數(shù)電交通燈課程設(shè)計.doc

1、探級學(xué)生數(shù)字電路 課程設(shè)計探賀州學(xué)院數(shù)字電路課程設(shè)計報告書課題名稱交通燈控制電路姓名學(xué)號系部物理與電子信息工程系專業(yè)電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師2010年12 月7 日一、設(shè)計任務(wù)及要求：設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個十字路口的交通燈控制電路要 求：1、要求甲車道和乙車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行 時間都設(shè)為25秒；2、要求黃燈先亮5秒，才能變換運行車道；指導(dǎo)教師簽名：20 年 月 日、指導(dǎo)教師評語:指導(dǎo)教師簽名：20 年 月曰二、成績20 年 月 日2目錄1設(shè)計目的42設(shè)計思路43設(shè)計過程43.1方案論證 43.2電路設(shè)計63.2.1秒脈沖發(fā)生器 63.2.2定時器73.2.3控制器93.2.

2、4譯碼電路103.2.5顯示部分113.2.6總原理圖124系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果125主要元件 126結(jié)論 137設(shè)計心得體會138附錄 138.1總原理圖 138.2 PCB圖 149參考文獻14交通燈控制電路摘要 ：交通信號燈常用于交叉路口， 用來控制車輛的流量， 提高交叉路口車輛的通行能力， 減少交通事故。本交通燈設(shè)計主要由秒脈沖發(fā)生器、定時器、控制器、譯碼顯示電路組成。秒脈沖發(fā)生器由 NE555產(chǎn)生脈沖，定時器由 74LS160實現(xiàn)，控制器由74LS153和74LS74組成，譯碼電路采用74LS48和七段數(shù)碼管來顯示?？刂破魍ㄟ^ST信號對定時器進行控制，從而顯示紅黃綠燈的轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵字： 交通

3、燈 控制器 秒脈沖發(fā)生器定時器 譯碼器1 、設(shè)計目的（1 ）熟悉集成電路的引腳安排。（2）掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。（3）了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法。（4）了解數(shù)字交通燈控制電路的組成及工作原理。（5）學(xué)會用仿真軟件對設(shè)計的原理圖進行仿真。（6）熟悉數(shù)字交通燈控制電路的設(shè)計與制作。2、設(shè)計思路（1 ）設(shè)計秒脈沖發(fā)生器（2）設(shè)計交通燈定時電路（3）設(shè)計交通燈控制電路（4）設(shè)計交通燈譯碼電路（5）設(shè)計交通燈顯示時間電路3 設(shè)計過程3.1 方案論證方案一 用數(shù)電電子技術(shù)來實現(xiàn)交通燈控制交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 1-1 所示。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。

4、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。圖中：TL: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為 25 秒，即車輛正常通行的時間間隔。定 時時間到，TL=1,否則，TL=O。TY:表示黃燈亮的時間間隔為 5秒。定時時間到，TY=1，否則，TY=（。ST：表示定時器到了規(guī)定的時間后， 由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。 由它控制定時器開始 下個工作狀態(tài)的定時。圖1-1系統(tǒng)的原理框圖交通燈控制器的ASM如圖1-3所示（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

5、，乙車道禁止通行。 綠燈亮足規(guī)定的時間隔 TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)信號 ST,轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（2）乙車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，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)定的時間間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，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，乙車道上位過縣停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時間間隔T

6、Y時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器器進行控制的。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、11、10，并分別用SO、S1、S3、S2表示，則控制器的工作狀態(tài)及功能如表1、2所示，控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見，把燈的代號和燈的 驅(qū)動信號合二為一，并作如下表1-2規(guī)定：表1-2控制狀態(tài)信號燈狀態(tài)車道運行狀態(tài)S0 （00）甲綠、乙紅甲車道通行，乙車道禁止通行S1 （01）甲黃、乙紅甲車道緩行，乙車道禁止通行S3 （11）甲紅、乙綠甲車道禁止通行，乙車道通行S2 （10）甲紅，乙黃甲車道禁止通行，乙車道緩行AG

7、=1甲車道綠燈亮甲車道通行BG=1乙車道綠燈亮乙車道通行AY=1甲車道黃燈亮甲車道緩行BY=1乙車道黃燈亮乙車道緩行AR=1甲車道紅燈亮甲車道禁止通行BY=1乙車道紅燈亮乙車道禁止通行由此得到交通燈的 ASM圖，女口圖1-3所示。設(shè)控制器的初始狀態(tài)為 SO （用狀態(tài)框表示 SO）,當SO的持續(xù)時間小于25秒時，TL=O （用判斷框表示 TL）,控制器保持SO不變。只有 當SO的持續(xù)時間等于 25秒時，TL=1,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號 ST（用條件輸出框表示 ST）， 并轉(zhuǎn)換到下一個工作狀態(tài)。圖1-3 交通燈的ASM圖方案二用單片機技術(shù)來實現(xiàn)交通燈控制用單片機技術(shù)來來實現(xiàn)交通燈控制是最容易實現(xiàn)的

8、，而且該電路可靠性也很高，但是這是要求設(shè)計者要有單片機編程的基礎(chǔ)上才能完成設(shè)計。由于本人單片機編程基礎(chǔ)不是很好，所以選用了數(shù)字電子技術(shù)來實現(xiàn)交通燈控制。3.2 .單元電路的設(shè)計3.2.1秒脈沖發(fā)生器秒脈沖發(fā)生器由 NE555電路及外圍電路組成， 其中R8=15K、R9=68K,C3=1OuF的電 阻電容值決定了脈沖寬度。既 T=（R8+2R9）C2In2 當T=1S，即可湊出 R8、R9、C3其中 C3=0.01uF是為了保持輸出的波形的穩(wěn)定。如圖1-4所示，R9=68K、C3=10uF組成一個串聯(lián) RC充放電電路，在 NE555的7腳上輸出一個方波信號， C3上得到一個三角波。此三角波送到

9、NE555的2腳輸入端。由NE555內(nèi)部的比較器和門電路共同作用，維持7腳上的方波信號和 3腳上的輸出方波。贏'''riiBieirbrniir' U8、Ll“ujiaiiiuiiaiii脈沖CLK輸出端CVDCR915k mTETHTRNE555C2o.01 uFC3卄. WuFT> = <TEXr -R868k8#圖1-4秒脈沖發(fā)生器原理圖秒脈沖還可以由芯片 CD4060和74LS74及其外圍電路構(gòu)成如圖1-4-4，該電路選用石英晶體結(jié)構(gòu)成振蕩器，在經(jīng)過分頻電路得到秒脈沖。振蕩器的頻率越高，計時精度越高。如果精度要求不高也可以采用集成邏輯門與RC

10、組成的時鐘源振蕩器以及由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器。因此，該設(shè)計選著由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器來產(chǎn)生秒脈沖。22PFIIJ327G8HzCPa014Q13012010葩QBQ7Q6OS04圖1-4-4 石英晶體和分頻器構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器322定時器定時器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的計數(shù)器構(gòu)成， 要求計數(shù)器在狀態(tài)信號ST作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從零開始進行增1計數(shù)，向控制器提供模 5的定時信號TY和模25的定時信號TL。計數(shù)器選用集成電路 74LS160進行設(shè)計較簡便。74LS160是10進制同步加法計數(shù)器,它具有異步

11、清零、同步置數(shù)的功能。74LS160功能表如表4-1所示。表4-1CLKRD'LD 'EPET工作狀態(tài)X0XXX置零10XX預(yù)置數(shù)X1101保持X11X0保持（C=0）1111計數(shù)表中RD '是低電平有效的同步清零輸入端，LD '是低電平有效才同步并行置數(shù)控制端，EP、ET是計 圖1-3交通燈的ASM圖數(shù)控制端，CO是進位輸出端，DOD3是并行數(shù)據(jù) 輸入端，Q0Q 3是數(shù)據(jù)輸出端。設(shè)計如圖1-5圖1-5交通燈定時器其工作原理為：由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖CLK分別送給兩個74LS160的清零端9處。如圖所示：輸入端 345.6分別接地.。U1的7和10由U2的1

12、1、14經(jīng)過與門相與后相 連。即：只有當時11、14處產(chǎn)生一個高電平脈沖時才能觸發(fā)U1中的14產(chǎn)生脈沖。當U13C74LS04的ST信號分別送給 U1和U2的LOAD。就可以得到 TY和TY非是秒脈沖的 5倍；TL和TL非的結(jié)果是秒脈沖的 25倍。除此，還可以用 74LS163來實現(xiàn)這個定時器。但是由于該芯片不是十進制的計數(shù)器,因此在進位時要加上一個與門，設(shè)計如下圖1-5-5。因為該電路與1-5的定時電路多用了一個與門，因此不選用。use* *| b1t n廣U2TR nTYTX非正38S 宮1NUJ 生UJai-lOLS 呂TL非FST* CLK圖1-5-5 由74LS193構(gòu)成的定時電路3

13、.2.3控制器控制器是交通管理的核心，它應(yīng)該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。 列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表1-6所示。選用兩個D觸發(fā)器74LS74做為時序寄存器產(chǎn)生4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為TL和TY，當控制器處于 Q1 n+1Q0n+1 = 00狀態(tài)時,如果TL = 0，則控制器保持在 00狀態(tài)；如果，則控制器轉(zhuǎn)換到Q1n+1Q0n+1 = 01狀態(tài)。這兩種情況與條件 TY無關(guān)，所以用無關(guān)項"X"表示。其余情況依次類推，就可以列出了狀 態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST。表1-6控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表輸入輸出現(xiàn)態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換案件挨態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信導(dǎo)Q円TlTyQ嚴1 孫1ST00000

14、000101101X001001怎1111110110111民10110X010010炙1001根據(jù)上表可以推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號方程，其方法是：將Q/+1、Q0n+1和ST為1的項所對應(yīng)的輸人或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與，其中"1"用原變量表示，"0"用反變量表示，然后將各與項相或，即可得到下面的方程：QiQo + Q?Qo+Q?QoYiYiQ 嚴=QiQ 血 + QiQo + QfQ；心sT= Qi Q血 + Qi 芻九 + Q：Q,近 + Q； Q 忑根據(jù)以上方程，選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來實現(xiàn)每個D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值加到74LS15

15、3的數(shù)據(jù)選擇輸入端作為控制信號.即可實現(xiàn)控制器的功能。控制器原理圖如圖1-7所示。圖中R、C構(gòu)成上電復(fù)位電路。由兩個雙多路轉(zhuǎn)換器 74LS153 和一個雙D觸發(fā)器74LS74組成控制器。觸發(fā)器記錄4種狀態(tài)，多路轉(zhuǎn)換器與觸發(fā)器配合實 現(xiàn)4種狀態(tài)的相互交換。中.E3-A了*lhk .Jiio .V7Yfl r7ST圖1-7交通燈控制器其原理為：CLK分別送給 U6A和U6B的3和11的清零端。將 TY接入U4的5和U5的4和5; TY非接入U4的4。如上圖所示：74LS74兩個D觸發(fā)器作為時序寄存器產(chǎn)生 4種狀態(tài)。選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來實現(xiàn)每個 D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的的現(xiàn)態(tài)值加到7

16、4LS153的數(shù)據(jù)選擇端作為控制信號，即可實現(xiàn)控制器的功能。3.2.4譯碼電路譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出Q1、Q0的4種工作狀態(tài)，翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態(tài)?？刂破鞯臓顟B(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關(guān)系如表1-8所示。表中A、B代表甲、乙車道。表1-8控制器狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表Q1QoAG綠燈AY黃燈AR紅燈BG綠燈BY黃燈BR紅燈00100001010100011000110011001010由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生了周期性變化的CLK脈沖，一部分送給了定時器的 74LS160芯片,另一部分送給了控制器的74LS74芯片。在脈沖ST同時加到定時器74LS160芯片的情況下，通過芯

17、片74LS10將會輸出TY、TY非；TL、TL非。即TY和TY非放大的結(jié)果是秒脈沖 的5倍；TL和TL非放大的結(jié)果是秒脈沖的25倍。前者輸出的信號是后者的1/5。將定時器輸出的TY。TY非；TL。TL非分別作用于控制器的芯片 74LS153中，在CLK脈沖置于 芯片74LS74中會輸出高低變化的電平?？刂破髦械男盘栐谒徒o由芯片74LS08組成的譯碼器后再通過電路中的指示燈和200歐的電阻從而得到交通燈的邏輯電路，這種電路的結(jié)果最終通過小燈的正常閃爍來實現(xiàn)。電路圖設(shè)計如圖1-9-D3 -D3 -U7:D-U7:D-.LED.-REDiiii74LSO0U7 A.LED.-REDWT =. LED

18、-GfEEN 嗚TEXTa b . 02LED-GREE 忖EXT?- 0220QT科"R2 R2 T肆LEEt-YELLCW -:TE!LECuYELLOW -.B LED-RBD. LECuSfiEEN. ,.耳TETa . B、D6LEDXSREENE,、D6-200-200R6R630Q200 LEI>YELLOW - 七用滬iTEXTfLED> YELLOW - 曰&嚴八15#圖1-9譯碼器部分原理圖#325顯示部分顯示部分由74LS48和共陰極七段數(shù)碼管組成，74LS48作為譯碼器，對 74LS160的輸出信號進行譯碼，然后通過七段數(shù)碼管顯示出74LS

19、160的計數(shù)。即交通燈需要顯示的時間。其設(shè)計如圖1-9eLL lU1=1 tn U Q iEiQO QW2Q3VQxJiii i iua :"LS4SXJ 辭丁 *1 £1U2 (X»1 Q2QJU1：O：74LS43 hTEXTa圖1-9由74LS48和數(shù)碼管組成的電路4系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果（1 ）組裝調(diào)試秒脈沖電路。（2） 進行定時電路的組裝和調(diào)試。當輸人1Hz的時鐘脈沖信號時，要求電路能進行增計時， 當增計時到25時，能輸電有效的定時時間到信號。（3）調(diào)試交通燈控制器以及顯示部分。（4 ）判斷各部分電路之間的時序配合關(guān)系。然后檢查電路各部分的功能，使其滿足設(shè)計要求

20、。最終調(diào)試如下：接上電源，便可以進行交通燈控制系統(tǒng)的仿真，電路默認把通車時間設(shè)為25秒，甲車道方向綠燈亮，行人車輛都可自由通行；乙車道方向車道的紅燈亮，車輛禁止通行。時間顯示器從預(yù)置的0秒，以每秒增1，增到25到0時，甲道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，其余燈都不變。 從增至5秒又到0后時甲車道的黃燈轉(zhuǎn)換為紅燈；乙車道的紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈。如此循環(huán)下 去。5主要元件集成電路：NE55- 1 片 74LS160 2 片 74LS08 2 片 74LS04 2 片74LS153 2 片 74LS74 2 片 74LS48 2 片 5106AS 2 片74LS20 1片（74LS04芯片含有4個非門，08、20芯片同

21、上）電阻： 200歐姆一9個15K歐姆一1個68K 歐姆一1個電容：0.01uF 1 片 10uF 2 片其他：發(fā)光二極管一6個6、結(jié)論1、能實現(xiàn)的功能交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和計時時間的顯示，基本能實現(xiàn)甲、乙道路直行和轉(zhuǎn)彎燈的顯示功能。2、不足之處交通燈中沒有右轉(zhuǎn)燈，用的芯片太多。7、設(shè)計心得體會開始拿到題目的時候，不知道怎么去做，因為已經(jīng)有半年沒看數(shù)電了，自己對這門課的設(shè)計都不是很會，對很多的芯片的功能都不是很清楚，而且還要帶一個專升本的同學(xué)去做這個設(shè)計，所以做得特別認真。從收集資料到仿真在到做實物一共用了半個月的時間。在做 PCB板的時候，花了很長的時間去布線，由于芯片太多，線很亂不得不手動布線，一共用 了一天的時間才做好。通過這次課程設(shè)計，加強了我動手、思考和解決問題的能力現(xiàn)在設(shè)計已經(jīng)做好了 ，但是控制器控制信號燈不是很好。雖然花了很多的時間， 但學(xué)到了很多東西。做課程設(shè)計的時候,自己把整個書本都看了幾遍，增強了自己對知識的