簡(jiǎn)易交通信號(hào)燈(可交)

.18/18電子技術(shù)〔數(shù)字課程設(shè)計(jì)報(bào)告簡(jiǎn)易交通信號(hào)燈控制邏輯設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)目的綜合運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)具有指定用途的數(shù)字電路,學(xué)會(huì)由分立器件與集成電路組成電子電路的方法。2、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一種交通信號(hào)燈控制電路,主要技術(shù)指標(biāo)與要求：〔1定時(shí)控制：主干道紅燈15秒,支干道綠燈10秒；〔2每次由綠燈變紅燈時(shí),應(yīng)有5秒黃燈作為過(guò)渡；〔3分別用紅黃綠色發(fā)光二極管表示信號(hào)燈；〔4如果發(fā)生緊急事件,可以手動(dòng)控制四個(gè)方向紅燈全亮；〔5設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)顯示電路。3、設(shè)計(jì)要求〔1合理的設(shè)計(jì)硬件電路,說(shuō)明工作原理及設(shè)計(jì)過(guò)程,畫(huà)出相關(guān)的電路原理圖；〔2選擇常用的電器元件〔說(shuō)明電器元件選擇的過(guò)程和依據(jù)；〔3對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真,驗(yàn)證各性能指標(biāo)；〔4按照規(guī)范要求,按時(shí)提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告,并完成答辯。4、參考資料〔l李立.電工學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo).北京：高等教育出版社,2005〔2高吉祥.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社,2004〔3謝云等.現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)踐課程指導(dǎo).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.目錄設(shè)計(jì)方案的選擇與論證……………………<3>系統(tǒng)概述…………………<3>交通燈邏輯分析及整體設(shè)計(jì)方案模塊劃分……………<3>方案論證及可行性分析…………………<5>電路設(shè)計(jì)計(jì)算與分析………<6>秒脈沖信號(hào)發(fā)生器………<6>控制電路…………………<8>定時(shí)器……………………<11>顯示電路…………………<12>三.電路仿真及心得總結(jié)………<15>四.附錄…………<17>五.參考文獻(xiàn)……………………<18>.一.設(shè)計(jì)方案的選擇與論證<1>.系統(tǒng)概述本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)主干道紅燈15秒、支干道綠燈10秒的交通燈控制系統(tǒng),每次由綠燈變?yōu)榧t燈時(shí)應(yīng)有5秒黃燈亮作為過(guò)渡,分別用紅、黃、綠三色發(fā)光二極管表示信號(hào)燈,并用數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)。因此,本設(shè)計(jì)需要一個(gè)秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、定時(shí)器、譯碼顯示器和控制器。脈沖產(chǎn)生電路用以驅(qū)動(dòng)倒計(jì)時(shí)電路,置數(shù)電路將交通燈亮?xí)r間預(yù)置到計(jì)數(shù)電路和寄存器中,控制器對(duì)信號(hào)燈的各種狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)控制,定時(shí)器以基準(zhǔn)時(shí)間秒為單位做倒計(jì)時(shí),數(shù)碼顯示模塊顯示倒計(jì)時(shí)的時(shí)間,控制器對(duì)電路種的各個(gè)模塊進(jìn)行級(jí)聯(lián)控制。系統(tǒng)由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、定時(shí)器、控制器、譯碼顯示器五大部分組成。其中定時(shí)器能向控制器發(fā)出三種定時(shí)信號(hào),使相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光。譯碼顯示器在控制器的控制下,改變交通燈信號(hào),分別產(chǎn)生三種倒計(jì)時(shí)時(shí)間顯示,控制器根據(jù)定時(shí)器的信號(hào),進(jìn)行狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換,使顯示器的顯示發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)變。<2>.交通燈邏輯分析及整體設(shè)計(jì)方案模塊劃分圖1表示位于主干道和支干道的十字路口交通燈系統(tǒng),每條道路設(shè)一組信號(hào)燈,每組信號(hào)燈由紅、黃、綠3個(gè)燈組成,綠燈表示允許通行,紅燈表示禁止通行,黃燈表示該車(chē)道上已過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛繼續(xù)通行,未過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛禁止通行。圖1交通燈系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖.該圖為交通燈的一個(gè)整體設(shè)計(jì)框圖。系統(tǒng)主要由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、定時(shí)器、控制器、譯碼器、信號(hào)燈顯示器組成。其中控制器是核心部分,由它控制定時(shí)器和譯碼器的工作,秒脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生定時(shí)器和控制器所需的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào),譯碼器輸出兩路信號(hào)燈的控制信號(hào)。圖中TL、TS、TY為定時(shí)器的輸出信號(hào),ST為控制器的輸出信號(hào)。MG、MY、MR分別表示主干道綠、黃、紅三色燈,NG、NY、NR分別表示支干道綠、黃、紅三色燈。當(dāng)某車(chē)道綠燈亮?xí)r,允許車(chē)輛通行,同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí),當(dāng)達(dá)到指定時(shí)間時(shí),TL輸出為１,否則TL輸出為０；當(dāng)某車(chē)道黃燈亮后,定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí),當(dāng)計(jì)時(shí)到５秒時(shí),TY輸出為１,否則TY＝０；當(dāng)某車(chē)道紅燈亮?xí)r,定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí),當(dāng)計(jì)時(shí)到指定時(shí)間時(shí),TS輸出為１,否則TS＝０。因此,用定時(shí)器分別產(chǎn)生三個(gè)時(shí)間間隔后,向控制器發(fā)出"時(shí)間已到"的信號(hào),控制器根據(jù)定時(shí)器的信號(hào),決定是否進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。如果肯定,則控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST,定時(shí)器開(kāi)始清零,準(zhǔn)備重新計(jì)時(shí)。交通燈控制器的控制過(guò)程分為四個(gè)階段,對(duì)應(yīng)的輸出有四種狀態(tài),分別用S0、S1、S2、S3表示。S0狀態(tài)：主干道綠燈亮,支干道紅燈亮,此時(shí)主干道允許車(chē)輛通行,支干道禁止車(chē)輛通行。當(dāng)主干道綠燈亮夠規(guī)定的時(shí)間后,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào),系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。S1狀態(tài)：主干道黃燈亮,支干道紅燈亮,此時(shí)主干道允許超過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛繼續(xù)通行,而未超過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛禁止通行,支干道禁止車(chē)輛通行。當(dāng)主干道黃燈亮夠規(guī)定時(shí)間后,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào),系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。S2狀態(tài)：主干道紅燈亮,支干道綠燈亮。此時(shí)主干道禁止車(chē)輛通行,支干道允許車(chē)輛通行,當(dāng)支干道綠燈亮夠規(guī)定時(shí)間后,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào),系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。S3狀態(tài)：主干道紅燈亮,支干道黃燈亮。此時(shí)主干道禁止車(chē)輛通行,支干道允許超過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛通行,而未超過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛禁止通行。當(dāng)主干道紅燈亮夠規(guī)定的時(shí)間后,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào),系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)S0狀態(tài)。S0、S1、S2、S3狀態(tài)分別分配狀態(tài)編碼為00、01、11、10,由此得到控制器的狀態(tài),如表1所示?？刂破鳡顟B(tài)信號(hào)燈狀態(tài)車(chē)道運(yùn)行狀態(tài)<00>主干道綠燈,支干道紅燈主干道通行,支干道禁止通行<01>主干道黃燈,支干道紅燈主干道過(guò)線(xiàn)車(chē)通行,未過(guò)線(xiàn)車(chē)禁止通行,支干道禁止通行<11>主干道紅燈,支干道綠燈主干道禁止通行,支干道通行<10>主干道紅燈,支干道黃燈主干道禁止通行,支干道過(guò)線(xiàn)車(chē)通行,未過(guò)線(xiàn)車(chē)禁止通行表1控制器的狀態(tài)表<3>.方案論證及可行性分析1.秒脈沖信號(hào)發(fā)生器方案一：用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器方案二：用石英晶體多諧振蕩器和分頻器構(gòu)成秒脈沖信號(hào)發(fā)生器。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脈沖信號(hào)發(fā)生器。555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,構(gòu)成方法簡(jiǎn)單,脈沖頻率符合標(biāo)準(zhǔn)。石英晶體雖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,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)但電路較為復(fù)雜,綜上考慮,秒脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)選用方案一。2.控制電路方案一：用譯碼器74LS138和D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn),具體用四片74LS138芯片構(gòu)成5線(xiàn)—32線(xiàn)譯碼器,將各邏輯函數(shù)化為最小項(xiàng)后用與非門(mén)即可得到輸出。不過(guò)用74LS138芯片構(gòu)成5線(xiàn)—32線(xiàn)譯碼器的過(guò)程比較繁瑣,以上三個(gè)邏輯函數(shù)化為最小項(xiàng)后各有16項(xiàng),做起來(lái)比較難,這會(huì)給作圖帶了比較大的麻煩。方案二：用四選一數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。由于方案一較為復(fù)雜,使用芯片較多,對(duì)系統(tǒng)延時(shí)較大,導(dǎo)致系統(tǒng)精度降低。所以綜合考慮我們選用簡(jiǎn)單的方案二。3.定時(shí)器定時(shí)器由與系統(tǒng)秒脈沖同步的計(jì)數(shù)器74LS161構(gòu)成,時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)時(shí),在控制信號(hào)ST作用下,計(jì)數(shù)器從零開(kāi)始計(jì)數(shù),并向控制器提供M5、M10、M15信號(hào),即TY、TS、TL的時(shí)間信號(hào)。4.顯示電路交通燈的數(shù)字顯示采用倒計(jì)時(shí),因而應(yīng)采用減計(jì)數(shù)器。采用74LS192進(jìn)行減計(jì)數(shù),然后將輸出接到七段數(shù)碼顯示數(shù)碼管DCD_HEX譯碼器上。每個(gè)干道需要兩位數(shù)字顯示。二.電路設(shè)計(jì)計(jì)算與分析<1>.秒脈沖信號(hào)發(fā)生器秒脈沖發(fā)生電路是由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,又因?yàn)閷?duì)信號(hào)的精度要求不高,故選用555定時(shí)器構(gòu)成。TLC555QDR定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱(chēng)為555,用CMOS工藝制作的稱(chēng)為7555,除單定時(shí)器外,還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器556/7556。555定時(shí)器的電源電壓范圍寬,可在4.5V~16V工作,7555可在3~18V工作,輸出驅(qū)動(dòng)電流約為200mA,因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電平兼容。555定時(shí)器成本低,性能可靠,只需要外接幾個(gè)電阻、電容,就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。555定時(shí)器周期計(jì)算：T1＝〔R1＋R2Cln2=0.7<R1＋R2CT2=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1s,即T=1s,設(shè)置占空比為51%,所以可設(shè)置參數(shù)：R1=270ΩR2=72kΩC1=10uFC2=10nF圖2555引腳圖圖3秒脈沖發(fā)生器線(xiàn)路圖<2>.控制電路控制電路由74LS138和74LS160,與門(mén),非門(mén),或門(mén)等共同組成.首先支干路在時(shí)鐘信號(hào)作用下兩個(gè)74LS192開(kāi)始計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)到99時(shí)通過(guò)與非門(mén)74LS20輸出高電平到達(dá)計(jì)數(shù)器74LS160,160輸出000通過(guò)譯碼器輸出y0=0使紅燈點(diǎn)亮,同時(shí)192被置數(shù)為15,192開(kāi)始計(jì)數(shù),當(dāng)192再次計(jì)數(shù)為99時(shí)74LS20輸出高電平到達(dá)計(jì)數(shù)器74LS160,160輸出100通過(guò)譯碼器輸出y1=0使綠燈點(diǎn)亮,同時(shí)192被置數(shù)位10,當(dāng)192減計(jì)數(shù)為99時(shí),74LS20輸出高電平到達(dá)計(jì)數(shù)器74LS160,160輸出010通過(guò)譯碼器輸出y2=0使黃燈點(diǎn)亮,同時(shí)192被置數(shù)位5,因黃燈與脈沖信號(hào)相連所以會(huì)不停閃爍,當(dāng)192再次變?yōu)?9時(shí)會(huì)循環(huán)重復(fù)第一個(gè)過(guò)程循環(huán)往復(fù)。主干路與支干路基本相同只是從綠燈開(kāi)始循環(huán)。電路圖如下圖所示：圖3控制器電路圖芯片74LS138介紹：74LS138的管腳排列和真值表見(jiàn)下圖。由真值表可知,4、5、6腳是控制腳,只有當(dāng)6腳為高電平而4、5腳都為低電平時(shí),74LS138才對(duì)1、2、3腳的輸入進(jìn)行譯碼,選擇和從這三個(gè)管腳輸入的三位二進(jìn)制碼相對(duì)應(yīng)的某一個(gè)輸出腳輸出低電平,否則所有的輸出腳都是輸出高電平。.圖474LS138管腳圖圖574LS138真值表芯片74LS160介紹：74160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,也就是說(shuō)它只能記十個(gè)數(shù),從0000-1001〔0-9到9之后再來(lái)時(shí)鐘就回到0,首先是clk這是時(shí)鐘,之后是rco這是輸出,MR是復(fù)位低電頻有效〔圖上接線(xiàn)前面花圈的都是低電平有效,load是置數(shù)信號(hào)當(dāng)他為低電平時(shí)在時(shí)鐘作用下,讀入D0到D3。為了使161正常工作ENP和ENT接1,另外D0到D3是置數(shù)端Q0到Q3是輸出端。圖674LS160管腳圖<3>定時(shí)器定時(shí)器由與系統(tǒng)秒脈沖同步的計(jì)數(shù)器74LS192構(gòu)成,時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)時(shí),在控制信號(hào)ST作用下,計(jì)數(shù)器從零開(kāi)始計(jì)數(shù),并向控制器提供M15、M10、M5信號(hào),即TS、TL、TY的時(shí)間信號(hào)。用74LS192可以級(jí)聯(lián),只需要2片即可向控制器提供M15、M10、M5的信號(hào),倒計(jì)數(shù)可在數(shù)字顯示電路中實(shí)現(xiàn)。74LS192芯片介紹：74LS192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。<bcd,二進(jìn)制>。LD為預(yù)置輸入控制端,異步預(yù)置。CR為復(fù)位輸入端,高電平有效,異步清除,CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出,BO為借位輸出：圖774LS192管腳圖1圖774LS192管腳圖2CPUCPDRDLD工作狀態(tài)XX00置數(shù)↑110加計(jì)數(shù)1↑00減計(jì)數(shù)XXX1清零表274LS192功能表<4>顯示電路交通燈的數(shù)字顯示采用倒計(jì)時(shí),因而應(yīng)采用減計(jì)數(shù)器。采用74LS192進(jìn)行減計(jì)數(shù),然后將輸出接到七段顯示譯碼器上。每個(gè)干道需要兩位數(shù)字顯示,由于用減計(jì)數(shù)器,因而每個(gè)干道需要2片74LS192,由表可看出主干道74LS192應(yīng)該向七段顯示譯碼器提供M45〔S0狀態(tài)、M5〔S1狀態(tài)、M30〔S2、S3狀態(tài)的倒計(jì)數(shù),而支干道74LS192應(yīng)該向七段顯示譯碼器提供M15〔S0.S1狀態(tài)、M10〔S2狀態(tài)、M5〔S3狀態(tài)的倒計(jì)數(shù)。74LS192的RD、LD端由Q1、Q0來(lái)控制,根據(jù)S0———S3狀態(tài)改變Q1、Q0從而控制RD、LD端,使它們進(jìn)行減計(jì)數(shù)和清零。CPD端輸入秒脈沖信號(hào),而CPU端輸入高電平。圖8顯示電路圖<4>系統(tǒng)綜述通過(guò)分析交通燈控制系統(tǒng)的要求可知,整個(gè)系統(tǒng)主要由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、定時(shí)器、控制器、譯碼顯示器構(gòu)成。其中,秒脈沖信號(hào)發(fā)生器由555定時(shí)器構(gòu)成；定時(shí)器由兩片與系統(tǒng)秒脈沖同步的計(jì)數(shù)器74LS192構(gòu)成；控制器由74LS138和74LS160,與門(mén),非門(mén),或門(mén)等共同組成驅(qū)動(dòng)電路的工作。主控制器和定時(shí)計(jì)數(shù)器必須使用同一脈沖信號(hào),譯碼電路輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào),經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈工作?？刂齐娐肥窍到y(tǒng)的主要部分,由它控制定時(shí)計(jì)數(shù)電路和譯碼驅(qū)動(dòng)電路的工作能夠?qū)崿F(xiàn)交通燈四種狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。圖9主干道電路圖圖10支干道電路圖.圖11總電路圖.三.電路仿真圖及總結(jié)及心得電路仿真圖圖12狀態(tài)圖圖13狀態(tài)圖圖14仿真圖<2>總結(jié)及心得實(shí)驗(yàn)課、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)階段既互相聯(lián)系有互有區(qū)別的三大實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。課程設(shè)計(jì)課是針對(duì)某一門(mén)課程的要求,對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合性訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用課程中所學(xué)到的理論與實(shí)踐緊密結(jié)合,獨(dú)立地解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課對(duì)電子元器件的認(rèn)識(shí)與理解,創(chuàng)造性的應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)上來(lái),培養(yǎng)和激發(fā)了我們的學(xué)習(xí)興趣,提升了我們分析和解決問(wèn)題的能力,通過(guò)寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告,我們學(xué)會(huì)了一般小論文的寫(xiě)作與布局方法,為以后的工作與寫(xiě)作打下了良好的基礎(chǔ)。本次課程設(shè)計(jì)我組選擇的是簡(jiǎn)易交通信號(hào)控制燈的設(shè)計(jì),我覺(jué)得該課題是有一定難度的,秒脈沖信號(hào)發(fā)生器和控制器的設(shè)計(jì)還相對(duì)簡(jiǎn)單,但是譯碼顯示器和定時(shí)器的設(shè)計(jì)就有一定的難度了。關(guān)鍵是定時(shí)器的設(shè)計(jì),要求它可以產(chǎn)生三種時(shí)間信號(hào)。另外譯碼顯示器要在主干道和次干道上產(chǎn)生一共四個(gè)倒計(jì)時(shí)狀態(tài)。所以在本課程設(shè)計(jì)時(shí)參閱了許多從圖書(shū)館借來(lái)的及網(wǎng)上資料。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì),得到了很多收獲和體會(huì)。我認(rèn)識(shí)到現(xiàn)階段在課堂上從書(shū)本中學(xué)到的知識(shí)都是一些很基礎(chǔ)的,學(xué)到的東西也比較有限,離具體的應(yīng)用還有相當(dāng)大的差距。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中,光有理論知識(shí)是不夠的,還必須懂一些實(shí)踐中的知識(shí)。同時(shí)有使我認(rèn)識(shí)到了在專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的一些不足之處,例如,對(duì)某些不常用的芯片的功能作用并不是太熟悉,以至于在應(yīng)用過(guò)程中還要翻閱課