交通红绿灯课程设计样本.doc

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南华大学电气工程学院

《电子技术课程设计》任务书

设计题目: 交通红绿灯
专 业: 电气工程及其自动化
学生姓名: 学 号:
起迄日期: 年9月30日 —— 1月3日
指导教师:

《电子技术课程设计》任务书
1．课程设计的内容和要求( 包括原始数据、 技术要求、 工作要求等) :
一．题目: 交通红绿灯
二．目的:
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。
三．设计任务与指标:
应用模拟数字电子技术, 设计一个十字路口交通管理器, 其技术指标与要求如下:
1) 主干道方向通行, 支干道方向禁止通行, 历时1min。
2) 主干道方向禁止通行, 支干道方向依然禁止通行, 历时10s。
3) 主干道方向禁止通行, 支干道方向通行, 历时1min。
4) 主干道方向依然禁止通行, 支干道方向停车, 历时10s。
5) 之后又返回到第一步循环。

设计要求:
( 1) 针对题目的要求, 查阅相关资料提出设计方案;
( 2) 画出系统能表示各单元功能的整机原理框图;
( 3) 设计相应的单元电路, 说明电路的工作原理, 并确定元器件的参数, 要求有计算过程;
( 4) 组装、 制作印刷板实物, 调试或仿真电路, 记录调试过程, 实验数据, 并分析仿真结果;
( 5) 写出设计说明书, 内容包括方案选择、 单元电路设计、 元件选择、 整体电路、 电路工作原理, 仿真结果分析等, 并列出元器件清单;
( 6) 绘制总的系统电路图和PCB图。

2．对课程设计成果的要求〔包括图表( 或实物) 等硬件要求〕:
设计电路, 安装调试或仿真, 分析实验结果, 并写出设计说明书,语言流畅简洁, 文字不得少于3500字。要求图纸布局合理, 符合工程要求, 使用Protel软件绘出原理图( SCH) 和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。
3．主要参考文献:

[1] 康华光. 电子技术基础( 模拟部分) 第五版[M]. 北京: 高等教育出版社,
[2] 康华光. 电子技术基础( 数字部分) 第五版[M]. 北京: 高等教育出版社,
[3] 中国集成电路大全编写委员会. 中国集成电路大全集成运算放大器[M]. 北京: 国防工业出版社, 1985
[4] 孙梅生, 李梅莺, 徐搌英. 电子技术基础课程设计[M]. 北京: 高等教育出版社, 1989
[5] 彭介华. 电子技术基础课程设计[M]. 北京: 高等教育出版社, 1997
4．课程设计工作进度计划:
序号
起 迄 日 期
工 作 内 容
1
.09.20~ .09.25
明确设计任务, 根据任务进行方案选择, 画出系统框图。
2
.10.8~ .10.22
对方案中的各部分进行单元电路的设计, 参数计算和器件选择。完成单元电路的仿真。
3
.10.23~ .11.08
将各部分连接, 画出完整的系统原理电路图。完成仿真。
4
.11.11~ .11.30
绘制电路原理图、 PCB板、 元器件装配图。调试电路
5
013.12.05~ .1.4
撰写、 修改设计说明书。设计说明书定稿
主指导教师

日期:
年 9 月 30 日

目录

1 概述·····················································1
1.1 设计任务及指标········································1
1.2 总体设计··············································1
1.3 仿真··················································3
2 电路设计
2.1 单元电路设计··········································3
2.1.1 秒脉冲电路设计·····································`3
2.1.2定时器···············································3
2.1.3 控制电路············································5
2.1.4 译码及显示电路······································7
2.2 总电路图及实物图······································8
2.3 材料清单 ·············································8
3 结论······················································10
4 心得与体会···············································10
5 参考文献··················································11
6 附录······················································12

1 概述
1.1 设计任务及指标:
设计十字路口的交通灯控制管理器
要求如下:
( 1) 主干道方向通行和支干道方向禁止通行, 历时1min。
( 2) 主干道方向禁止通行和支干道方向依然禁止通行, 历时10s。
( 3) 主干道方向禁止通行和支干道方向通行, 历时1min。
( 4) 主干道方向依然禁止通行和支干道方向停车, 历时10s 之后又返回到第一步循环。

1.2 总体设计
交通灯控制系统的原理框图如图1-1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:
　　TL: 表示主道或支路车道绿灯亮的时间间隔为60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10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。

图1-1 系统原理框图

( 1) 主车道绿灯亮, 支路车道红灯亮。表示主车道上的车辆允许通行, 支路车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时, 控制器发出状态信号ST, 转到下一工作状态。
　　( 2) 支路车道黄灯亮, 支路车道红灯亮。表示主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, 支路车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时, 控制器发出状态转换信号ST, 转到下一工作状态。
　　( 3) 主车道红灯亮, 支路车道绿灯亮。表示主车道禁止通行, 支路车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时, 控制器发出状态转换信号ST, 转到下一工作状态。
　　( 4) 主车道红灯亮, 支路车道黄灯亮。表示主车道禁止通行, 支路车道上位过县停车线的车辆停止通行, 已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TY时, 控制器发出状态转换信号ST, 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、 2所示, 控制器应送出甲、 支路车道红、 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, 并作如下表1-2规定:
表1-2 系统状态表
控制状态
信号灯状态
车道运行状态
时间
S0( 00)
甲绿、 乙红
主车道通行, 支路车道禁止通行
60s
S1( 01)
甲黄、 乙红
主车道禁止通行, 支路车道禁止通行
10s
S3( 11)
甲红、 乙绿
主车道禁止通行, 支路车道通行
60s
S2( 10)
甲红, 乙黄
主车道禁止通行, 支路车道禁止通行
10s

图1-2画出了控制器上述4种状态转换图:

S4
S3

S1

S2

图1-2 交通灯状态转换图

1.3 仿真
采用的是Multisim 10 File软件进行电路仿真, 仿真电路图见附录图3-1
2． 电路设计
2.1 单元电路设计
2.1.1 秒脉冲电路设计
秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成, 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。

图2-1 秒脉冲信号发生器电路图

2.1.2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。
计数器选用集成电路74LS160进行设计较简便。74LS160是10进制同步加法计数器, 它具有异步清零、 同步置数的功能。74LS160功能表如表2-1所示。
表中RD’是低电平有效的同步清零输入端, LD’是低电平有效才同步并行置数控制端, EP、 ET是计 图1-3 交通灯的控制端, CO是进位输出端, D0～D3是并行数据输入端, Q0～Q 3是数据输出端。设计如图2-2
表2-1 74ls160功能表
CLK
RD’
LD’
EP ET
工作状态
X

↑

X

X

↑

0

1

1

1

1
X

0

1

1

1
X X

X X

0 1

X 0

1 1
置零

预置数

保持

保持( C=0)

计数

CLK

图2-1 交通灯定时器

其工作原理为: 由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CLK分别送给两个74LS160的清零端9处。如图所示: 输入端3.4.5.6分别接地.。U01的11和14经过与非门后可得到10秒信号TY。.即: 只有当时11、 14处产生一个高电平脉冲时TY才得到一个低电平。U02的12和14相与后再与U01的11和14相与非得到60秒信号TL。由控制器发出的ST信号经非门控制两个74ls1060的置数, 即相当于清零。
2.1.3 控制电路
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。列出控制器的状态转换表, 如表2-2所示。选用两个D触发器74LS74做为时序寄存器产生 4种状态, 控制器状态转换的条件为TL和TY, 当控制器处于Q1n+1Q0n+1＝ 00状态时, 如果TL＝ 0, 则控制器保持在00状态; 如果, 则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝ 01状态。这两种情况与条件TY无关, 因此用无关项"X"表示。其余情况依次类推, 就能够列出了状态转换信号ST。
表2-2控制器状态转换表

根据上表能够推出状态方程和转换信号方程, 其方法是: 将Q1n+1、 Q0n+1和 ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与, 其中"1"用原变量表示, "0"用反变量表示, 然后将各与项相或, 即可得到下面的方程:

根据以上方程, 选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数, 将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。74ls153功能表如表2-3所示, 74ls47功能表如表2-4所示。
表2-3 74ls153功能表

表2-4 74ls47功能表

控制器原理图如图2-3所示。由两个双多路转换器74LS153和一个双D触发器74LS74组成控制器。触发器记录4种状态, 多路转换器与触发器配合实现00, 01, 10, 11, 4种状态的相互交换。
当状态为S1( 00) 时, 即0秒时U10选择0和TY非输出即00, U11输出TY非, 当60秒时TY变为1, 此时U10输出01, U11输出ST=0, 计数器重新计数。74ls74触发器状态换为01, U10选择输出TL非和TL, 即01状态变为S2( 01) 。10秒后TL和TL非变为10, U10输出10, 触发器输出10, 状态变为S3( 10) , 此时U10输出ST=0, 计数器重新计数。再过60秒TY非=1, U10输出11, 触发器输出11, 状态变为S4( 11) ,此时U11输出ST=0, 计数器重新计数。再过10秒TL=0, U10输出00, 触发器输出00, 状态变为S1, U11输出ST=0, 计数器重新计数。系统完成一个循环。
图2-3 控制电路图

2.1.4 译码及显示灯电路
码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q2的4种工作状态, 翻译成甲、 支路车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表2-7所示。表中1表示灯亮, 0表示灯不亮

表2-7 红绿灯状态表
Q1 Q2
1甲绿灯
2甲黄灯
3甲红灯
4乙绿灯
5乙黄灯
6乙红灯
0 0
1
0
0
0
0
1
0 1
0
1
0
0
0
1
1 0
0
0
1
1
0
0
1 1
0
0
1
0
1
0

上述功能可由74ls08来实现, 经过Q1, Q2, Q1非, Q2经过不同的组合可得到高电平使灯发亮。其电路图如图2-4。
Q1非
Q2非
Q2
Q1

图2-4译码器及显示灯电路图

2.2总电路图及实物图
2.2.1 总电路图
见附录图3-1
2.2.2 PCB图
见附录图3-2
2.2.3 实物图
见附录
2.3材料清单

序号
器件名称
数量
备注
1
74ls160
2
十进制计数器
2
74LS04
1
反向器
3
74LS08
2
二输入与门
4
74LS10
1
三输入与非门
5
74ls153
2
双数据选择器
6
74ls47
1
双D触发器
7
74ls00
1
二输入与非门
8
NE555
1
555芯片
9
LED灯
6
红绿黄各2个
10
5K欧电位器
1

11
47k欧电阻
1

12
39k欧电阻
1

13
电容
2
10uf, 10nf各一个

3 结论
3.1 能实现的功能  
交通灯的状态转换, 能实现基本功能。
3.2 不足之处
   无数字显示, 无转弯指示灯。

4 心得与体会
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。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。同时, 我的动手能力得到了很大的提升。
经过这次课程设计, 我想说: 为完成这次课程设计确实很辛苦, 但苦中仍有乐。虽然过程中经历了种种失败, 但最后做出来时真的非常开心。我相信这次的课程设计的经历是我宝贵的经验。

参考文献
[1] 康华光. 电子技术基础( 模拟部分) 第五版[M]. 北京: 高等教育出版社,
[2] 康华光. 电子技术基础( 数字部分) 第五版[M]. 北京: 高等教育出版社,
[3] 中国集成电路大全编写委员会. 中国集成电路大全集成运算放大器[M]. 北京: 国防工业出版社, 1985
[4] 孙梅生, 李梅莺, 徐搌英. 电子技术基础课程设计[M]. 北京: 高等教育出版社, 1989

附录
1 系统仿真图
图3-1 系统仿真图
2 总电路图

图3-1 交通灯电路图
3 PCB图

图3-2 总电路pcb图
4 实物图