交通灯控制电路的设计与仿真.docx
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交通灯控制电路的设计与仿真.docx
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交通灯控制电路的设计与仿真
一、课程设计时间…………………………1
二、课程设计题目…………………………1
三、设计任务、要求及器件………………1
四、课程设计的电路及工作原理……………2
五、设计中出现的问题……………………8
六、心得体会……………………………8
一、课程设计时间:
5月25日、5月27日、6月1日、6月3日
二、课程设计题目:
交通灯控制电路的设计与仿真
三、设计任务、要求及器件
1、设计任务与要求
1)、能显示十字路口东西、南北两个方向的红、黄、绿的指示状态,用两组红、黄、绿三色灯来表示两个方向上的交通灯;
2)、能实现正常的倒计时功能,用两组数码管作为东西和南北方向的到计时显示,并且对红、绿灯的时间可调,在每次由绿灯变成红灯或相反的过度转换过程中,要亮黄灯2秒作为过渡;
3)、能实现由手动控制红、绿的状态,即达到能手动切换交通灯的特殊状态的功能;
2、用的器件及芯片,见表一
表一
数码管
脉冲源
逻辑与门
逻辑或门
逻辑或门
灯
电平开关
开关
四、课程设计的电路及工作原理
交通灯控制电路主要由循环部分电路、减数器和显示(数码管)等部分组成。
用到的信号是时钟信号,脉冲发生器是提供给该系统中减数器的标准时钟信号源,循环电路部分是系统的主要部分,由它控制定红、黄绿、灯的往复工作,减数器与数码管组成不同进制与时间显示。
即74194输出用于点亮红、黄、绿灯和控制灯点亮同时进行的倒计数,倒计数及灯点亮时间的设置可由74190完成,手动脉冲和74190的进位输出脉冲又可用于去激励74194进位输出,如此往复形成红绿灯的循环点亮控制。
1、往复循环电路及原理
在设计中用到起移位作用的芯片是双向移位寄存器74LS190,用此芯片来控制灯的移动,可搭建出单循环和往复循环两种结构电路。
双向移位寄存器74194为4位双向移位寄存器,其主要电特性的典型值如下:
当清除端(CLEAR)为低电平时,输出端(QA-QD)均为低电平。
当工作方式控制端(S0、S1)均为高电平时,在时钟(CLOCK)上升沿作用下,并行数据(A-D)被送入相应的输出端QA-QD。
此时串行数据(DSR、DSL)被禁止。
当S0为高电平、S1为低电平时,在CLOCK上升沿作用下进行右移操作,数据由DSR送入。
当S0为低电平、S1为高电平时,在CLOCK上升沿作用下进行操作,数据由DSR送入。
当S0和S1均为低电平时,CLOCK被禁止。
对于54(74)194,只有当CLOCK为高电平时S0和S1才可改变。
引出端符号:
CLOCK时钟输入端CLEAR清除端(低电平有效)
A-D并行数据输入端DSL左移串行数据输入端
DSR右移串行数据输入端S0、S1工作方式控制端
QA-QD输出端
在设计中用的是往复循环连接方式:
往复循环计数电路的设计采用的是同步方式,使用D触发器控制74LS194的左右移位,
设计电路图如下,图一所示:
图一、红绿灯的交替电路(往复循环)
为达到往复循环计数电路的设计,需满足下列表格的要求,见表二:
表二
CLK
Q
(D触发器输出)
D
0
0
0
0
0(右移)
1
0
1
1
0
0
0(右移)
0
0
2
0
1
0
0(右移)
0
1
3
0
0
1
1(左移)
任意
1
4
0
1
0
1(左移)
任意
0
D触发器
→
→
,这样做到触发器“0”态194右移。
74194与D触发器的
端连接置零信号,作启动作用。
做接地处理,以便在左行移位时给低位补零。
考虑无关项的情况下,利用卡诺图化简可得如下结果:
=
=
=
+
2、减数器电路及原理
另外用到的芯片是74LS194,此芯片具有计数功能,而在交通灯中是利用它的减数功能,单片的194是十进制,若要达到十进制以上的要求,则需将两块芯片组合在一起运用。
将两片组合在一起能实现一百进制的计数。
74190为可预置的十进制同步加/减计数器,当置入控制端
为低电平,不管信号CP的状态如何,输出端
即可预置成与输入端A~D相一致的状态。
引出端符号:
并行数据输出端
使能端
A~D数据输入端
置数端
CLK信号输入端
进位信号输出端
图二、减数器
电路中的左边这片是高位,右边是低位,将低位的
输出的信号送到高位的CLK端,用来给高位信号,来完成高位的自动减数,同时将高位的数据输出端QD用个逻辑非门送回到高、低位的
置数端以达到自动减数的作用。
此电路可做到控制输入不同进制,完成的是对十位的不同控制,从而达到所需的不同计时要求,达到的是整十进制的转换,通过开关来完成不同进制的转换,可在十到七十的不同控制。
例如,在D关闭下完成的十进制,在S关闭下完成的是二十进制,S和D同时关闭时完成的是三十进制,在A关闭下是完成四十进制,等进制的控制,达到A、S和D同时关闭的状态下达到最高七十进制的转换。
3、红绿灯的控制结构电路及原理
交通灯控制电路主要由以下几部分构成,绿灯、红灯和黄灯计时及预初值电路、红绿灯交替往复电路等构成。
最终组合的电路要求控制的是十字路口上的红绿灯,两片74190组合的减数器对一个路口的交通灯中的绿灯进行计数,另一组减数器对红灯进行计数,单独一片74190对黄灯计数,另外路口的交通灯接在这路口上,将红灯接绿灯,绿灯接红灯,黄灯接黄灯。
当出现紧急情况一类问题是,我们需要能手动来控制交通灯的亮/熄,未达到此要求在电路中设计有一手动开关K,需要将交通灯设置在什么颜色上的位置,只需手动控制开关就能完成。
此手动开关由字母K控制,当K开启之后,减数器从往复循环的灯状态得到的信号被截断,交通灯就处于此位置一直不变,到K闭合之后往复循环中的灯的状态信号才能给到减数器中,从而减数器又开始工作。
在电路中还使用了电平开关,起到的作用是将信号灯亮/熄状态的返回到减数器的,以控制190的工作,当灯亮时电平开关两端有电压,开关闭合,线路处于导通,减数器接收到信号,开始工作,当灯熄灭时,电平开关两端没电压,开关开启,线路截止,减数器没有信号输入,停止工作,减数器处于开始预置数上,到下一个灯亮起之后减数器做相同的状态变换。
状态控制器是系统的核心部分,在红绿灯的控制结构电路图中,从74194的红灯接到电平开关在接回74190的LOAD`端,即将红灯的信号传给190以控制其工作,将信号送回到190驱动它工作;将高位和低位的
出来的信号送到194的CLK端来推动194及D触发器的工作,如此循环下去,通过开关来控制进制的转换;对于这路口的红灯用同样的方法接在另外一组减数器上。
对黄灯只需一片190就能完成它的进制要求,接法和两片类似。
状态控制器决定交通灯处于哪一个运行状态。
从而使相应的交通灯点亮,并决定下一个状态的预置电路该预置的绿灯和黄灯的预置值。
状态控制电路是由寄存器74LS194来实现的。
首先进行置数。
将1(高电平)送给高位的Q,使绿灯1(亮)、黄灯0(熄)、绿灯0(熄),在当前状态计时结束后,计数器置入下一个状态计数值并开始计数,如此循环往复。
红灯1、黄灯0、绿灯0,红灯0、黄灯1、绿灯0,红灯0、黄灯0、绿灯1,两路口连接在一起的红灯和绿灯显示时间同步,其他单元在状态控制电路的状态控制下有序的完成计时和计数转换。
假定当前状态如红灯亮时,结果分析如下:
将红灯的输入端接到计数器,对红灯的亮灯时间进行计数,然后显示输出。
红灯熄灭时,数码管LED灭;红灯亮时,计时器开始倒计时,计时器可以通过开关进行不同进制的转换,此时,另一路口的绿灯和现在的这红灯同步。
当计时递减到0时,状态控制器进入下一个状态,控制黄灯亮起;黄灯熄灭之后到绿灯亮起,和刚才的红灯一样的效果,但是进制可以调整成不一样;当红灯亮时,计数器、显示器执行上述的功能,如此周而复始,完成交通灯的显示过程。
五、设计中出现的问题
在设计过程中出现的了较多的问题,但是在慢慢的查阅资料及和同学一起讨论之后把各个问题顺利解决。
例如设计过程中,在开始之前没好好看书及去查资料,导致思路不清晰,以及74190芯片的功能不少很清楚,导致不能顺利将减数器接通。
知道用那个型号的芯片之后得了解器具体功能才能开始连接电路,不同的芯片可以用来实现不同的功能,因此要在了解各芯片的具体功能之后才开始实施设计要求。
在设计交通灯的减数器时,将计数器74LS190的低位的RCO没接到高位的CLK,结果导致高位的数码管不显示,经过检查之后,解决了这一问题。
接下来是减数器不能自动计数,检查后结果发现是没将高位的输出信号返回给190的LOAD,将其用逻辑非门接回给芯片后,减数器就顺利工作。
对于进制的转换接触的电路没问题。
在将往复循环电路与减计数构建在一起时出现的问题较多,开
始是交通灯无法顺利进行往复,发现原因是190输出的信号到194之间的线路出问题,逻辑门使用的不合理导致结果出错,这是没能详细计算出现的错误,经过进一步的查看及计算,最后顺利完成设计。
六、心得体会
开始拿到设计题目,感到很难入手,花了较长时间来理清楚思路。
接下来的具体电路设计才是难点所在,所需用到的芯片其功能得去查阅,才能将的电路图接好。
通过此次的设计,我发现遇到问题不能死钻,应该和老师同学主动交流,将问题解决的方法不是只有自己弄出来的才算是自己的,和他人共同将问题解决而自己把原理弄清楚,也是学习的进步;不放弃,也应该是我们要做的,在最困难的时候更应该坚持下去,想办法将问题顺利解决才是我们应该去做的。
将开头做的好点的话,后面的工作要稍微轻松一点,最终的结果也才会是一个不错的结果。
做完设计之后发现学了一个学期的课程,在这次课程设计时,暴露出了很多自己不懂得知识,自己掌握的知识那么有限,在实际运用中更加无法将知识合理运用进去。
平时我们都只是学习原理知识,对实践进行的很少。
加上许多知识学了就忘,很难将知识连成一线加以利用。
所以,实践是对我们帮助和提高的最佳方式,虽然实践时出现的问题让人郁闷,但这是提高的前提,需要通过实践来历练我们,检测我们的知识。
实践环节对各方面都有提高,拓展我们多方面的思维。
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