数字电子技术课程设计-交通信号灯控制电路的设计与仿真.pdf

数字电子技术课程设计任务书一、设计题目、内容及要求设计题目：交通信号灯控制电路的设计与仿真 设计内容：1.信号灯白天工作方式某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯 点亮期间，另一方向红灯点亮。如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指 示灯点亮的时间比例为5：1：6O从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮 时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿 灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。2.夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控 制白天和夜间工作方式。设计要求：（1）要求根据设计要求实现交通灯的现实功能；（2）用Multisim进行仿真（3）最后要有设计说明书；二、设计原始资料Multisim仿真软件、芯片资料三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）课程设计说明书、仿真结果 四、进程安排周1讲解整个设计要实现的功能，查阅相关资料，画出整体电路，周2、3进行仿真并调试；周4撰写课程设计任务书周5课程设计答辩并交设计说明书 五、主要参考资料1付家才.电子工程实践技术.北京：北京工业出版社，20032毕满清.电子技术实验与课程设计.北京：机械工业出版社，20013阎石主编.数字电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，20094 丁润涛主编.电子工程手册.北京：机械工业出版社，1995指导教师（签名）：|教研室主任（签名）：课程设计成绩评定表出勤出勤天数情况缺勤天数成出勤情况及设计过程表现（20分）绩课设答辩（20分）评设计成果（60分）定总成绩（100分）提问（答辩）问题情况综合评定指导教师签名：年 月 日目录1引言.12原理设计思想.23总体设计.33.1 单元电路设计.33.1.1 秒脉冲产生电路.33.1.2 十二进制计数器.33.1.3 分频器电路的设计.43.1.4 直流稳压电源.53.1.5 信号灯驱动电路的设计.63.1.6 白天夜间模式切换的设计.73.1.7 交通灯逻辑控制电路.73.2 时序仿真结果.104设计总结.13参考文献.14附录.15唐山学院课程设计说明书1引言随着世界范围内城市化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全球 化的问题。城市交通基础设施供给滞后于高速机动化增长需求，道路堵塞日趋加 重，交通事故频繁，环境污染加剧等问题普遍存在。目前，全国大中城市普遍存 在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象，交通事故频发，这给人民的生 命财产安全带来了极大的损失。如何解决城市交通问题已成为全社会关注的焦点 和大众的迫切呼声。探究城市交通发展中存在问题的原因，无论是从宏观上还是 从微观上分析，其根本原因在于城市交通系统的管理机制不适应。城市交通控制系统(UTC,Urban Traffic Control System)是现代城市智能 交通系统(IDJ,Intelligent transport system)的组成之一，主要用于城市道路交 通的控制与管理。城市平交路口实现交通信号控制是城市交通管理现代化的基本 标志之一，是提高交通管理效能的重要技术手段。路口信号控制器是控制交叉路 口交通信号的设备，它是交通信号控制的重要组成部分。各种交通控制方案，最 终都要由路口信号控制器来实现。为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地 通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。伴随着社会的发展以及人类生 活水平的提高，汽车的数量在不断增加。MultisimlO是一款知名的EDA仿真软件，由加拿大HT、公司于2007年推 出最新版本。在Windows环境下，Multisim 10软件有一个完整的集成化设计环 境，它将原理图的创建、电路的测试分析、结的图表显示等全部集成到同一个电 路窗口中。在搭建实际电路之前，采用Multisim 10仿真软件进行虚拟测试，可 使实验方法和实验手段现代化，扩展实验容量，使实验内容更完备，提高了实验 效率，节省大量的实验资源。Multisim 10软件进行设计仿真分析的基本步骤为：设计创建仿真电路原理图一电路图选项的设置一使用仿真仪器一设定仿真分析 方法一启动Multisim 10仿真。因此本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将 理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用与实际 生活中！唐山学院课程设计说明书2原理设计思想设计交通信号控制灯要求白天的工作方式如图2-1：*南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮It南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮5t南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮5t图27信号指示灯白天点亮流程图夜晚的工作方式是：南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮,因此总的设计框图如图2-2：东西信号灯南北信号灯Z3系统电源组合逻辑电路工作方式控制开关秒脉冲产生电路、r图2-2整体电路设计框图根据交通灯的性能要求以及整体电路图，设计本次课程设计的交通灯电路o2唐山学院课程设计说明书3总体设计3.1单元电路设计3.1.1秒脉冲产生电路由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产 生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡 器。为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用555定时器组成多谐振荡器。其 中由555构成本次课设的1秒脉冲电路如图3-1所示：鸟叫段 巨 Gt37 5556 52 1-1-0.011 F图37 555定时器组成多谐振荡器原理图振荡周期与频率的计算公式为：T=(Ri+2R2)Cln2=0.7(Ri+2R2)C,电源电压为 V=5V,其中电路图中C的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用 0.01F的瓷片电容。再次课程设计中要求输出T=1S,选取电容为Ci=10piF,Ri=560kQ,根据振荡周期计算，选择电阻R2=434kQ。由于存在系统误差，经 调试取R2=360kQo在Multisim中进行仿如图3-2：从图3-2中可以看出T=L034S,这与要求相符。3.1.2 十二进制计数器由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十 二进制(绿、黄、红时间比例为5：1：6),因此需要设计十二进制计数器，循 环工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选 用8位审入并出移位寄存器74LS164 o3唐山学院课程设计说明书图3-2 555多谐振荡器仿真图应用电路：川74LS164组成的12进制扭环型计数器电路,其电路图如图3-3 所示。Vcc Qh Qg Qf Qe Rd CP141 L8.74LS164A B Qa Qb Qc Qd GND图3-3 74LS164引脚图3.1.3 分频器电路的设计上述十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体 电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4 分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。本次课程设计使用两个D触发器组成4分频器电路。图3-4四分频的电路原理图CPDQn+14唐山学院课程设计说明书0表3-1 74KS74真值表Qn1 0 01 1 174LS74是内有两个D触发器的TTL集成电路，将每一触发器接成触发器,两级审联就实现4分频，即输入1S脉冲，输出4s脉冲。在Multisim中进行仿如图3-5：图3-5 4分频器电路的输出波形从图中可以看出由555定时器组成的多谐振荡器将1S脉冲输送给2分频D触 发器，两级审联就实现4分频，即输入1S脉冲，输出4s脉冲。由示波器得T=4.095S,这与要求相符。3.1.4直流稳压电源作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通 信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工 作。因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。通过变压器将市电降压到交流9V,在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流5V电压。直流稳压电源的任务是 为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整 体电路的需要。5唐山学院课程设计说明书直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成 稳压芯片稳压四部分。直流稳压电源的设计电路如图3-6所示。图3-6直流稳压电源原理图在Multisim中进行仿真如下图:图3-7直流稳压电 源的仿真图如图3-7所示通过交人mrrTT N pf+tUahu乂”2 7.u4乙 v，在通过整流桥整流滤波 和稳压块7805得到直流4.988V电压，在允许范围与要求相符。3.1.5 信号灯驱动电路的设计本次课程设计选择使用基本共射放大电路对发光二极管进行驱动，使其点 亮。其设计电路如下图所示：6唐山学院课程设计说明书对此基本共射放大电路进行设计几参数的选择：电源电压：Vcc=5V；集电极直流负载电阻Rc的计算与确定：电路的直流输出回路电压方程为：Uce=VcccRi，发光二极管的驱动电压大概是0.7V左右，一般发光管的驱动电 流取10mA20mA,大功率白光二极管可以到300mA(1W)600mA(2A)O此 次课设所用的二极管电流为10Ma20mA,则选取Uce=0.7V,根据电路的直流输 出回路电压方程计算得：Rc=260Q,其功率：WRc=RiUrc=260Q*20mA=5.2mW 则选取Ri=260Q的电阻即可。Rb 的阻值计算与确定：Ibq=Icq/P=20/80=0.25mA,确定 RB%Vcc/lBQ=5kQ 为 统一选取，则Rb取Ri=5kQ电阻。3.1.6 白天夜间模式切换的设计为了使实验在一次课时间内完成，本设计中白天与夜间的转换开关为手动开 关。在实际应用中可以设计自动转换开关。用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电 路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平 信号，这个信号经延时电路后(可用单稳态电路实现)，作为白天与夜间的自动 转换开关。这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。第二天天 量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。在本次课程设计中选择使用手 动切换白天与夜晚模式的选择。由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式可以看出，白天与夜间 模式的转换由74LS164的Rd引脚控制。当Rd=1时为白天工作模式，Rd=1时为 夜晚工作模式。根据此次电路设计要求，以上为所有基本电路的单元电路的详细设计。3.1.7交通灯逻辑控制电路逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路 的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。组合逻辑电 路的真值表如图所示：根据上图真值表写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得：nsg=ewg=qeqfNSY=Qe EWY=QfNSR=Qf EWR=Qf由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。因7唐山学院课程设计说明书表3-274LS74真值表CPDQn+l0X3100111此非门选用TTL集成门74LS04,与门选用TTL集成门74LS08。当然，以上仅是考虑白天工作方式时的情况。下面将介绍白天和夜间综合考 虑的情况，综合考虑后，表达式需要修改，则门电路也需要作响应的修改。黄灯点亮的按秒闪动，将在下面考虑。白天和夜间综合考虑组合逻辑电路表达式和门电路的修改按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使74LS164停止循环工作，即通过开关将74LS164的七接地，使 74LS164的所有Q端全部清零。白天以为高电平，74LS164循环工作。由74LS164组成的12进制扭环形计数器电路中的开关就是白天、夜间控制 开关。在夜间由于屋=0使所有的74LS164的Q端清零，因此会出现以下问题：(1)NSG,由于夜间Q端均为低电平，则NSG为高电平，即南北 绿灯点亮，显然这是不允许的，所以NSG的表达式需要修改；(2)EWR=仁，由于夜间Q端均为低电平，则EWR为高电平，即东西红 灯点亮，显然这是不允许的，所以EWR的表达式需要修改；(3)殓丫=。或 由于夜间心、。b均为低电平时，则NSY、EWY为低电 平，即南北和东西方向的黄灯不能点亮，显然这是不允许的，所以NSY、EWY 的表达式需要修改。上述三个问题不符合信号灯的点亮要求。解决办法如下：(1)在夜间由于。=Q尸=0,将原两输入与门改为三输入与门。那么在夜间 由于有二。，贝Unsg=o,即夜间南北绿灯不点亮；在白天由于以=1,则 NSG=德爪即南北绿灯按白天工作方式点亮(2)在夜间由于=0,石栈=0尸=1的解决方法：令EWR 即将EWR与以之间的连线改为额两输入的与门。那么，在夜间由于痣=0,则 EWR=0,即夜间东西红灯红灯不亮；而在白天或=1,则痴=RQf=Qf,即东西方向红灯按白天工作方式点亮。虽然NSG=0尸，在夜间由于。尸=0,则NVG=0,即南北红灯不亮。但为 8唐山学院课程设计说明书了对称也将其修改为NSG=RdQf o(3)在夜间由于0=2=0,使Nsy=4或均为0的解决方法：使 NSY=Qe+Rd，EWY=Rd+*f，即将原来的两输入与门改为在与门之后 增加一级两输入或门，其中一个输入端为Rd,即将、d经过一级非门后输出，另 一个输出端为原来两输入与门的输出(。石。尸的输出或。0尸的输出)。那么在夜 间由于瓦=1,盘=0,则gy=石用y=i,即南北和东西方向的黄灯点亮；而在 白天由于或=0加。=1,贝Uawf=或+垢0石，nwy=工+羸尸痴Qf，即各 方向的灯按白天工作方式点亮。经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式为：nsg=ewg=qeqfrNSY=Qe+Rd EWY 4Qf+RdNSR=Q历 EWR=/在此次逻辑电路的设计过程中用到的芯片有：74LS04,74LS08,74LS32,74LSllo74LS04为六组一输入与门；74LS08为四组二输入与门；74LS32为四组二 输入或门；74LSH为三组三输入或门。各个芯片的驱动电压均为+5V。根据各芯片外部引脚不，选择合适位置的引脚，连接电路。其逻辑控制原理 电路如图3-9所示：9唐山学院课程设计说明书3.2时序仿真结果1白天工作方式交通灯从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东 西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西 方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。2M221SoQ TJ220Q fjOQ lOQ|R6J亨0党 LED1 6产iQ2QLED3 S10ZLED4 47受LED5 516/LED6 15Q1 R8 Jr 丁Q304Q5Q6J 产R10M JR11 40 UR12g b2r122112N22182N221U1B74LS08D74LS11NS11NmU2c 74LS0802N22 GHDI8GIIDrGHD U2A 74LS08DU2D 74LS08D我 2218图4-2东西方向红灯亮南北方向绿灯亮图4-3东西方向红灯亮南北方向黄灯亮10唐山学院课程设计说明书Z3lediZGHD2N221 GND20Q2R9R10 2N221!R4 220D、於 LED5D615Q6S11NU2B16 Q52H2218 GND74LS08DU2C 74LS08DU1B 74LS11N肿R11 40GHDGMDU2A74LS08D85kQ 85kD18R124 2H221 再=l-2N2218 GND力GMDU2D 74LS08D537 GN 0肿、降 LED4图4-4东西方向绿灯亮南北方向红灯亮2H221 科二二-5kDSoQ%。,J220Q，J22OQ JOQ iR6 I220Q若LED1 6L LED2、I20Iq2脸LED3 10LED4 547受 LED5 16QLED6 15Q1 R8 JQ3Q4Q5Q6R9R1140 uR12X42H2212H221 GHD2H2218 i GND.GND11NU2B 74LS08DGNDU2C 74LS08D2N22 GHD I85kQ8GND182H2218 GHDIU1B寸GND74LS11NU2A74LS08DU2D74LS08D7 GNDq7 GND图4-5东西方向黄灯亮南北方向红灯亮2夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮，如图4-6。设置一 个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。!R4 22QQR5 220QR6 2200 13U220OLED1巾GND2N221 GHD立，LED2205 隐 LED310Q3511HU2B74LS0SD2N2218 GND“21GNDU2CR10 JN221frC=J-再小、瞪 LED4 47Q4里LEDS16 Q5、陪 LED615R114O J rl=2N221 85kQ 飞2N22 GWDQ6R12445kQN2218GND74LS08DrGNDI8IU1B 74LS11NU2A 74LS08DGND18 nU2D 74LS08DGND图4-6交通灯夜晚工作图11唐山学院课程设计说明书图3-10、3-11是用4踪示波器对红灯（红线）、绿灯（绿线）、4分频器（蓝 线）、555定时器组成的多谐振荡器（黄线）进行的仿真图，从图中可以看出4 分频器的周期是555定时器组成的多谐振荡器周期的4倍。图370白天模式时序仿真图Osci 11 oscope-XSCX图371晚上模式时序仿真图12唐山学院课程设计说明书4设计总结通过这次过程设计，加强了我们动手，思考和解决问题的能力。在这次课程 设计中遇到了各种各样的问题，经常遇到这样那样的情况，也在设计的过程中发 现了自己的不足之处，对以前所学的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，因 此在这上面耗费的时间用去很多。做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平 时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所 以在这次课程设计中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用 有了更多的认识。比如一些芯片的功能，通过动手实践让我们对各个元件的印象 深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一 标准。所以这个课程设计对我们的作用是非常大的，同时通过这次课程设计使我 懂得了理论与实际结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的 理论知识与实践结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高 自己的实际动手能力和独立思考能力。此次课程设计学到了许多可能学不到的东 西，比如多利思考解决问题的能力，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高,我们都受益匪浅，今后的制作应该更加轻松，自己都能扛得起并高质量的完成项 目。这次课设终于顺利完成了，在课设中遇到了很多专业知识问，最后在老师的 辛勤指导下，终于迎刃而解。同时，在老师的身上我们也学到了很多实用的知识,在此我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示衷 心的感谢！13唐山学院课程设计说明书参考文献1付家才.电子工程实践技术.北京：北京工业出版社，20032毕满清.电子技术实验与课程设计.北京：机械工业出版社，2001：3阎石主编.数字电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，20094 丁润涛主编.电子工程手册.北京：机械工业出版社，19955唐赣主编.Multisim 10&Ultiboard 10原理图仿真与PCB设计.北京：电子工业工业 出版社，20086郭锁利主编.基于Multisim 9的电子系统设计、仿真与综合应用.北京：人民邮电 出版社，200814唐山学院课程设计说明书附录15