩個(gè)74ls192的QA,QB,QC,QD使邏輯電路電平發(fā)生變化（從低電平到了高電平），把這個(gè)脈沖接到第一個(gè)74IS161的CLK引腳，使74IS161加一，從而74IS161的QA由0變?yōu)?,使TF=1,完成了由初始狀態(tài)到狀態(tài)一

15、 的轉(zhuǎn)換。在狀態(tài)一時(shí)，第一組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器依然在倒計(jì)時(shí)25S，第二組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)5S,當(dāng)?shù)诙M倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)到05時(shí)，又會(huì)使第一個(gè)74IS161的CLK引腳接收到一個(gè)脈沖，使TF由1變?yōu)榱?;而在第一組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)到03時(shí)，兩個(gè)74IS192的QA,QB,QC,QD使邏輯電路電平發(fā)生變化（從低電平到了高電平），使第二個(gè)74IS161由00變到了10（后面解釋為什么不是01），從而使TS由低電平轉(zhuǎn)換到高電平，完成從狀態(tài)一到狀態(tài)二的轉(zhuǎn)換。狀態(tài)二到狀態(tài)三與上面初始狀態(tài)到狀態(tài)一類 似，TS=1;狀態(tài)三到初始狀態(tài)與前面狀態(tài)一到狀態(tài)二類似，TF由1變?yōu)? ; TS由1變?yōu)?（注：TS通過(guò)邏輯門(mén)電

16、路控制TF接收第一組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器還是第二組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的輸岀信號(hào)，使第一個(gè)74IS161只在20S倒計(jì)時(shí)到07時(shí)或5S倒計(jì)時(shí)到05時(shí)才會(huì)接收到脈沖）。計(jì)數(shù)控制器電路結(jié)構(gòu) 上述兩種方案從模擬中均能實(shí)現(xiàn)規(guī)定的倒計(jì)時(shí)功能，但我考慮到方案一只在秒脈沖上將兩組倒計(jì)時(shí)計(jì) 數(shù)器聯(lián)系在一起，從穩(wěn)定性方面考慮方案二好一些；所以采用方案二。交通燈控制器與交通顯示燈與緊急開(kāi)關(guān) 前面交通燈的數(shù)字顯示已經(jīng)設(shè)計(jì)好，只需將交通燈的亮滅與數(shù)字顯示相對(duì)應(yīng)即可，考慮到數(shù)字信號(hào)到00時(shí)交通燈轉(zhuǎn)換一次，所以接收倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的數(shù)字輸出信號(hào)作為交通控制器的輸入信號(hào)即可。(1)下圖中0R8與第一組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的QA QB, QC, QD相

17、連接作為輸入信號(hào)，0R8輸岀連接在74IS162的CLK。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)計(jì)數(shù)器到00時(shí)，OR8輸岀信號(hào)由1變?yōu)?,CLK收到下降沿信號(hào)，輸岀數(shù)字信號(hào)加一,74LS162的QA,QB,QC,QD與外面邏輯電路相連接使交通燈輸岀改變。下圖交通燈的亮的順序 為紅T綠T黃。邏輯關(guān)系為：紅=QaQbQc +QaQbQc+Ka黃=Qa QbQC Ka綠=Qb Qc Ka (表示非)(2)下圖中控制另一組交通燈的亮滅，原理與上圖相似，只不過(guò)輸入信號(hào)是第二組倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的QA,QB,QC,QD。紅=QBQC+Ka黃=QaQbQcKa綠=QbQC Ka(表示非)(3)緊急開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)：緊急開(kāi)關(guān)采用的是三刀雙擲開(kāi)關(guān)，可實(shí)

18、現(xiàn)Ka控制紅燈亮，Kb實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管數(shù)字的閃爍，Kc實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)的停止。緊急開(kāi)關(guān)不工作時(shí)Ka=1，交通燈正常工作；反之，Ka=0,交通燈變?yōu)榧t燈亮。Kb連接到數(shù)碼管的共陽(yáng)極，當(dāng)緊急開(kāi)關(guān)不工作時(shí)Kb=1數(shù)碼管正常顯示；當(dāng)緊急開(kāi)關(guān)工作時(shí)，Kb接入脈沖信號(hào)，是數(shù)碼管閃爍。當(dāng)緊急開(kāi)關(guān)不工作時(shí)，Kc接脈沖，反之，Kc接入高電平，使秒脈沖停止。五 仿真調(diào)試過(guò)程在軟件調(diào)試過(guò)程中，我遇到以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的問(wèn)題：74IS192的置數(shù)工作與74IS161不同，74ls192在load弓I腳輸入電平為高電平時(shí)不工作，當(dāng)為 低電平時(shí)不需CLK引腳來(lái)脈沖就能立即置數(shù)，這就與計(jì)數(shù)控制器存在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的問(wèn)題，開(kāi)始我 設(shè)

19、置為倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器為00時(shí)計(jì)數(shù)控制器工作，這使倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器不能按照正常要求倒計(jì)時(shí)。 后來(lái)我改成使用或非門(mén)，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)到07時(shí)也就是0000 0111，或門(mén)電平發(fā)生改變， 產(chǎn)生上升沿脈沖，計(jì)數(shù)控制器工作，從而使倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器在計(jì)到00時(shí)能到正確置數(shù)到下一狀態(tài)。2）在顯示譯碼器選擇方面，剛開(kāi)始選用的是共陰極顯示譯碼器，因?yàn)檎_但無(wú)法正常顯示，最終采用共陽(yáng)極顯示譯碼器，解決此問(wèn)題。（3）由于用1HZ的脈沖仿真的時(shí)候過(guò)程進(jìn)行的太慢，所以所以仿真時(shí)要修改tran的速度，將時(shí)間頻率調(diào)成一秒解決此問(wèn)題。（4）電路的化簡(jiǎn)，之前的電路雖然可以正常工作但有些器件是沒(méi)有使用必要的，如倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的 第七位和第六位始終為零，安裝時(shí)接地即可。7447N是取反輸出的，連接（5）在接計(jì)數(shù)控制器的第二個(gè)74IS161時(shí)總是無(wú)法按照要求正確輸岀TS的信號(hào)，我使用示波器觀察TS的輸岀信號(hào)發(fā)現(xiàn)是這樣的：于是我在將示波器接到計(jì)數(shù)控制器的第二個(gè)74IS161的CLK