簡易交通信號燈(可交)

.18/18電子技術(shù)〔數(shù)字課程設(shè)計報告簡易交通信號燈控制邏輯設(shè)計1、設(shè)計目的綜合運用數(shù)字電子技術(shù)相關(guān)知識設(shè)計具有指定用途的數(shù)字電路,學(xué)會由分立器件與集成電路組成電子電路的方法。2、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一種交通信號燈控制電路,主要技術(shù)指標與要求：〔1定時控制：主干道紅燈15秒,支干道綠燈10秒；〔2每次由綠燈變紅燈時,應(yīng)有5秒黃燈作為過渡；〔3分別用紅黃綠色發(fā)光二極管表示信號燈；〔4如果發(fā)生緊急事件,可以手動控制四個方向紅燈全亮；〔5設(shè)計計時顯示電路。3、設(shè)計要求〔1合理的設(shè)計硬件電路,說明工作原理及設(shè)計過程,畫出相關(guān)的電路原理圖；〔2選擇常用的電器元件〔說明電器元件選擇的過程和依據(jù)；〔3對設(shè)計的電路進行仿真,驗證各性能指標；〔4按照規(guī)范要求,按時提交課程設(shè)計報告,并完成答辯。4、參考資料〔l李立.電工學(xué)實驗指導(dǎo).北京：高等教育出版社,2005〔2高吉祥.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計.北京：電子工業(yè)出版社,2004〔3謝云等.現(xiàn)代電子技術(shù)實踐課程指導(dǎo).北京：機械工業(yè)出版社,2003.目錄設(shè)計方案的選擇與論證……………………<3>系統(tǒng)概述…………………<3>交通燈邏輯分析及整體設(shè)計方案模塊劃分……………<3>方案論證及可行性分析…………………<5>電路設(shè)計計算與分析………<6>秒脈沖信號發(fā)生器………<6>控制電路…………………<8>定時器……………………<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……………………<18>.一.設(shè)計方案的選擇與論證<1>.系統(tǒng)概述本設(shè)計要求設(shè)計一個主干道紅燈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燈時應(yīng)有5秒黃燈亮作為過渡,分別用紅、黃、綠三色發(fā)光二極管表示信號燈,并用數(shù)碼管顯示倒計時。因此,本設(shè)計需要一個秒脈沖信號發(fā)生器、定時器、譯碼顯示器和控制器。脈沖產(chǎn)生電路用以驅(qū)動倒計時電路,置數(shù)電路將交通燈亮?xí)r間預(yù)置到計數(shù)電路和寄存器中,控制器對信號燈的各種狀態(tài)進行循環(huán)控制,定時器以基準時間秒為單位做倒計時,數(shù)碼顯示模塊顯示倒計時的時間,控制器對電路種的各個模塊進行級聯(lián)控制。系統(tǒng)由秒脈沖信號發(fā)生器、定時器、控制器、譯碼顯示器五大部分組成。其中定時器能向控制器發(fā)出三種定時信號,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,分別產(chǎn)生三種倒計時時間顯示,控制器根據(jù)定時器的信號,進行狀態(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)一組信號燈,每組信號燈由紅、黃、綠3個燈組成,綠燈表示允許通行,紅燈表示禁止通行,黃燈表示該車道上已過停車線的車輛繼續(xù)通行,未過停車線的車輛禁止通行。圖1交通燈系統(tǒng)整體設(shè)計框圖.該圖為交通燈的一個整體設(shè)計框圖。系統(tǒng)主要由秒脈沖信號發(fā)生器、定時器、控制器、譯碼器、信號燈顯示器組成。其中控制器是核心部分,由它控制定時器和譯碼器的工作,秒脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生定時器和控制器所需的標準時鐘信號,譯碼器輸出兩路信號燈的控制信號。圖中TL、TS、TY為定時器的輸出信號,ST為控制器的輸出信號。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)某車道綠燈亮?xí)r,允許車輛通行,同時定時器開始計時,當(dāng)達到指定時間時,TL輸出為１,否則TL輸出為０；當(dāng)某車道黃燈亮后,定時器開始計時,當(dāng)計時到５秒時,TY輸出為１,否則TY＝０；當(dāng)某車道紅燈亮?xí)r,定時器開始計時,當(dāng)計時到指定時間時,TS輸出為１,否則TS＝０。因此,用定時器分別產(chǎn)生三個時間間隔后,向控制器發(fā)出"時間已到"的信號,控制器根據(jù)定時器的信號,決定是否進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。如果肯定,則控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST,定時器開始清零,準備重新計時。交通燈控制器的控制過程分為四個階段,對應(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,此時主干道允許車輛通行,支干道禁止車輛通行。當(dāng)主干道綠燈亮夠規(guī)定的時間后,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號,系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)。S1狀態(tài)：主干道黃燈亮,支干道紅燈亮,此時主干道允許超過停車線的車輛繼續(xù)通行,而未超過停車線的車輛禁止通行,支干道禁止車輛通行。當(dāng)主干道黃燈亮夠規(guī)定時間后,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號,系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)。S2狀態(tài)：主干道紅燈亮,支干道綠燈亮。此時主干道禁止車輛通行,支干道允許車輛通行,當(dāng)支干道綠燈亮夠規(guī)定時間后,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號,系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)。S3狀態(tài)：主干道紅燈亮,支干道黃燈亮。此時主干道禁止車輛通行,支干道允許超過停車線的車輛通行,而未超過停車線的車輛禁止通行。當(dāng)主干道紅燈亮夠規(guī)定的時間后,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號,系統(tǒng)進入下一個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。控制器狀態(tài)信號燈狀態(tài)車道運行狀態(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線車通行,未過線車禁止通行,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,支干道過線車通行,未過線車禁止通行表1控制器的狀態(tài)表<3>.方案論證及可行性分析1.秒脈沖信號發(fā)生器方案一：用555定時器構(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)成秒脈沖信號發(fā)生器。由于用秒脈沖信號作為計數(shù)器的計時脈沖,其精度會影響計數(shù)器的精度,進而影響控制系統(tǒng)的精度,因此要求秒脈沖信號具有比較高的精度,為提高精度可先做一個頻率比較高的矩形波振蕩器,然后將其輸出信號分頻,就可以得到頻率較低而精度比較高的脈沖信號發(fā)生器。555定時器構(gòu)成多諧振蕩器,構(gòu)成方法簡單,脈沖頻率符合標準。石英晶體雖不需要外加輸入信號,而且其脈沖頻率很穩(wěn)定,起振快、時基精度高,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)值無關(guān)但電路較為復(fù)雜,綜上考慮,秒脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計選用方案一。2.控制電路方案一：用譯碼器74LS138和D觸發(fā)器實現(xiàn),具體用四片74LS138芯片構(gòu)成5線—32線譯碼器,將各邏輯函數(shù)化為最小項后用與非門即可得到輸出。不過用74LS138芯片構(gòu)成5線—32線譯碼器的過程比較繁瑣,以上三個邏輯函數(shù)化為最小項后各有16項,做起來比較難,這會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)器實現(xiàn)。由于方案一較為復(fù)雜,使用芯片較多,對系統(tǒng)延時較大,導(dǎo)致系統(tǒng)精度降低。所以綜合考慮我們選用簡單的方案二。3.定時器定時器由與系統(tǒng)秒脈沖同步的計數(shù)器74LS161構(gòu)成,時鐘脈沖上升沿到來時,在控制信號ST作用下,計數(shù)器從零開始計數(shù),并向控制器提供M5、M10、M15信號,即TY、TS、TL的時間信號。4.顯示電路交通燈的數(shù)字顯示采用倒計時,因而應(yīng)采用減計數(shù)器。采用74LS192進行減計數(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。每個干道需要兩位數(shù)字顯示。二.電路設(shè)計計算與分析<1>.秒脈沖信號發(fā)生器秒脈沖發(fā)生電路是由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。因為控制系統(tǒng)是以秒作為單位,所以用秒脈沖發(fā)生器,又因為對信號的精度要求不高,故選用555定時器構(gòu)成。TLC555QDR定時器是一種模擬和數(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為555,用CMOS工藝制作的稱為7555,除單定時器外,還有對應(yīng)的雙定時器556/7556。555定時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定時器成本低,性能可靠,只需要外接幾個電阻、電容,就可以實現(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。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555定時器周期計算：T1＝〔R1＋R2Cln2=0.7<R1＋R2CT2=R2Cln2=0.7R2CT=T1+T2=<R1+2R2>Cln2=0.7<R1+2R2>C555定時器組成的秒脈沖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)生器線路圖<2>.控制電路控制電路由74LS138和74LS160,與門,非門,或門等共同組成.首先支干路在時鐘信號作用下兩個74LS192開始計數(shù),當(dāng)計數(shù)到99時通過與非門74LS20輸出高電平到達計數(shù)器74LS160,160輸出000通過譯碼器輸出y0=0使紅燈點亮,同時192被置數(shù)為15,192開始計數(shù),當(dāng)192再次計數(shù)為99時74LS20輸出高電平到達計數(shù)器74LS160,160輸出100通過譯碼器輸出y1=0使綠燈點亮,同時192被置數(shù)位10,當(dāng)192減計數(shù)為99時,74LS20輸出高電平到達計數(shù)器74LS160,160輸出010通過譯碼器輸出y2=0使黃燈點亮,同時192被置數(shù)位5,因黃燈與脈沖信號相連所以會不停閃爍,當(dāng)192再次變?yōu)?9時會循環(huán)重復(fù)第一個過程循環(huán)往復(fù)。主干路與支干路基本相同只是從綠燈開始循環(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,74LS138才對1、2、3腳的輸入進行譯碼,選擇和從這三個管腳輸入的三位二進制碼相對應(yīng)的某一個輸出腳輸出低電平,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是十進制計數(shù)器,也就是說它只能記十個數(shù),從0000-1001〔0-9到9之后再來時鐘就回到0,首先是clk這是時鐘,之后是rco這是輸出,MR是復(fù)位低電頻有效〔圖上接線前面花圈的都是低電平有效,load是置數(shù)信號當(dāng)他為低電平時在時鐘作用下,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>定時器定時器由與系統(tǒng)秒脈沖同步的計數(shù)器74LS192構(gòu)成,時鐘脈沖上升沿到來時,在控制信號ST作用下,計數(shù)器從零開始計數(shù),并向控制器提供M15、M10、M5信號,即TS、TL、TY的時間信號。用74LS192可以級聯(lián),只需要2片即可向控制器提供M15、M10、M5的信號,倒計數(shù)可在數(shù)字顯示電路中實現(xiàn)。74LS192芯片介紹：74LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數(shù)器。<bcd,二進制>。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為進位輸出：1001狀態(tài)后負脈沖輸出,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加計數(shù)1↑00減計數(shù)XXX1清零表274LS192功能表<4>顯示電路交通燈的數(shù)字顯示采用倒計時,因而應(yīng)采用減計數(shù)器。采用74LS192進行減計數(shù),然后將輸出接到七段顯示譯碼器上。每個干道需要兩位數(shù)字顯示,由于用減計數(shù)器,因而每個干道需要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)的倒計數(shù)。74LS192的RD、LD端由Q1、Q0來控制,根據(jù)S0———S3狀態(tài)改變Q1、Q0從而控制RD、LD端,使它們進行減計數(shù)和清零。CPD端輸入秒脈沖信號,而CPU端輸入高電平。圖8顯示電路圖<4>系統(tǒng)綜述通過分析交通燈控制系統(tǒng)的要求可知,整個系統(tǒng)主要由秒脈沖信號發(fā)生器、定時器、控制器、譯碼顯示器構(gòu)成。其中,秒脈沖信號發(fā)生器由555定時器構(gòu)成；定時器由兩片與系統(tǒng)秒脈沖同步的計數(shù)器74LS192構(gòu)成；控制器由74LS138和74LS160,與門,非門,或門等共同組成驅(qū)動電路的工作。主控制器和定時計數(shù)器必須使用同一脈沖信號,譯碼電路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?？刂齐娐肥窍到y(tǒng)的主要部分,由它控制定時計數(shù)電路和譯碼驅(qū)動電路的工作能夠?qū)崿F(xiàn)交通燈四種狀態(tài)的自動轉(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)及心得實驗課、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)階段既互相聯(lián)系有互有區(qū)別的三大實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。課程設(shè)計課是針對某一門課程的要求,對學(xué)生進行綜合性訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生運用課程中所學(xué)到的理論與實踐緊密結(jié)合,獨立地解決實際問題的能力。通過實驗課對電子元器件的認識與理解,創(chuàng)造性的應(yīng)用于課程設(shè)計上來,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題的能力,通過寫設(shè)計報告,我們學(xué)會了一般小論文的寫作與布局方法,為以后的工作與寫作打下了良好的基礎(chǔ)。本次課程設(shè)計我組選擇的是簡易交通信號控制燈的設(shè)計,我覺得該課題是有一定難度的,秒脈沖信號發(fā)生器和控制器的設(shè)計還相對簡單,但是譯碼顯示器和定時器的設(shè)計就有一定的難度了。關(guān)鍵是定時器的設(shè)計,要求它可以產(chǎn)生三種時間信號。另外譯碼顯示器要在主干道和次干道上產(chǎn)生一共四個倒計時狀態(tài)。所以在本課程設(shè)計時參閱了許多從圖書館借來的及網(wǎng)上資料。通過本次課程設(shè)計,得到了很多收獲和體會。我認識到現(xiàn)階段在課堂上從書本中學(xué)到的知識都是一些很基礎(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)計過程中,光有理論知識是不夠的,還必須懂一些實踐中的知識。同時有使我認識到了在專業(yè)課學(xué)習(xí)過程中存在的一些不足之處,例如,對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)用過程中還要翻閱課