数字电子技术交通灯控制电路设计.docx

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数字电子技术交通灯控制电路设计

课程设计报告

课程名称:

数字电子技术

设计题目:

交通灯控制电路设计

院系:

班级:

设计者:

学号:

指导教师:

交通灯控制电路设计

一、设计目的

由一条主干道与一条支干道的汇合点形成十字交叉路口,为确保车辆安全、迅速地通行,在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。

红灯亮禁止通行;绿灯亮允许通行;黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁行线内。

实现红、绿灯的自动指挥对城市交通管理现代化有着重要的意义。

二、设计要求与设计指标

（1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。

（2）当主干道允许通行亮绿灯时,支干道亮红灯,而支干道允许亮绿灯时,主干道亮红灯。

（3）主支干道交替允许通行,主干道每次放行30s、支干道20s。

设计30s与20s计时显示电路。

（4）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间,要亮5s的黄灯作为过渡,设置5s计时显示电路。

三、设计内容

3、1总体设计

3、1、1交通灯控制的实现

交通灯控制系统的原理框图如图1所示。

它主要由控制器、定时器、译码器与秒脉冲信号发生器等部分组成。

秒脉冲发生器就是该系统中定时器与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,控制区就是系统的主要部分,由它控制定时器与译码器的工作。

图1系统的原理框图

设控制器的初始状态为S0,当S0的持续时间小于25秒时,TL=0,控制器保持S0不变。

只有当S0的持续时间等于25秒时,TL=1,控制器发出状态转换信号,并转换到下一个工作状态。

如图2所示:

图2交通灯的ASM图

3、1、2总原理图

图3总原理图

3、2单元电路的设计

3、2、1脉冲信号发生器

脉冲信号发生器由NE555电路及外围电路组成,其中R8、R9、C3的电阻电容值决定了脉冲宽度。

既T=（R8+2R9）C2ln2当T=1S,即可凑出R8、R9、C3其中C3=0、01uF就是为了保持输出的波形的稳定。

如图4所示,R9、C3组成一个串联RC充放电电路,在NE555的7脚上输出一个方波信号,C3上得到一个三角波,此三角波送到NE555的2脚输入端,由NE555内部的比较器与门电路共同作用,维持7脚上的方波信号与3脚上的输出方波。

图4脉冲信号发生器原理图

3、2、2定时器

定时器由与系统脉冲信号（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与模25的定时信号TL。

计数器选用集成电路74LS160进行设计。

74LS160就是十进制同步加法计数器,它具有异步清零、同步置数的功能。

设计图如图5所示:

图5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4,4,5,6分别接地。

U1的7与10由U2的11、14经过与门相与后相连。

即:

只有当时11、14处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲。

当U13C74LS04的ST信号分别送给U1与U2的LOAD。

就可以得到TY与TY非就是秒脉冲的5倍:

TL与TL非的结果就是秒脉冲的25倍。

3、2、3译码电路

译码器的主要任务就是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态,翻译成车道上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1所示。

表1控制器状态编码与信号灯关系表

Q1Q0

AG绿灯

AY黄灯

AR红灯

BG绿灯

BY黄灯

BR红灯

00

1

0

0

0

0

1

01

0

1

0

0

0

1

10

0

0

1

1

0

0

11

0

0

1

0

1

0

由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CLK脉冲,一部分送给了定时器的74LS160芯片,另一部分送给了控制器的74LS74芯片。

在脉冲ST同时加到定时器74LS160芯片的情况下,通过芯片74LS10将会输出TY、TY非。

即TY与TY非放大的结果就是秒脉冲的5倍;TL与TL非放大的结果就是秒脉冲的25倍。

前者输出的信号就是后者的1/5。

将定时器输出的TY、TY非、TL、TL非分别作用于控制器的芯片74LS153中,在CLK脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。

控制器中的信号在送给由芯片74LS08组成的译码器后再通过电路中的指示灯与200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路,这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。

电路设计如图6:

图6译码器部分原理图

3、2、4控制器

控制器就是交通管理的核心,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所示。

选用两个D触发器74LS74作为时序寄存器产生4种状态,控制器状态转换的条件为TL与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;否则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。

这两种情况与条件TY无关,所以用无关项“X”表示。

其余情况依次类推,就可以列出了状态转换信号ST。

表2控制器状态转换表

输入

输出

现态

状态转换条件

次态

状态转换信号

Q1nQ0n

TLTY

Q1n+1Q0n+1

ST

10

10

11

11

21

11

10

10

0X

2X

X0

X1

0X

1X

X0

X1

00

01

01

11

11

10

10

00

0

1

0

1

0

1

0

1

根据上表可以推出状态方程与转换信号方程,其方法就是:

将Q1n+1、Q0n+1与ST为1的项所对应的输入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。

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。

控制器原理图如图7所示。

图中R、C构成上电复位电路。

由两个双多路转换器74LS153与一个双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4重状态的相互交换。

图7交通灯控制器

其原理为:

CLK分别送给U6A与U6B的3与11的清零端。

将TY接入U4的5与U5的4与5;TY非接入U4的4。

如上图所示:

74LS74两个D触发器作为时序寄存器产生4种状态。

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的数据选择端作为控制信号,即可实现控制器的功能。

3、2、5显示部分

显示部分由74LS48的共阴极七段数码管组成,74LS48作为译码器,对74LS160的输出信号进行译码,然后通过七段数码管显示出74LS160的计数。

即交通灯需要显示的时间。

其设计图如图8:

图8由74LS48与数码管组成的电路

3、3仿真结果与分析

首先连接调试秒脉冲电路。

其次进行定时电路的连接与调试。

当输入1Hz的时钟脉冲信号时,要求电路能进行增计时,当增计时到25秒时,能输电有效的定时时间到信号。

判断各部分电路之间的时序配合关系,然后检查各部分的功能,使其满足设计要求。

当电路检查无误后,开始播放,便可以进行交通灯控制系统的仿真,电路默认把通车时间定为25秒。

时间显示器从预置的0秒,以每秒增1,增到25时换为0时,红灯转换为黄灯,其余灯都不变。

从增至5秒又到0时,甲车道又由黄灯转换为红灯,乙车道的红灯转换为绿灯。

由此循环下去。

四、总结

刚开始拿到题目时,真的就是无从下手,因为自己对这门课不就是那么的熟悉,学的也不就是很好,做课程设计时,只能不断的翻书或查资料。

这次课程设计,加强了我动手、思考与解决问题的能力,由于时间比较紧,所以控制器控制信号灯不就是很好,但也学到了很多东西,增强了自己对知识的理解与巩固,很多以前不就是很懂的东西现在也都一一解决了。

还好有同学们的帮助与老师的指导,才能使我成功的完成这次课程设计,非常感谢同学与老师的帮助。

五、主要参考文献

1、《数字电子技术基础教程》阎石主编清华大学出版社

2、《中国集成电路大全》编写委员会编国防工业出版社

3、《电子电路测试与实验》朱定华主编清华大学出版社

4、《数字逻辑电路设计与实验》绳广基编上海交通大学出版社