《十字路口交通管理控制器的设计》课程设计-大学论文.doc

课程设计十字路口交通灯 自动化学院 十字路口交通灯课程设计课程设计题目：十字路口交通灯课程设计姓 名：廖伟学 号：20110344107班 级：自动化111班指导老师：罗松江、邓小彪地 点：实验室A513时 间： 2013年6月17日2013年6月28日目 录引言2第一章 设计任务及要求3十字路口交通管理控制器的设计3第二章 设计方案3第三章 设计原理及电路41 总体设计42 单元电路的设计和元器件的选择5第四章 电路的组装和测试12第五章 设计总结15参考文献17附录 117元器件清单17附录 218Protel原理图18PCB模板图19引言城市十字交叉路口为确保车辆、行人安全有序地通过，都设有指挥信号灯。交通信号灯的出现，使交通得以有效地管制，对于疏导交通、减少交通事故有明显的效果。现有2条主干道汇合点形成十字交叉口，为确保车辆安全、迅速的通行，在交叉路口的每条道上设置一组交通灯，交通灯由红、黄、绿3色组成。红灯亮表示此通道禁止车辆通过路口；黄灯亮表示此通道未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该通道车辆可以通行。要求设计一交通灯控制电路以控制十字路口两组交通灯的状态转换，指挥车辆安全通行。第一章 设计任务及要求十字路口交通管理控制器的设计任务说明：在主、支道路的十字路口分别设置三色灯控制器，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮要求压线车辆快速穿越。根据车流状况不同，可调整三色灯点亮或关闭时间。要求：可用LED模拟交通灯；南北方向绿、黄、红灯亮的时间分别为30秒、5秒、25秒；次道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、35秒；主、次道路时间指示采用倒计时制，用2位数码管显示。第二章 设计方案根据设计要求，主道路绿、红、黄灯亮的时间分别为30s、25s、5s,次道路绿、红、黄灯亮的时间分别为20s、35s、5s.设计的系统可以由控制器、定时器、秒脉冲信号发生器、信号灯等组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器及移位寄存器的工作。秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需要的标准信号，译码器输出两路信号灯的控制信号号。T1和Ty未定时器的输出信号，St为控制器的输出信号。 2-1 交通灯控制器框图Tl：表示主道路或次道路绿灯亮的时间间隔，即车辆正常通行的时间间隔。定时到Tl=1，否则Tl=0.Ty：表示黄灯亮的时间间隔，定时到，Ty=1，否则Ty=0.St：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。第三章 设计原理及电路1 总体设计根据设计要求主道路绿、黄、红灯亮的时间分别为30秒、5秒、20秒，此道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、30秒。其时序关系如图1-1所示。南北方向绿灯：东西方向绿灯：南北方向黄灯：南北方向红灯：东西方向黄灯：东西方向红灯：5秒5秒30秒25秒20秒35秒循环周期 图1-1 交通灯时序工作图时钟电路主道计数器次道计数器译码显示器译码显示器组合电路组合电路秒脉冲电路主绿主黄主红次绿次黄次红计 数 器组 合 逻 辑 电 路根据要求中交通指示灯定时亮灭，时间指示采用倒计时显示，则需要由定时系统，计数器，时钟电路等来满足，状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过译码器分别点亮相应状态的信号灯。秒信号发生器产生整个定时系统的时基脉冲，通过减法计数器对秒脉冲计数，达到控制每一种工作状态的持续时间。减法计数器的的回零脉冲时状态控制器完成状态转换。其工作框图如图1-2所示图1-2 交通管理控制器框图2 单元电路的设计和元器件的选择2.1 控制器电路 根据设计要求各信号灯的工作顺序流程图如图2-1-1所示.信号灯四种不同的状态分别用S0（主绿灯亮，次黄灯亮）表示、S1（主黄灯亮，次红灯亮）表示、S2（主红灯亮，次绿灯亮）表示、S3（主红灯亮，次黄灯亮）表示，其状态编码即状态及状态转换图如图2-3-2所示。2-1-1 交通灯顺序工作流程图这是一个二位二进制计数器。可以采用计数器74LS160构成状态控制器，74LS160的功能表如图2-1-2所示。图2-1-27LS160（交通灯状态控制器）CPRLDEP ET工作状态0 置零10 预置数110 1保持11 0保持（但C0）111 1计数表 2-1-1 7LS160 的功能表（其中，“”表示上升沿）计数 脉冲电 路 状 态等效十进制数输出CQ0 Q1 Q2 Q30000000100011020010203000000表2-1-2 74LS160真值表（再设计中所用的部分）7LS160是同步十进制加法计数器。当R时所有触发器将同时被置零，而置零操作不受其他输入端的影响。当R，LD时，电路工作在同步预置数状态。当RLD而EP0，ET1时，CP信号到达时各个输出端均保持原来的状态不变。同时，进位端C的状态也保持不变。如果ET0,无论什么状态，计数器的状态也保持不变，但此时进位端C为零。若RLDEPET1时，电路工作在计数状态。2.2 脉冲信号发生电路 产生秒脉冲的电路有多种形式，这里采用555的定时器组成的秒脉冲信号发生器，如图2-2所示。因为该电路输出脉冲周期为：T(R1R2)Cln2,若 T1s,令C10F,R143K,R250K,经过计算的，则。从而使得传输脉冲周期为图2-2 555定时器构成的多谐振荡器及输出图1 表示 GND， 2 表示 TL， 3 表示 OUT， 4 表示 RD， 5 表示 Vc， 6 表示 TH， 7 表示 Co， 8 表示 VCC。555电路内部是由两个电压比较器A1和A2，一个基本RS触发器，一个集成电路开关放电三级管T三部分组成。比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成的分压器提供。TL是低电平触发端（2端），当2脚的输入信号低于13 VCC时，触发器置位,3脚输出高电平，同时放电开关管截止；RD是复位端或置零输入端（4端），当RD0,555的输出端Vc立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响，正常工作时，必须使RD处于高电平；Vc控制电路端（5端），在不接外加电压时，通常接一个0.01f的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定；TH高电平触发端(6端)，当6脚的输入信号超过参考电平23 VCC时，触发器复位，输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通。2.3 交通灯显示电路主、次道路上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。他们之间的关系渐真值表.对于信号灯的状态，“”表示灯亮，“”表示灯灭。表3-3-1 信号灯信号真值表状态控制输出主道路信号灯次道路信号灯根据真值表，可以求出各信号灯的逻辑表达式为：Y=Q0Q1 R=Q0Q1 G=Q0Q1y=Q0Q1 r=Q0Q1 g=Q0Q1选择半导体发光二极管模拟交通灯，根据逻辑表达式设计组合逻辑电路以达到交通灯状态转换。故状态译码器的电路组成如图所示。图2-3 状态译码器的显示部分2.4 定时系统根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，以完成30秒、20秒、5秒的定时任务。该定时器由两片74LS192构成的两位十进制可预置减法计数器完成；时间状态由两片74LS47和两支LED数码管对减法计数器进行译码显示。预置到减法计数器的时间常数通过三片8路双向三态门74LS245来完成。三片74LS245的输入数据分别接入30、20、5三个不同的数字，任一输入数据到减法计数器的置入由状态译码器的输出信号控制不同74LS245的选通信号来实现。如图2-4-1所示。3 芯片介绍74LS245是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据，用于驱动LED或其他设备。74LS245还有双向传输功能，既可以输出数据，也可以输入数据。若E为高电平时，A和B均为高电平，若E为低电平时，DIR1时,信号由A向B方向传输，DIR0时，信号由B向A传输。74LS245芯片电路解析图2-4-1 74LS245逻辑符号74LS192是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。当清除端MR为高电平“1”时，计数器直接置零。当MR为高电平时，置数端PL也为低电平，数据直接从置数端P0、P1、P2、P3置入计数器。如图2-4-2所示。当MR为低电平PL高电平时，执行计数功能。执行加计数时，减计数端CPD接高电平，计数脉冲由CPU输入；在计数脉冲上升沿进行8421码十进制加法计数。执行减计数时，加计数端CPU接高电平，计数脉冲由减计数端CPD输入。（a）管脚图 （b）逻辑符号图2-4-2 74LS192的管脚和逻辑符号PL置数端 CPU加法数端 CPD减法计数端MR清除端 CO非同步进位输出端 BO非同步借位输出端P0、P1、P2、P3计数器输入端 Q0、Q1、Q2、Q3数据输出端74LS192的功能表如下表2-4-1所示输 入输 出MRPLCPUCPDP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011加法器011减法器七段显示译码器是驱动七段显示器件的专用译码器，它可以把输入的二十进制代码转换成七段显示管所需要的输入信息，以使七段显示管显示正确的数码。七段显示译码的示意图如图3-25所示。 适用于七段字形共阴极显示管的译码器集成电路有CT7448，CT74LS48等型号，适用于共阳极七段管的译码器有CT7447，CT74LS47等型号。CT7447的逻辑符号示于图3-24所示。图中：D、C、B、A：是BCD码输入信号，ag：译码输出，低电平有效：.熄灭信号输入。当= 0（有效）时，输出ag均为高电平1信号（全灭）；2.灭零输出信号。当= 0时，= 0。 ：试灯信号输入。当=0）且= 1（无效）时，不论DA状态如何，ag七段全亮。：灭零输入信号（不显示0，其它数码正常显示）。= 0（=）时，不显示数码0。图2-4-3 交通系统显示部分由于Multisim有四线七段显示管，但Protel中没有，可以用7447译码器和七线七段来代替四线七段显示管。7474是共阳极七段显示管，其引脚和工作原理如上述所述。第四章 电路的组装和测试4.1 十字路口交通控制系统总图 根据要求，对以上电路进行组合，可得所需电路的总图。它分为主道路电路和次道路电路两个单元部分电路，如图2-5-1（主道路电路）和图2-5-2（次道路电路）。图2-5-1 交通控制系统主道路电路图图4 交通控制系统次道路电路图4.2 电路测试4.2.1 显示部分电路的测试图4-2-1 测试电路图测试波形如图4-2-2所示图4-2-2 利用示波器波形测试结果4.2.2 555定时器即秒脉冲光发生器测试图4-2-3所示电路为由555定时器组成的多谐振荡器，其输出波形为频率为1HZ的矩形波，波形如图4-2-4所示。图4-2-3 555定时器组成的多谐振荡器图4-2-4 多谐振荡器波形（fHz）第五章 设计总结在城镇街道的十字叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，会在每条路上各有一组绿、黄、红交通灯，指挥各种车辆和行人的安全有序通行，实现十字路口交通管理的自动化。看似简单三盏灯，不停地循环不停的闪烁，多少人会想到这灯的工作原理再外加上那自减得数字显示管的运行机理，当然也包括我。在没有做这个课题之前，或许交通灯只是我生活中出行时安全保障的一个外在的不用自己准备的工具，不可或缺，当它成为我的课程设计内容，成为我学习的一部分，它的意义变了得知课程设计的课题是十字路口交通管理系统后，我们先是去图书馆查阅了很多相关的资料，对其构造有了基本的了解，在大脑中形成我们自己的大体思路，并上网搜了很多关于这方面的论文实例，让自己头脑中的思路更明晰，想法更完整，之后便开始在Multisim仿真软件中开始设计我们的电路图，并与查询到的电路图进行运行比较，查出需要改进的地方，并因为电路图过大无法进行制版的的操作经老师建议将主次道分开做，我们自己的电路图终于在曲折中有了胜利里的曙光，在同学的帮助和指导下，终于大功告成，完成了电路图的设计仿真最关键环节。之后在Protel软件中的原理图制作和PCB模拟板的制作过程中因为对软件不熟悉和软件较大使得运行速度稍慢并出现死机等现象，Prtel 中也出现很多始料不及的问题，但是因为得到了同学热心的帮助，总算是按时完成任务，基本达到老师预期的要求和这次课程设计实习的目的意义。我们俩都收获很大。本以为交通的灯是一个很简单的得数字电子电路，只要好好复习参考数电课本就会比较轻松的完成课程设计。但在实际操作中遇到的问题让我们认识到实际和理论有很大的差距，将理论运用到实践真的需要很大努力。先是显示部分，没办法做到数据的置数并顺序递减，在同学的指导和参考课本知识，利用74LS245进行置数，利用74LS192进行译码，再用四线七段显示管进行数字显示，显示部分算是告一段落。再是控制部分要做到三个状态的循环显示也出现问题，少了循环输入的信号，并最终因为对置数法的认识不够，利用四输出端口实现三个状态的循环出现的问题。最难的是要把交通灯和相应的数字显示结合到一起。因为实际和理论的差距，使得利用函数表达式做出的交通灯显示和实际有了很大的出入，在此问题上耗费很大的功夫，之后是交通灯向置数器的信号输入提醒信号没有想到，有同学指导，才做出正确的电路图。在Protel的应用中对于该软件的运行步骤不熟悉，没建立工程就开始建立原理图，使得出现程序中的错误，只要建立工程就会自动消除。只是在之后把两幅图连起来的部分因为时间和其他一些原因出现了一点问题，没能解决，电路总图没能连接成功，希望老师谅解！本次课程设计的课题完成的并不是很优秀，电路图也不是最合理最完善的，其中还有很多需要改进的地方。这次实习使得我们在平时中学到的数电知识得到了综合的运用，并且将理论知识运用到实践设计中，使自己对理论知识有了更为透彻的认识了解。实习中在同学身上学到了严谨的科学态度和独立思考独立、解决问题的学习方法和学习态度，在老师身上看到了知识的博大力量和学以致用的最佳学习效果，给我们树立了榜样，让我们对课本知识的学习有了更为实际的认识和应用，对大学课本知识的学习也达到了更为有实用价值的认识层面，更重要的是自己的实际操作不仅提高了自己动手能力，还是得自己对已经学过的几种常用集成芯片有了新的更深入的认识和了解，通过资料的搜索，更扩展了自己知识面，学到了新事物。这次实习最大的收获是自己学到了两种软件：模拟/数字电路板仿真软件（Multisim）和印制板设计制作软件（Protel）。让自己在以后的学习中能将理论上的电路与实际进行最接近的认识和学习。这次的实习可谓获益匪浅。 总之，这次的课程设计让自己在各个方面都学到很多东西，希望以后会有更多这样的实践与练习机会。参考文献1童诗白、华成英主编。模拟电子技术基础。第四版。北京：高等教育出版社，2006。2阎石主编。数字电子技术基础。第五版。 北京：高等教育出版社，2006。3武汉理工大学。十字路口交通管理控制器.2008。4哈尔滨工业大学。十字路口交通管理控制器的设计-数字电路大作业。20065 74系列中文资料。附录 1元器件清单类别型号数量备注集成芯片555定时器174LS47474LS192474LS245374LS1601逻辑门电路与非门（两端口）6与非门（四端口）2非门20或非门6显示器共阳极七段LED显示管4电容10F10.01F1电阻43K150K1电源5V附录 2Protel原理图PCB模板图