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4.在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中,要亮5秒黄灯作为过渡,使行驶中的车辆有时间停到禁行线外,设立5秒计时,显示电路。
关键字
数字电路控制电路分频器主控制器脉冲发生器定时器显示译码器数码管计数器脉冲振荡频率单时钟十进制可逆计数器异步置数单稳态发生器施密特发生器74LS161芯片74LS190芯片SEVEN_SEG_COM_A数码管555_VIRTUAL定时器7447七段数码显示器
设计任务与要求
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、绿色发光二级管表示信号灯;
4.设计计时显示电路;
5.黄灯亮时要一秒钟闪烁一下。
第一章系统概述
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,通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。
总体设计方案论证及选择
设计方案:
方案一:
起初256Hz方波脉冲由555定时器产生,再由两块74LS161实现256分频,最终输出1Hz的脉冲信号即秒脉冲信号;
用四块74LS190N单时钟十进制可逆集成计数器、四块7447N七段显示译码器与四块七段数码管实现倒计时的设计,两块显示十位,两块显示个位,用1个四位二进制计数器74LS161与相应门电路实现45s,25s,5s时间的转换。
最后利用一片74LS161五分频器和相应门电路共同控制交通灯信号灯4个状态的循环转换和倒计时器的显示。
方案二:
采用555多谐振荡器来产生T=1s的CP脉冲,然后分主干道和支干道两路,每一路的原理都相同;
由一个双向移位寄存器74LS194的输出来实现状态控制电路。
通过它的移位来实现红、黄、绿灯的转换以及计数电路的工作状态;
采用十进制可逆计数器74LS190的级联来实现灯的倒计时计数;
采用七段数码显示译码器7447芯片和数码管来实现数字显示。
方案三:
采用555多谐振荡器来产生T=1s的CP脉冲,用异步二-五-十进制计数器实现5分频的功能,从而减少控制状态;
采用移位寄存器74LS164芯片的输出与计数电路的逻辑关系来实现红、黄、绿灯的状态转换;
采用十进制可逆计数器74LS190级联来实现灯的倒计时计数;
采用七段数码显示数码管DCDHEX来实现数字显示。
选择方案:
本次设计我们采用方案一。
对于方案二中的74LS194,要想实现红、黄、绿灯的转换;
需要通过控制74LS194的S1、S0的状态来实现置数、保持、右移,而这三种状态的转换不易实现,而方案三思路不太清晰,相较而言,方案一比较合理。
第二章单元电路设计与分析
(一)555脉冲发生器
既然要设计秒脉冲电路,那么我们应该先弄明白脉冲、脉冲电信号都是些什么?
在电子技术中,脉冲是指短时间内出现的电压或电流的突然变化。
常把不按规律变化、带有突变特点的电压、电流都泛称为脉冲电信号。
脉冲的种类很多,常见的脉冲信号波形有方波,矩形波等。
描述脉冲信号的参数有:
脉冲幅度Um(或Im);
脉冲重复周期T;
脉冲的宽度tu;
脉冲上升时间tr;
脉冲下降时间tf。
其中脉冲的宽度tu是指脉冲持续时间,脉冲/秒(pulsespersecond缩写为PPS)是指每秒产生的脉冲数.
1pps即时间间隔为1秒的脉冲信号,这就是我们所说的秒脉冲.
在实际生活中,常见的能产生秒脉冲的器件有晶体振荡器、单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器等。
下面分别介绍我们设计的秒脉冲电路的几种方法,用以比较优劣:
1..利用555定时器为主组成多谐振荡器,输出1Hz的矩型方波,实现脉冲电路功能。
555定时器的原理图如图3(a)所示,工作时的波形图如图3(b)功能表如表1所示:
(a)
(b)
图3555定时器原理图及波形图
表1555定时器功能表
输入
输出
阀值输入(
)
触发输入(
复位(
输出(
放电管T
导通
1
截止
不变
根据实用性把秒脉冲设计分为直流设计与交流设计:
A直流设计:
只运用直流电产生秒脉冲,通常直流电在5~12V(根据仿真可知只利用555定时器不能直接产生秒脉冲,所以要在555定时器产生的脉冲后接入分频器可得秒脉冲),组成的秒脉冲电路图如图图4(a)、(b)所示,输出波形如图5所示。
(a)
图4秒脉冲电路图
图5输出波形
电容C1上的充电时间:
T1=(R1+R2)CLn2
电容C1上的放电时间:
T2=R2Cln2
输出矩形波的周期:
T=T1+T2
振荡频率:
f=1/T=1.44/(R1+2R2)C
由电路图可知:
可以设(a)C1=1.875uFR1=R2=1k(b)C1=2uF
B交流设计:
运用交流电产生秒脉冲,使用的交流电为220V、50HZ然后经过变压器和单相全波整流电路,最后经过555构成的施密特触发器输出频率为100HZ的脉冲。
电路图如图6所示。
图6脉冲电路图
555定时器的输出端经过分频器就可以得到秒脉冲(分频器会在下面的内容中介绍)。
这种方案简单易行,具有较高的可靠性,误差相对要小。
单稳态触发器、施密特触发器可直接产生1HZ的秒脉冲,但单稳态触发器、施密特触发器产生的脉冲是经过对波形的整形得到的,需要输入波形,这显然增加了电路的复杂性。
故这种设计方案直接被淘汰。
终上所述,为了达到保证安全、简便的设计目的,我们小组采用第一种设计方案中的A种方法,在考虑到接线的简易性与误差性的前提下,我们采用了A种方法中的(a)接线方案。
(二)分频器
分频的方法可以用74LS194、74LS160、74LS161等很多集成计数器元件实现,为了减少元件的种类故用74LS161做成分频器。
74LS161的时序图如图7所示,74LS161功能表如表2所示。
图774LS161时序图
表274LS161功能表
根据电路需要要设计出5分频器,设计与检验图如图8所示,输入与输出图如图9所示。
图2.225分频器的设计与检验
图8设计与检验图
图9输入在上,输出在下
(三)主控制器
主控制器控制着电路中的灯亮与对应的时间,下面是灯亮与对应时间的状态转换图如图10所示。
图10
由图中可得一周期80秒,且最小状态为5秒,则可用十六进制表示一周期,每一进制耗时五秒。
可用74LS161的四位二进制加法功能实现控制器,设Q1、Q2、Q3、Q4分别为74LS161的四个输出端,X1、X2、X3、Y4、Y5、Y6分别表示主干道绿灯亮、主干道黄灯亮、主干道红灯亮、支干道绿灯亮、支干道黄灯亮、支干道红灯亮。
交通灯控制电路,要求每个方向有三盏灯,分别为红、黄、绿,配以红、黄、绿三组时间倒计时器显示。
一个方向绿灯、黄灯亮时,另一个方向红灯亮。
每盏灯顺序点亮,循环往复,每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。
交通灯的运行状态共有四种,分别为:
状态0:
南北方向车道的绿灯亮,车道,人行道通行;
东西方向车道的红灯亮,车道,人行道禁止通行。
状态1:
南北方向车道的黄灯亮,车道,人行道缓行;
东西方向车道的红灯亮,车道,人行道禁止通行;
状态2:
南北方向车道的红灯亮,车道,人行道禁止通行;
东西方向车道的绿灯亮,车道,人行道通行;
状态3:
东西方向车道的黄灯亮,车道,人行道缓行;
4种状态循环往复,并且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。
交通灯电路的具体运行图如图11所示。
主控制器的设计真值表如表3所示。
状态0南北方向车道的绿灯亮状态1南北方向车道的黄灯亮
东西方向车道的红灯亮东西方向车道的红灯亮
状态2南北方向车道的红灯亮状态3南北方向车道的红灯亮
东西方向车道的绿灯亮东西方向车道的黄灯亮
图11交通信号灯的实际仿真图示
表3主控制器的真值表
CP顺序
Q3
Q2
Q1
Q0
X1
X2
X3
Y1
Y2
Y3
m0
m1
m2
2
m3
3
m4
4
m5
5
m6
6
m7
7
m8
8
m9
9
m10
10
m11
11
m12
12
m13
13
m14
14
m15
15
由图表可得出:
X1=m0+m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7+m8;
X2=m9;
X3=m10+m11+m12+m13+m14+m15;
Y1=m10+m11+m12+m13+m14;
Y2=m15;
Y3=m0+m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7+m8+m9
经过一系列计算可得到主控制器与指示灯连接的电路图为12所示。
绿红黄
主干道
支干道
图12
(四)倒计数器
十字路口要有数字显示,作为倒计时提示,以便人们更直观地把握时间。
具体为:
当某方向绿灯亮时,置相应的显示器为某值,然后以每秒减1的计数方式工作,直至减到数为0和0为止,十字路口绿、黄、红灯依次变换,一次工作循环结束,而进入下一步某方向的工作循环。
根据题目的要求南北方向(主干道)车道和东西方向(支干道)车道两条交叉道路上的车辆交替运行,主干道每次通行时间都设为50s、支干道每次通行时间为30s。
也就是一个循环是80s,如此先显示50s后显示30s倒计时,以此类推。
设计时采用四块集成芯片,两块显示十位,两块显示个位。
个位从9开始倒计时,当到达0时,向高位发出一个借位信号,再继续从9倒计时。
一开始使十位数置数为5,二进制为0101,个位数为0,二进制为0000,此时个位产生一个借位信号给十位的脉冲输入端,十位的74LS190芯片倒计时一次,结合个位的设置,电路从50开始倒计时。
当主车道绿灯亮了45s,倒计时也已经数到了5了,此时,个位显示5,十位显示0,主车道的绿灯熄灭,主车道的黄灯开始倒计时闪亮5s,当倒计时到0后,个位芯片74LS190发出一个借位信号,向高位借数,但是高位已经是0了,按照要求此时倒计时器应停止工作,这时使用门电路即可实现即设计中的倒计数器只在对应的红灯亮时倒计数,红灯灭时计数器也将不再工作了,当主干道红灯亮时,对应的倒计数器开始从30秒开始倒计数,直到为零后停止工作,同时主干道的红灯也将熄灭;
当支干道红灯亮时对应的倒计数器开始从50秒倒计数,直到为零后倒计数器与红灯同时停止工作。
由此可知,倒计数器的时钟脉冲应为秒脉冲,控制倒计数器开始工作和停止工作的都是主控制器电路。
根据所学的元件,我们可以用74LS190、74LS191、74LS193等集成元件实现倒计数器的设计,而由于74LS190是单时钟十进制可逆计数器,考虑到元件连接的简单性,我们用74LS190设计倒计数器。
74LS190的功能表如表4所示。
表474LS190功能表
根据功能表可以连接处倒计数器电路图如图13所示。
图13
图中的50秒置数端和30秒置数端分别由主控制器控制,脉冲时钟接入秒脉冲。
(五)显示管译码器
倒计数器通过显示管译码器与显示管连接,最终使倒计数器中的数据读出来。
并且显示管的显示与熄灭可以通过显示管译码器控制,所以显示管在电路中起到很重要作用,根据所学的我们用七段显示译码器7447。
7447的功能表如表5所示。
表57447功能表
根据功能表可得出电路图如图15所示。
A图14B
图中的A、B输入端分别是50秒倒计时和30秒倒计时的显示管的是否工作的控制端,它与主控制器连接由主控制器控制。
第三章电路的组装与调试
(一)分析与说明
要实现上述交通信号灯的自动控制,则要求控制电路由555脉冲发生器、分频器、主控制器、倒计数器、数字显示译码器几部分组成。
A.脉冲发生器:
脉冲信号发生器用的是555定时器构成多谐振荡器振荡频率为:
f=1.43/(R1+2R2)C;
B.分频器:
由于灯亮的最小时间是黄灯5秒,而时钟信号为一秒,所以用5分频器;
C.主控制器:
灯亮的转换由主控制器控制,由于一个周期为80秒,且经分频后的脉冲为5秒一个脉冲,所以主控制器控要有十六进制;
D.倒计数器:
由分析得知,主干道上的红灯一次亮30秒,支干道上的一次亮50秒,则设计两个倒计数器,分别由30秒和50秒开始倒计数;
E.数字显示译码器:
该电路主要使倒计数器上的二进制数经过译码显示出来,且当红灯不亮时对应的显示器熄灭。
该系统由五大部分组成分别为:
脉冲发生器、分频器、主控制器、倒计数器、显示管译码器。
其中还有显示管接在显示管译码器后边,指示灯接在主控制器电路后边。
总的系统内只含有一个控制开关,控制总体电路的工作与否,开关闭合后输入信号通过秒脉冲发生器变成秒脉冲输出,然后秒脉冲分别输入到分频器和倒计数器的CP端口处,接入五分频器的部分经分频处理后变成周期为5秒的脉冲信号并且每个周期里只有一个下降沿和一个上升沿,然后把这个分频后的信号输入到主控制器电路里,使主控制器电路工作以便控制指示灯的工作和显示管译码器(包括数码管)的工作。
接入倒计时器的秒脉冲起到计时的作用,每次来一个脉冲,倒计时器就变化一下(即为递减一次)耗时一秒。
然后把倒计时的信号通过显示管译码器译码输入到显示管内显现出来,以通知路人红灯离转换到绿灯还需要多长时间。
在交通灯的变换过程中,绿灯变成红灯时中间有个过渡时期即绿灯灭了后黄灯亮五秒钟,之后红灯才开始亮,中间穿插黄灯这个时间是为了提醒路人过斑马线的赶快走过十字路口,没有过斑马线的就在斑马线前停一会,等下次绿灯亮时再过十字路口。
为了让黄灯更容易让人注意到,我们在设计时把黄灯设计成一秒钟闪烁一次。
为了达到这种效果,我们可以把黄灯与主控制器连接的那条线先与秒脉冲输出信号通过门电路相与后在接到对应的黄灯上,这样就可以实现黄灯闪烁这个效果。
根据前面几章的分析可以得出交通灯控制电路的总体电路图。
(二)原理框图:
图1原理框图
(三)总体电路原理图:
图2总体电路图
第四章结束语
总结:
经过一段时间的分析设计和资料收集,简易交通灯终于控制电路终于设计好了。
该控制电由555脉冲发生器、分频器、主控制器、倒计数器、数字显示译码器几部分组成。
该控制电路基本实现了智能化控制交通,可以提高通行效率。
通过该次课程设计,我更加熟悉和了解了简易交通灯控制器的工作原理,也更加熟悉了电工与电子技术中所学知识。
此外,通过这次的课程设计,对于其中所用的芯片的特点和用法也有了深刻的认识。
收获与体会:
通过这次课程设计,我对本次设计所涉及的原理、器件、功能实现上有了更深的理解,掌握了由555定时器构成频率所需脉冲发生器的方法,熟悉了由真值表列表达式设计实现电路的过程。
本次课程设计促使我们开动脑筋想出自己的方案,不仅使我知道课本上知识的原理,也使得我对各种方案有进一步的理解并进行选择。
在做设计之前我在图书馆找了大量的资料,并从中得到启发进一步得出自己的总体方案,对方案进行了分块,对单元电路也做了详细的介绍。
也进一步熟悉并掌握了Multisim软件的应用,对所设计电路进行了仿真,但实际能否应用还须后续实践,由于时间的限制在设计的某些方面设计的还不理想,所以实际能否应用还须后续实践。
存在的问题:
1.器件的精确性会给系统带来误差;
2.脉冲发生器产生的脉冲是否为持续的秒脉冲;
3.各器件都有延时,可能会对电路有影响;
参考文献
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11、(美)WilliamKleitz著陶国彬赵玉峰译·
数字电子技术-从电路分析到技能实践·
科学出版社·
序号
名称
型号参数
数量
备注
四位二进制计数器
74LS161
4片
单时钟十进制可逆计数器
74LS190
七段数码显示译码器
7447
数码管
SEVEN_SEG_COM_A
555定时器
555_VIRTUAL
1片
元器件明细表及附图
1.元器件明细表
2.附图
555定时器的管脚图七段显示译码器7447的管脚图
关键字
数字电路控制电路分频器主控制器脉冲发生器定时器
显示译码器数码管计数器脉冲振荡频率单时钟十进制可逆计数器异步置数单稳态发生器施密特发生器74LS161芯片74LS190芯片SEVEN_SEG_COM_A数码管555_VIRTUAL定时器7447七段数码显示器
鸣谢
在此,非常感谢老师的细心指导和提出的宝贵建议。
本次课程设计中遇到了一些问题,很感谢老师能够在百忙之中抽出时间给予指导,并给予一些详细的意见。
此次课程设计中可能存在很多不足,诚请老师阅览后能够指出其中的不足,给出宝贵的修改意见。
评语
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