交通灯课程设计样本.doc

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《电子技术》课程设计报告

指导教师( 签字)

前言
在现代城市中, 人口和汽车日益增长, 市区交通也日益拥挤, 人们的安全问题也日益重要。因此, 红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。交通信号灯常见与交叉路口, 用来控制车的流量, 提高交叉口车辆的通行能力, 减少交通事故。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。
   自从交通灯诞生以来, 其内部的电路控制系统就不断的被改进, 设计方法也开始多种多样, 从而使交通灯显得更加智能化、 科学化、 简便化。特别是近几年来, 随着电子与计算机技术的飞速发展, 电子电路分析和设计方法有了很大的改进, 电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段, 这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。
本设计经过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、 黄、 绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。因此, 在本次课程设计里, 将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。本实验设计目的是培养数字电路的能力, 掌握交通信号灯控制电路的设计方法。设计要求: 1.定周控制: 主干道绿灯45秒, 支干道绿灯25秒;2.每次由绿灯变为红灯时, 应有5秒黄灯亮作为过渡; 3.分别用红、 黄、 绿发光二极管表示信号灯; 4.设计计时显示电路。
本设计由王为达, 魏伟龙, 赵立三位同学完成……………………

由于所学知识有限, 设计中难免出现错误, 请老师批评指正。

目录
第一章 系统概述……………………………………………………………………3
1.1 系统概述………………………………………………………………………3
1.2 交通灯逻辑分析………………………………………………………………3
1.3总体设计方案…………………………………………………………………3
第二章 单元电路设计与分析………………………………………………………6
2.1秒脉冲信号发生器的设计…………………………………………………6
2.2定时器的设计………………………………………………………………7
2.3 控制器的设计………………………………………………………………8
2.4 显示电路的设计…………………………………………………………11
第三章 结束语……………………………………………………………………14
3.1 系统综述: …………………………………………………………………14
3.2 总结及心得体会……………………………………………………………14
3.3 芯片介绍……………………………………………………………………15 3.4 总体电路图 见附图………………………………………………………17
3.5 元器件明细表………………………………………………………………18
鸣谢…………………………………………………………………………………19
参考文献……………………………………………………………………………19
评语…………………………………………………………………………………20

摘要: 交通信号灯常见于交叉路口, 用来控制车的流量, 提高交叉口车辆的通行能力, 减少交通事故。交通灯控制器主要由控制器、 秒脉冲发生器、 定时器、 译码显示电路及信号灯组成。控制器由74LS153与74LS74来实现, 脉冲发生器用晶体震荡器产生, 计数器采用两个74161来实现, 显示电路经过74LS192的倒计数、 七段显示译码器7447及七段数码显示器连接起来实现。控制器经过RT对定时器进行控制, 从而实现数字的显示及绿、 黄、 红灯的转换。
关键字: 交通灯、 控制器、 秒脉冲发生器、 定时器、 译码显示电路、 状态、 转换、 主支干道。
设计要求: 1.定周控制: 主干道绿灯45秒, 支干道绿灯25秒;
2.每次由绿灯变为红灯时, 应有5秒黄灯亮作为过渡;
3.分别用红、 黄、 绿发光二极管表示信号灯;
4.设计计时显示电路。

第一章 系统概述
1.1系统概述:
系统由秒脉冲信号发生器、 定时器、 控制器、 译码显示器、 信号灯显示器五大部分组成。其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号, 经过定时器向控制器发出三种定时信号, 使相应的发光二极管发光。译码显示器在控制器的控制下, 改变交通灯信号, 分别产生三种倒计时时间显示, 控制器根据定时器的信号, 进行状态间的转换, 使显示器的显示发生相应转变。
1.2交通灯逻辑分析:
图1表示位于主干道和支干道的十字路口交通灯系统, 每条道路设一组信号灯, 每组信号灯由红、 黄、 绿3个灯组成, 绿灯表示允许车辆通行, 红灯表示禁止通行, 黄灯为过渡灯, 表示该车道上已过停车线的车辆继续通行, 未过停车线的车辆禁止通行。
1.3总体设计方案:
图1为交通灯的一个整体设计框图。系统主要由秒脉冲信号发生器、 定时器、 控制器、 译码器、 信号灯显示器组成。其中控制器是核心部分, 由它控制定时器和译码器的工作, 秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号, 译码器输出两路信号灯的控制信号。
图中TL、 TS、 TY为定时器的输出信号, ST为控制器的输出信号。MG、 MY、 MR分别表示主干道绿、   黄、 红三色灯, NG、 NY、 NR分别表示支干道绿、 黄、 红三色灯。
　　　当某车道绿灯亮时, 允许车辆通行, 同时定时器开始计时, 当达到指定时间时, TL输出为１, 否则TL输出为０;
　　　当某车道黄灯亮后, 定时器开始计时, 当计时到５秒时, TY输出为１, 否则TY＝０;
　　　当某车道红灯亮时, 定时器开始计时, 当计时到指定时间时, TS输出为１, 否则TS＝０。

图1 交通灯系统框图
因此, 用定时器分别产生三个时间间隔后, 向控制器发出”时间已到”的信号, 控制器根据定时器的信号, 决定是否进行状态转换。如果肯定, 则控制器发出状态转换信号ST, 定时器开始清零, 准备重新计时。
交通灯控制器的控制过程分为四个阶段, 对应的输出有四种状态, 分别用S0、 S1、 S2、 S3表示。
S0状态: 主干道绿灯亮, 支干道红灯亮, 此时主干道允许车辆通行, 主干道禁止车辆通行。当主干道绿灯亮够规定的时间后, 控制器发出状态转换信号, 系统进入下一个状态。
S1状态: 主干道黄灯亮, 主干道红灯亮, 此时主干道允许超过停车线的车辆继续通行, 而未超过停车线的车辆禁止通行, 支干道禁止车辆通行。当主干道黄灯亮够规定时间后, 控制器发出状态转换信号, 系统进入下一个状态。
S2状态: 主干道红灯亮, 支干道绿灯亮。此时主干道禁止车辆通行, 支干道允许车辆通行, 当支干道绿灯亮够规定时间后, 控制器发出状态转换信号, 系统进入下一个状态。
S3状态: 支干道红灯亮, 支干道黄灯亮。此时主干道禁止车辆通行, 支干道允许超过停车线的车辆通行, 而未超过停车线的车辆禁止通行。当支干道红灯亮够规定的时间后, 控制器发出状态转换信号, 系统进入下一个状态------S0状态。
S0、 S1、 S2、 S3状态分别分配状态编码为00、 01、 11、 10, 由此得到控制器的状态, 如表1, 表2所示。
表1.状态转换表

状态
主干道
支干道
时间( s)
S0
绿灯亮, 允许通行
红灯亮, 禁止通行
45
S1
黄灯亮, 停车
红灯亮, 禁止通行
5
S2
红灯亮, 禁止通行
绿灯亮, 允许通行
25
S3
红灯亮, 禁止通行
黄灯亮, , 停车
5

图2画出了控制器的状态转换图, 其中TL、  TS、 TY为控制器的输入信号, ST为控制器的输出信号。

第二章 单元电路设计与分析

2.1.秒脉冲信号发生器的设计:
方案一:
本实验采用555定时器组成秒脉冲信号发生器。因为该电路的输出脉冲的周期T≈0.7(R1+2R2)·C,若T=1s, 令C=10μf, R1=39KΩ,那么R2≈51KΩ。取一固定电阻47KΩ与一个5KΩ的电位器想串联代替电阻R2
。在调试电路时, 调节电位器RP ,使输出脉冲周期为1s。如图3.1所示

图3.1秒脉冲信号发生器
方案二:
用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器,如图3.2。
先用石英晶体振荡器和若干电阻电容组成频率为32768Hz的信号发生器, 再用十四位二进制计数器CD4060 14进行14分频使其成为2Hz的信号, 最后用D触发器进行2分频, 使其成为频率为1Hz的秒脉冲信号。
图3.2 石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器

方案选择:
本设计中由于用秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲, 其精度会影响计数器的精度, 进而影响控制系统的精度, 因此要求秒脉冲信号具有比较高的精度, 为提高精度可先做一个频率比较高的矩形波振荡器, 然后将其输出信号分频, 就能够得到频率较低而精度比较高的脉冲信号发生器。用石英晶体构成秒脉冲信号发生器不需要外加输入信号, 而且其脉冲频率很稳定, 起振快、 时基精度高, 它的工作频率仅决定于石英晶体的振荡频率, 而与电路中的R、 C的数值无关。
综上考虑, 在实际应用中秒脉冲信号发生器的设计选用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器。但由于本次设计是基于multisim10.1软件的, 而multisim10.1上不支持石英晶体振荡器, 因此在仿真过程中能够使用555定时器构成的秒脉冲触发器代替。在仿真精度不高的前提下, 也能够使用RC多谐振荡器构成的电路来提供秒脉冲。

2.2、 定时器的设计:

方案一:
用74LS193直接构成减计数器, 时钟脉冲上升沿到来时, 在控制信号ST的作用下, 计数器以减计数向控制器提供M5、 M25、 M45的信号, 即TY、 TS、 TL的时间信号。
方案二:
定时器由与系统秒脉冲同步的计数器74161构成, 时钟脉冲上升沿到来时, 在控制信号ST作用下, 计数器从零开始计数, 并向控制器提供M5、 M25、 M45信号, 即TY、 TS、 TL的时间信号。
方案选择:
74LS193是双时钟同步二进制可逆计数器, 用它进行减计数与数字显示倒计时相符合。然而必须在输入端输入数字, 因此向控制器提供M5、 M25、 M45的信号需要5片74LS193。而用74161能够级联, 只需要2片即可向控制器提供M5、 M25、 M45的信号, 倒计数可在数字显示电路中实现。用74161节省材料, 节约成本, 而且由于经常应用, 因而使用起来较方便。因而选择方案( Ⅱ) 。
当系统处于S0状态为满足支干道绿灯亮够45秒, 要将M45的输出端反馈到使能端EP、 ET, 使它记到44时停止计数, 然后转换到S1状态。而且要求计数器在状态转换信号ST的作用下, 首先清零, 然后开始计数, 电路如图4所示。

2.3.控制器的设计:
列出状态转换表, 如图所示。选用两个触发器作为时序寄存器产生四种状态, 控制器的转换条件为TL、 TY及TS, 当控制器处于Q1nQ0n = 00 状态时, 如果TL=0, 则控制器保持在00状态; 如果TL=1, 则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。这两种情况与条件TY和TS无关, 因此无关项用”×”表示。其余情况依次类推, 同时列出状态转换信号ST。

表2逻辑赋值后的状态表

Q1n
Q2n
TL
TS
TY
Q1n+1
Q2n+1
说明
0
0
×
×
×
0
0
维持S0,
0
0
0
×
×
0
0
0
0
1
×
×
0
1
由S0 S1
0
1
×
×
0
0
1
维持S1
0
1
×
×
1
1
0
由S1 S2
1
0
×
0
×
1
0
维持S2
1
0
×
1
×
1
1
由S2 S3
1
1
×
×
0
1
1
维持S3
1
1
×
×
1
0
0
由S3 S0

表 2 控制器的状态转换表
输入
输出
现态
状态转换条件
次态
状态转换信号
Q1nQ0n
TL TY TS
Q1n+1 Q0n+1
ST
0 0
0 0
0 1
0 1
1 1
1 1
1 0
1 0
0 × ×
1 × ×
× 0 ×
× 1 ×
× × 0
× × 1
× 0 ×
× 1 ×
0 0
0 1
0 1
1 1
1 1
1 0
1 0
0 0
0
1
0
1
0
1
0
1
根据表2, 写出状态方程和状态转换信号方程为:

用四选一数据选择器和D触发器实现, 设A1A0 = Q1nQ0n , 其它变量经过数据输入端输入。
数据选择器用74LS153, 触发器用74LS74。设计中将触发器的输出看作逻辑变量, 将TL、  TS、 TY看作输入信号, 按照由数据选择器实现逻辑函数的方法实现以上三个逻辑函数, 并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端, 数据选择器的输入端信号能够根据状态方程和转换信号方程得出。就可得到控制器的原理图, 触发器的时钟输入端输入秒脉冲。
系统的输出是在Q1Q0驱动下的六个发光二极管, 各状态与信号灯的关系由表2给出, 因此, 得到二极管信号与控制器状态变量的关系为:
主干道: MR= Q1
支干道: NG= Q1Q0

电路如图5所示。

表3信号灯与控制器状态编码表
状态
MG MY MR NG NY NR
S0
S1
S2
S3
1 0 0 0 0 1
0 1 0 0 0 1
0 0 1 1 0 0
0 0 1 0 1 0

2.4、 显示电路的设计:
交通灯的数字显示采用倒计时, 因而应采用减计数器。
方案( Ⅰ) : 采用74LS193进行减计数, 然后将输出接到七段显示译码器上。
方案( Ⅱ) : 采用74LS192进行减计数, 然后将输出接到七段显示译码器上。
74LS193是二进制计数器, 而74LS192是十进制计数器。由于显示的是由个、 十位构成的数, 因而用十进制计数器较好, 选择方案( Ⅱ) 。
每个干道需要两位数字显示, 由于用减计数器, 因而每个干道需要5片74LS 192, 由表3可看出主干道74LS192 应该向七段显示译码器提供
M45( S0状态) 、 M5( S1状态) 、 M30( S2、 S3状态) 的倒计数, 而支干道74LS192应该向七段显示译码器提供M50( S0. S1状态) 、 M25( S2状态) 、 M5( S3状态) 的倒计数。74LS192的RD、 LD端由Q1、 Q0来控制, 根据S0———S3状态改变Q1、 Q0从而控制RD、 LD端, 使它们进行减计数和清零。CPD端输入秒脉冲信号, 而CPU端输入高电平。电路如图6、 7所示。

第三章 结束语
3.1 系统综述:
经过分析交通灯控制系统的要求可知, 整个系统主要由秒脉冲信号发生器、 定时器、 控制器、 译码显示器构成。其中, 秒脉冲信号发生器由石英晶体振荡器及由14分频器CD4060芯片和一个D触发器共同构成的分频电路组成; 定时器由两片异步四位二进制计数器74LS161芯片、 三片D触发器及若干与非门、 非门、 与门共同组成; 控制器由三片数据选择器74LS153及两片D触发器芯片构成; 译码显示器由十片74LS192、 四片译码管驱动芯片7447和四个七段数码管构成。驱动电路的工作。主控制器和定时计数器必须使用同一脉冲信号, 译码电路输出两组信号灯的控制信号, 经驱动电路后驱动信号灯工作。控制电路是系统的主要部分, 由它控制定时计数电路和译码驱动电路的工作能够实现交通灯四种状态的自动转换。
3.2总结及心得体会:
这次课程设计历时整整一个星期。经过这一个星期的课程设计, 我发现了自己的很多不足, 自己知识的很多漏洞, 看到了自己的实践经验还是比较缺乏, 理论联系实际的能力还急需提高。在课程设计过程中, 光有理论知识是不够的, 还必须懂一些实践中的知识。这次的课程设计也让我看到了团队的力量, 我认为我们的工作是一个团队的工作, 团队需要个人, 个人也离不开团队, 必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候, 我们就分配好了各自的任务, 我主要负责定时器及数字显示器的设计, 李世彦同学主要负责秒脉冲信号发生器及控制器的设计。然后我们积极查询相关资料, 而且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的, 必须让每个人都知道, 否则一个人的错误, 就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点, 这也是非常宝贵的。本次课程设计也巩固和加深了我对电子线路基本知识和理解, 提高了综合运用所学知识的能力, 增强了根据课程需要选学参考资料, 查阅手册、 图表和文献资料的自学能力。然后深入研究, 提出方案, 对比后得出最终的可行方案。同时我也初步学习到了关于课程设计的基本方法、 步骤和撰写设计论文的格式。
经过这次课程设计, 我想说: 为完成这次课程设计我们确实很辛苦, 但苦中仍有乐。和团队人员这七天的一起工作的日子, 我们相互帮助、 默契配合。对我而言, 知识上的收获重要, 精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就, 人生就像在爬山, 一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富, 经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!  51-论文-网-欢迎您
3.3 芯片介绍:
1、 74LS192芯片。74LS192为加减可逆十进制计数器, CPU端是加计数器时钟信号, CPD是减计数时钟信号RD=1时无论时钟脉冲状态如何, 直接完成清零功能。RD=0, LD=0时, 无论时钟脉冲状态如何, 输入信号将立即被送入计数器的输出端, 完成预置数功能。
其功能表如下表所示:
表 5 74LS192功能表
CPU CPD RD LD 工作状态
X X 0 0 置数
↑ 1 1 0 加计数
1 ↑ 0 0 减计数
X X X 1 清零

2 CD4060芯片。CD4060芯片为十四位二进制串行计数器( 分频器) , 能够用晶体振荡器与该芯片直接相接, 再加上电阻和电容, 就可得到稳定的频率。其管脚图如下图所示:
3. 74LS153是四选一数据选择器, 其管脚及功能表如下:
图 8 74LS153的电路图

表 6 74LS153功能表:

4. D触发器的逻辑符号及功能表如下:

5. 双D触发器的功能表
.
3.4总体电路图: 见附图。

3.5元器件明细表如下表9:
表9元器件明细表
序号
名称
型号参数
数量
备注
1
电阻
470Ω
6

2
电阻
22MΩ
1

3
电容
22PF
1

4
电容
0-50PF
1

5
晶体振荡器
32768Hz
1

6
分频器
CD4060
1
14分频
7
D触发器
74LS74
2
双D触发器
8
D触发器

4

9
发光二极管
BT101
2
绿色
10
发光二极管
BT201
2
红色
11
发光二极管
BT301
2
黄色
12
计数器
74LS161
2

13
数据选择器
74LS153
3

14
可逆计数器
74LS192
10
做减计数器
15
七段显示译码器
7447
4

16
与非门
74LS00
4

17
或门
74LS32
5

鸣谢
感谢各位老师为我提供本次课程设计的机会以及对我的指导;
感谢李文超组对我们课程设计一些方面的的提示;
感谢王中原组对我们的一些帮助;
感谢王友春同学就某些问题对我们的指导;
感谢图书馆为我们提供相关的资料。

参考文献

1 杨刚, 周群主编. 电子系统设计与实践. 北京: 电子工业出版社,
2 郁汉琪主编. 数字电路实验及课程设计指导书. 北京: 中国电力出版社,
3 毕满清主编. 电子技术实验与课程设计. 北京: 机械工业出版社,
4 林涛主编. 数字电子技术基础. 北京: 清华大学出版社,
5 林涛主编. 模拟电子技术基础. 重庆: 重庆大学出版社, .