交通燈控制設(shè)計A課程設(shè)計

1、目錄1 選題背景················································

2、3;·············11.1 指導(dǎo)思想···································&

3、#183;····················11.2 方案論證···························

4、3;····························11.3 設(shè)計任務(wù)與要求···················

5、3;······························41.4 電路特點··················&

6、#183;·····································42 電路設(shè)計···········

7、··················································

8、·42.1 總體方框圖···············································&#

9、183;······42.2 工作原理··········································

10、;··············43 各主要電路及部件工作原理·································&#

11、183;············53.1 NE555構(gòu)成多諧振蕩器··································

12、83;··········53.2 74LS192和74HC153部分····································

13、;·······63.3 主控制器·········································&#

14、183;··············63.4 譯碼電路··································

15、;······················74 相關(guān)計算··························

16、3;···································84.1限流電阻計算·············

17、········································84.2時鐘信號產(chǎn)生········&#

18、183;············································85 總原理圖····&

19、#183;·················································&

20、#183;·······86 元器件清單·········································

21、;···················97 調(diào)試過程及仿真結(jié)果·····························

22、;·······················97.1未通電檢查·························&#

23、183;·····························97.2 通電檢查···················

24、;·····································10 7.2.1 NE555單元調(diào)試··········

25、;···································10 7.2.2 發(fā)光二極管單元調(diào)試············

26、;····························10 7.2.3 脈沖選通信號調(diào)試···················

27、·······················10 7.2.4 狀態(tài)循環(huán)電路調(diào)試························&

28、#183;·················107.3 結(jié)果分析······························

29、83;·························107.4 小結(jié)·······················&

30、#183;····································108 設(shè)計體會············

31、;··················································

32、;11參考文獻資料················································

33、83;···········121 選題背景 隨著社會的發(fā)展，交通成了現(xiàn)代不可缺少的一部分。人們的日常生活中，處處都離不開交通。交通問題可以說是人們關(guān)注的熱點。那么如何控制管理交通呢？這就用到了交通信號燈控制。如何采用合適的控制方法，最大限度利用道路，緩解交通擁擠的狀況等，交通燈可謂是必不可少的。本次課程設(shè)計，需要利用所學(xué)知識來模擬出交通燈控制，設(shè)計主干道方向45秒，支干道方向25秒，黃燈過度5秒的交通燈控制信號電路，其中紅燈為禁止通行，綠燈為允許通行，黃燈為停止通行。1.1 指導(dǎo)思想

34、由NE555產(chǎn)生脈沖，再由計數(shù)器74LS192（異步清零）計數(shù)產(chǎn)生計時信號，分別按45秒、5秒、25秒、5秒的順序依次輸入到74HC153的輸入端D0D4，通過對74HC153的選擇端置數(shù)對輸入端選擇輸出，依次輸出D0D4，即依次在經(jīng)過45秒、5秒、25秒、5秒時產(chǎn)生脈沖信號，產(chǎn)生的脈沖信號從74HC153的同相輸出端輸出作為以74LS192和74HC138構(gòu)成的四個狀態(tài)循環(huán)電路的脈沖信號,而74HC153的反相輸出端則作為74LS192的清零信號，即每輸出一個計時信號74LS192就清零一次，重新計時。同時利用74LS192的輸出端的低兩位作為74HC153的控制端的低兩位信號，而74HC1

35、53的最高為控制信號接低電平，從而實現(xiàn)D0D4的選擇輸出，即實現(xiàn)了四個狀態(tài)的倒計時循環(huán)控制。1.2 方案論證方案一：由555產(chǎn)生5秒脈沖，輸入到74LS192的CLK端構(gòu)成80s的計時器，再經(jīng)門電路譯碼輸出45秒、50秒、75秒、80秒的信號經(jīng)或門作為以74LS192和74HC138構(gòu)成的四個狀態(tài)的循環(huán)電路的脈沖信號。方案一特點：門電路多易于發(fā)生競爭冒險，譯碼部分復(fù)雜，連線多，不便于檢查。其原理圖如下（見下頁）。 圖1-2（1） 方案一原理圖方案二：由555產(chǎn)生5秒脈沖，由計數(shù)器74LS192（1）計數(shù)產(chǎn)生計時信號。從計數(shù)器的輸出端輸出的計時信號經(jīng)門電路再經(jīng)74HC153對其進行選擇依次在經(jīng)過

36、45秒、5秒、25秒、5秒時產(chǎn)生的同相輸出信號作為以74LS192(2)和74HC138構(gòu)成的四個狀態(tài)循環(huán)電路的脈沖信號。方案二特點：電路所需元器件少，連線簡單，所需門電路少，前后聯(lián)系緊密，便于檢查，其原理圖如下。 圖1-2（2） 方案二原理圖 綜合方案一二考慮，方案二簡單易行，并且方案二可實現(xiàn)倒計時，所以采用方案二。1.3 設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計一個交通信號燈控制器，由一條主干道和一條支干道匯合成十字路口，在每個入口處設(shè)置紅、綠、黃三色信號燈。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮則停止行駛（給行駛中的車輛有時間停在禁行線以外）。具體要求如下：（）用紅、綠、黃發(fā)光二極管作信號指示燈。（）主支干道

37、交替允許通行。主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒。（）在每次由綠燈亮轉(zhuǎn)換到紅燈亮的過程中，要亮5秒鐘的黃燈作為過渡。1.4 電路特點本實驗電路采用NE555定時器對電路輸入5秒的脈沖，所產(chǎn)生的脈沖信號與計數(shù)器74LS192(1)合作構(gòu)成定時器。計數(shù)器選擇74LS192，是因為74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，可實現(xiàn)倒計時。計數(shù)器的輸出端經(jīng)門電路再經(jīng)74HC153對其進行選擇依次在經(jīng)過45秒、5秒、25秒、5秒時產(chǎn)生的信號作為以74LS192(2)和74HC138構(gòu)成的四個狀態(tài)循環(huán)電路的脈沖信號，從74HC138輸出的信號控制LED信號燈相應(yīng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。2 電路設(shè)計2.1 總體方框圖

38、根據(jù)課程設(shè)計要求，交通燈控制系統(tǒng)主要由秒脈沖信號發(fā)生器、定時電路和控制電路及譯碼電路組成，原理框圖如下圖2-1所示，秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)計數(shù)電路的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源。 計 時 器支干道信號燈紅 綠 黃 控制部分 時鐘信號主 控 器譯 碼 電 路主干道信號燈 紅 綠 黃圖2-1 原理框圖2.2 工作原理由555產(chǎn)生5秒的脈沖，輸入到74LS192（1）的CLK端計數(shù)，計到10（即45s）時，由門電路送到74HC153的D0端，此時門電路的控制端對D0選通，通過74HC153的輸出端輸出，輸出的信號作為第二片74LS192（2）的時鐘信號源從而實現(xiàn)計數(shù)，74LS192(2)的輸出端的部分狀態(tài)信號送到7

39、4HC138進行部分譯碼控制LED的狀態(tài)。這里面所有的狀態(tài)轉(zhuǎn)換都是由脈沖實現(xiàn)，分別是在依次經(jīng)過45s、5s、25s、5s這四點給脈沖。脈沖過后，對74LS192進行異步清零。具體信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1所示.（1）主車道綠燈亮，支車道紅燈亮。表示主車道允許通行，支車道禁止通行。規(guī)定時間為45秒?？刂破靼l(fā)出跳轉(zhuǎn)信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（2）主車道黃燈亮，支車道紅燈亮。表示主車道上停止通行，支車道禁止通行。規(guī)定黃燈亮5秒，控制器發(fā)出跳轉(zhuǎn)信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（3）主車道紅燈亮，支車道綠燈亮。表示主車道禁止通行，支車道允許通行。規(guī)定時間25秒?？刂破靼l(fā)出跳轉(zhuǎn)信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（4

40、）主車道紅燈亮，支車道黃燈亮。表示主車道禁止通行，支車道停止通行。規(guī)定黃燈亮5秒，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，重復(fù)運行（1）狀態(tài)。以上四種狀態(tài)均由控制器控制。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、10、11，并分別用S0、S1、S2、S3表示，則控制器的工作狀態(tài)及功能如下所示：S0 主綠燈亮，支紅燈亮S1 主黃燈亮，支紅燈亮S2 主紅燈亮，支綠燈亮S3 主紅燈亮，支黃燈亮 3 各主要電路及部件工作原理3.1 NE555構(gòu)成多諧振蕩器NE555可以構(gòu)成一個多諧振蕩器并產(chǎn)生一個5秒脈沖。其工作原理為：接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高低電平端<1/3VCC，觸發(fā)器置1，此時定時器內(nèi)部放電三

41、極管截止，VCC 向電容充電，Uc逐漸升高。當(dāng)其上升到1/3VCC 時，定時器輸出高電平。當(dāng)其上升到2/3VCC 時，定時器輸出低電平。當(dāng)電容放電時，Uc按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)?shù)?/3VCC 時，狀態(tài)不變。當(dāng)下降到1/3VCC 時，定時器輸出高電平，重復(fù)上述狀態(tài)。本次設(shè)計我們要的周期是5秒，頻率是0.2Hz。周期T可以由下面的公式可知：T(R1+2R2)Cln2 (3-1)其中R1=R2=47K,C1=10,C2=0.01，把數(shù)據(jù)帶入T=(R1+2R2)C1ln2，得T=5s，即周期為5秒，輸出0.2Hz的信號，電路如圖3-1。555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI

42、VDD5VR147kR247kGNDC110µFC20.01µF圖3-1 555構(gòu)成多諧振蕩器連接圖3.2 74LS192和74HC153部分我們采用異步置零的方法，使74LS192（1）在經(jīng)74HC153將計時信號選通輸出一次就清零一次再從新開始計，從而使74HC153實現(xiàn)依次在經(jīng)45s、5s、25s、5s輸出端輸出脈沖信號。其連接如圖3-2所示。VDD5VGNDU174HC161D_4VQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U2A4081BT_5VU2B4081BT_5VU374HC151D_4VW6D04

43、D13D22D31D415D514D613D712A11C9B10Y5G7圖3-2 選通控制電路3.3 主控制器主控電路是整個的核心，其實它是由前一部分脈沖信號的選通控制電路和后一部分四個狀態(tài)循環(huán)電路的部分電路組成，它的輸出信號經(jīng)譯碼后分別控制主干道和支干道的三個信號燈。主干道和支干道的三種燈（紅、黃、綠），正常工作時，只有4種狀態(tài)：1)主干道綠燈亮支干道紅燈亮S0： QBQA=00 控制器等待45s時鐘信號的到來。2)主干道黃燈亮支干道紅燈亮S1：QBQA=01控制器等待前一狀態(tài)后5s時鐘信號的到來。3)主干道紅燈亮支干道綠燈亮S2：QBQA=10 控制器等待前一狀態(tài)后25s時鐘信號的到來。

44、4)主干道紅燈亮支干道黃燈亮S3：QBQA=11控制器等待前一狀態(tài)后5s時鐘信號的到來。3.4 譯碼電路選用計數(shù)器74LS192（2）來實現(xiàn)，則其輸出狀態(tài)編碼與車道狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系為S0=0000，S1=0001,S2=0010,S3=0011(輸出的編碼從左至右分別為QD、 QC、QB、QA )。通過信號燈與車道狀態(tài)的關(guān)系可進一步得到，計數(shù)器輸出狀態(tài)編碼與信號燈狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系如下表所示。表 1 狀態(tài)編碼與信號燈狀態(tài)關(guān)系表QD QC QB QA G1 Y1 R1 G2 Y2 R20 0 0 0 1 0 0 0 0 10 0 0 10 1 0 0 0 10 0 1 0 0 0 1 1 0 00 0

45、 1 1 0 0 1 0 1 0由表1可以得出信號燈狀態(tài)的邏輯表達式：G1=QAQBQCQD Y1=QAQBQCQD R1=QBQCQDG2= QAQBQCQD Y2= QAQBQCQD R2=QBQCQD車道狀態(tài)由S0-S1-S2-S3的逐步轉(zhuǎn)換，就是計數(shù)器74LS192（2）減法計數(shù)的過程。74LS192是一個十進制計數(shù)器，但也可以當(dāng)作四進制計數(shù)器來用，此時只看74LS192輸出的低兩位QBQA，其狀態(tài)從00開始計數(shù)，加至11后又返回00重新計數(shù)，觀察74LS192的功能表，只需對74LS192（2）的低兩位QBQA輸出，這樣就可以實現(xiàn)上述變化。因此，只需將74LS192（2）的輸出端QB

46、、QA通過74HC138譯碼和門電路實現(xiàn)三種LED燈的四個狀態(tài)變換。圖3-4 譯碼電路4 相關(guān)計算4.1限流電阻計算由于74HC門電路的VOL(MAX)=0.33V, IOL(MAX)=5.2 mA;LED發(fā)光二極管正常工作時的電流為ID=320mA，壓降為VD=1.22.5V。當(dāng)取VOL(MAX)=0.33V、VD=2V時，可計算出R=(VCCVDVOL(MAX)/ ID=513.4.因此，取R=520。4.2 時鐘信號產(chǎn)生如右圖所示，時鐘脈沖產(chǎn)生電路是由NE555搭成的多諧振蕩器。可以產(chǎn)生5秒的時鐘信號。由T=(R1+R2)Cln2=5,q=(R1+R2)/(R1+2R2)=2/3,取C=

47、10F，可計算出：R1= R2=47K。故取C2=0.01F C1=10F R1= R2=47K則 555的輸出端即可產(chǎn)生頻率為0.2Hz的脈沖。5 原理總圖5-1 總原理圖6 元器件清單表6-1 元器件清單元器件名稱數(shù)量配件備注NE 555174HC161174HC138174HC153174HC08(2輸入與門）1塊（內(nèi)含4個與門）實用4個與門74LS1922減法計數(shù)器74LS1261三態(tài)門共陰極數(shù)碼管2數(shù)碼顯示LED 綠色2模擬綠燈LED紅色2模擬紅燈LED黃色2模擬黃燈R電阻47K×2個330×6個220×14個C電容10uF×1個10nF

48、15;1個電路板15×20導(dǎo)線排線與排針焊錫7 調(diào)試過程及仿真結(jié)果7.1 未通電檢查 未通電之前，利用萬用表檢查各部分線路，是否有短路、斷路、虛焊等現(xiàn)象。將一個表筆放在接地處，用另一表筆分別接觸電路中應(yīng)該接地的觸電，觀察是否導(dǎo)通。若導(dǎo)通則進行下一個點的測量；若未導(dǎo)通，則繼續(xù)焊接。再將表筆放置高電平處，步驟相同。最后，根據(jù)原理圖，檢查是否有漏焊，橋連現(xiàn)象，方法同上述。用萬用表可快速明了地對未通電前的電路進行檢查。當(dāng)基本檢查完畢后，裝上元器件，進行下一步上電檢查。7.2 通電檢查7.2.1 NE555單元調(diào)試單獨給NE555單元電路加+5V電壓，并將其輸出端接在示波器上。調(diào)節(jié)示波器，觀察波形，記錄波形幅值和其它參數(shù)。NE555單元電路輸出波形參數(shù)：電壓+5V，周期5s。此單元電路無較大誤差。7.2.2 發(fā)光二極管單元調(diào)試未接電源時，二極管的正負極判斷方法：萬用表打到二極管擋上，然后用萬用表的表筆分別接到二極管的兩個極上去。當(dāng)紅表筆接觸的是二極管的正極，黑表筆接觸的是二極管的負極，即二極管處于正向接法時，二極管導(dǎo)通，阻值較小，此時二極管發(fā)出微弱的亮光；當(dāng)黑表筆接觸的是二極管的正極，紅表筆接觸的是二極管的負極，即二極管處在反向接法時，二極管截止，阻值很大，此時二極管不發(fā)光。7.2.3 脈沖選通信號調(diào)試單獨用信號發(fā)生器給74LS192與74HC153這個系統(tǒng)提供5秒的脈沖信號，參