交通灯控制电路数电课程设计数字电路课程设计.docx

交通灯控制电路目 录 第一章：序言 （2）第二章：设计任务书 （2）第三章：电路组成和工作原理 （4）第四章：设计步骤及方法 （7）第五章：总结 （10）第七章：参考文献 （10）第一章 序 言随着社会的飞速发展，城市交通问题日益凸显严重，尤其在城市街道的十字叉路口，频繁发生交通问题，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条街上都有一组红、黄、绿交通信号灯。其中红灯亮，表示道路禁止通行；黄灯亮表示该道路上未过停车线的车辆禁止通行，已经过停车线的的车辆继续通行；绿灯亮表示道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口的红、黄、绿交通灯。交通灯通过的状态转换，指挥车辆行人通行，保证车辆行人的安全，实现十字路口交通管理自动化。第二章 设计任务书一、设计题目：二、技术内容及要求：三、给定条件及器件元件名型号数量集成电路74LS163D1个74LS465N3个74LS190D2个NC7S08_5V6个NC7S04_5V5个NC7ST02_5V1个NC7S32_5V1个电阻1个47k1个5.6k1个2007个5.1k1个电容10 uF2个01uF2个发光二极管红色3个黄色2个绿色2个三极管3DG1个导线若干四、设计内容1.电路各部分的组成和工作原理。2.元器件的选取及其电路逻辑图和功能。3.电路各部分的调试方法。4.在整机电路的设计调试过程中，遇到什么问题，其原因及解决的办法。第三章 电路组成和工作原理设系统工作的十字路口由主、支两条干道构成，4路口均设红、黄、绿三色信号灯和用于计时的2位由数码管显示的十进制计数器，其示意图如图51所示。 图1 十字路口交通信号灯控制示意图根据交通规则，交通信号灯自动定时控制器所需实现的功能如下：(1)主、支干道交替通行，通行时间均可在0 99 s内任意设定。(2)每次绿灯换红灯前，黄灯先亮较短时间(也可在0 99 s内任意设定)，用以等待十字路口内滞留车辆通过。(3)主支干道通行时间和黄灯亮的时间均可由同一计数器按减计数方式计数(零状态瞬间进行状态的转换，视为无效态)。(4)在减计数器回零瞬间完成十字路口通行状态的转换(换灯)。(5)计数器的状态由EWB显示器件库中的带译码器七段数码管显示，红、黄、绿三色信号灯由EWB显示器件库中的指示灯模拟2系统工作流程图设主干道通行时间为N1，支干道通行时间为N2，主、支干道黄灯亮的时间均为N3，通常设置为N1N2N3。系统工作流程图如图5-2所示。 图2 系统工作流程3系统硬件框图图3 硬件结构框图交通灯控制系统的原理框图如图3所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器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，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中： S0: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。 TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，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个工作状态的定时。（1）如图2所示，主干道绿灯亮，支干道红灯亮。表示主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔N1时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。（2）主干道黄灯亮，支干道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，支干道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔N3时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（3）主干道红灯亮，支干道绿灯亮。表示主干道禁止通行，支干道上的车辆允许通行，绿灯亮足规定的时间间隔N2时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（4）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，支干道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔N3时，控制器发出状态转换信号，系统又转换到第（1）种工作状态。交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表、1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定： 表1 控制器工作状态及功能表一、控制器控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。二、定时器定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。三、第四章 设计步骤及方法一、列出控制器与信号灯的关系表：(1) 状态控制器: 由流程图可见,系统有4种不同的工作状态(S0S3)，选用4位二进制递增集成计数器74163作状态控制器，74163的功能表如图 所示，电路符号在图中可见，取底两位输出QB、QA作状态控制器的输出。状态编码S0、S1、S2、S3分别为00、01、10、11.(2) 状态译码器：以状态控制器输出（QB、QA）作为译码器的输入变量，根据四个不同通行状态对主、支干道三色信号灯的控制要求，列出灯的控制要求，列出灯控函数真值表，如表X所示。状 态QB QA主干道R（红） Y（黄） G（绿）支干道r（红） y（黄） g（绿）0 00 0 11 0 00 10 1 01 0 01 01 0 00 0 11 11 0 00 1 0表2、灯控函数真值表由灯控函数真值表可写出六盏灯的逻辑表达式，经化简获得六盏灯的逻辑式为 R=QB r=QB Y=QBQA y=QBQA G=QBQA g=QBQA根据灯控函数逻辑表达式，可写出由与门和非门组成的状态译码器电路，如图3所示。将状态控制器，状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路，如图4所示。 需要特别指出的是，上述获得状态译码电路的过程完全可以借助EWB自动进行，在EWB主界面下，打开仪器库，调出逻辑转换仪。在逻辑转换仪面板上的真值表内填入某灯的输入变量和输出函数值，按下“真值表简化逻辑函数”按钮，即可得到简化的灯控逻辑函数。再按下“简化逻辑函数逻辑图”按钮，即可得到某灯的逻辑图。表1图4 三色信号灯逻辑控制电路黄灯闪烁控制：要求黄灯每秒闪一次，即黄灯0.5秒亮，0.5秒灭，故用一个频率为2的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接进来再接到黄灯就可以实现（3）信号灯计时显示逻辑电路 选用两片74190（功能表如表2所示）十进制可逆计数器构成2位十进制可预置数的减法计数器，如图5所示。74190具有异步并行置数功能、保持功能，虽然没有专用的清零输入端，但可以借助QA、QB、QC、QD的输出数据间接实现清零功能。两片计数器之间采用异步连接方式，利用个位计数器的借位输出脉冲（RCO）直接作为十位计数器的计数脉冲（CLK），个位计数器输入秒脉冲作为计数脉冲。选用两片只带译码器功能的七段显示数码管实现两位十进制数显示。D1、C1、B1、A1和D0、CO、B0、A0是十位和个位计数器的8421码置数输入端。由74190功能表可知，该计数器在零状态时RCO端输出低电平。将个位与十位计数器的RCO端通过或门控制两片计数器的置数控制端LOAD（低电平有效），从而实现了计数器减计数至“00”状态瞬间完成置数的要求。将数据输入端的8421BCD码置入计数器。可以选择100以内的预置数值，实现0100s内的计时显示要求。图5 信号灯计时显示逻辑电路表2 74190功能表（4）信号灯顺序定时置数逻辑电路 为使系统简化，如上所述，用同一减法计数器分时显示主、支干道通行时间（即主、支干道绿灯亮的时间）和主支干道通行转换中黄灯亮的时间，为此，必须解决好按顺序定时置数问题。8路单向三态传输门74465的功能表如表2所示.表 8路三态传输门74465功能表选用三片74465可组成按顺序定时置数的控制电路，如图5所示。三片74465输入端分别以8421BCD码形式设定主、支干道路通行时间和黄灯亮的时间，输出端分别按高、底位对应关系并联后按D7D0由高位到低位排列后，接到递减计数器的置数输入端。三片74465的选通控制端G2分别命名为AG、Ag和AY，分别表示主干道的绿灯、支干道的绿灯和黄灯选通（低电平有效）、并完成对递减计数器的预置数。三片74465任何时刻只能有一篇选通，其他两片输出端均处于高阻态。(5) 秒脉冲发生器 秒脉冲发生器可由555多谐振荡器构成，为简化电路，可直接选用秒脉冲信号源代替秒脉冲发生器。555定时器（又称时基电路）是一个模拟与数字混合型的集成电路。按其工艺分双极型和CMOS型两类，其应用非常广泛。1 555定时器的组成和功能图61是555定时器内部组成框图。它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5K电阻的分压器而构成。图61 555定时器组成框图它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。3脚：输出端Vo2脚：低触发端6脚：TH高触发端4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表61示。表61 555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端Qn+1放电管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11Qn不变保持 (6)顺序定时置数控制电路 为了使顺序定时置数逻辑电路中的三片744665一次数序工作,并保证三片74465任何时刻只能有一片选通,其他两片输出端均处于高组态.需要设计顺序定时置数控制电路,图8交通信号灯自动指挥系统中与子电路”灯控逻辑”相连接的两个非门一个或非门可实现这一功能.图6 递减计数器的分时置数控制电路图交通信号灯自动指挥系统仿真实验:在EWB主界面内，粘贴的方法将上述各部分单元电路置于同一界面内，再按照各自对应关系相互连接构成的交通灯信号灯自动指挥系统如图8所示.很明显，由于采用了子电路表示方法，使系统电路大大简化。在该系统中，由G7G0设定主干道通行时间为35S，AG由主干道绿灯亮时选通。由g7g0设定支干道通行时间25S，Ag由支干道绿灯亮时选通。由Y7Y0设定黄灯亮的时间为5S，AY由主干道或支干道黄灯亮时选通。当减法计数器回零瞬间，置数控制端产生一个窄负脉冲，经反相器变为正脉冲，送至状态控制器时钟脉冲输入端，使状态控制器反转为下一个工作状态，状态译码器完成换灯的同时，由顺序定时置数控制电路选通下一片74465，计数器置入新的定时值并开始新状态下的减法计数，当计数器减计数再次回零时又重复上述过程，这样信号灯就自动按设定时间顺序交替转换。 在上述系统中，置数输入时根据定时时间的8421编码将相应输入端接高、低电平实现的，在实际应用系统中，可采用8421码数码拨盘，实现减法计数器的预置数控制。在系统安装调试中，首先将各单元电路调试正常，然后再进行各单元电路之间的连接，要特别注意电路之间的高、低电平配合。若系统组装完毕，“通电”测试，工作不正常，仍可将各单元电路拆开，引入秒脉冲单独调试，该系统可用于其他控制与显示场合。 二、表6.74LS163功能表 输 入 输 出CR LD CTP CPT CP D0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q30 1 0 d0 d1 d2 d31 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0d0 d1 d2 d3计 数保 持保 持其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CP分别送给两个74LS163的清零端2处。如图所示：输入端3.4.5.6分别接地.。U1的7和10与U2的15相连。.即：只有当时15处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲同时和U3A中的2下作用产生脉冲。74LS00在ST中12.13共同作用下将信号11分别送给U1和U2的SR。可以得到TY和TY非是秒脉冲的4倍；TL和TL非的结果是秒脉冲的24倍。 第五章 总结1、通过这次课程设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我总共想过两个方案，另一个弄了两天，结果总是实现不了题目的要求。所以又花了两天的时间做出这个方案，这个方案相对比较简单，包括电路原理和连接，和芯片上的选择，这个方案总共用了6个芯片，分别为1个74163，2个74190，3个74465芯片。在设计过程中，经常会遇到这样的情况，就是心里老想着这样的解法可以行的通，但实际接上电路，总实现不了。所以这几天不管做什么，脑子里总是想着如何解决这些问题，如何想出更好的连接方法。功夫不负有心人，经过几天的思考，总算得到了想要的结果。我懂得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，哪些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西，比如一些芯片的功能，平时看课本这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！知识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，时间是检验真理的唯一标准，故一个小小的课程设计，对我们的作用是如此之大。参考文献电子技术基础（数字部分）康华光主编 华中理工大学电子学教研室电子技术基础（模拟部分）康华光主编 华中理工大学电子学教研室现代电子技术实践课程指导谢云 易波主编 机械工业出版社电子技术试验与课程设计 毕满清主编 机械工业出版社