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交通控制灯论文
目录
1引言………………………………………………………………………………………1
2总体设计方案……………………………………………………………………………1
2.1设计思路……………………………………………………………………………1
2.2总体设计框图…………………………………………………………………………2
3设计原理分析……………………………………………………………………………3
3.1振荡电路………………………………………………………………………………3
3.2分频器…………………………………………………………………………………3
3.3定时器…………………………………………………………………………………4
3.4控制器…………………………………………………………………………………5
3.5译码器…………………………………………………………………………………5
3.6驱动电路………………………………………………………………………………5
3.7其他电路………………………………………………………………………………6
4总结与体会………………………………………………………………………………7
参考文献……………………………………………………………………………………7
附录1………………………………………………………………………………………8
附录2………………………………………………………………………………………9
附录3………………………………………………………………………………………10
交通灯控制器
摘要:
本电路采用数字电路的基本知识,在参考了其他电路的基础上,设计具有自动和手动控制的交通灯控制电路,该电路具备交通灯控制电路的基本功能,可以指挥各种车辆的正常行驶和拐弯,以及行人在通过十字路口时的安全通行,可以实现自动控制,在紧急情况下也可以实现手动控制,本电路还可以进行扩展,可以根据条件加入辅助电路以完善其功能。
关键词:
振荡电路;分频器;定时器;74HC151;74HC138
1引言
在现代城市中,人口和汽车日益增长,市区交通也日益拥挤,大家的安全问题就成了重中之重。
因此,红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。
有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。
自从交通灯诞生以来,其内部的电路控制系统就不断的被改进,设计方法也开始多种多样,从而使交通灯显得更加智能化。
尤其是近几年来,随着电子科技与计算机技术的飞速发展,电子电路分析和设计方法有了很大的改进,电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段,这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。
因此,在本次课程设计里,将以传统的设计方法为基础,同时运用各种软件和信息资料,采用全部的数字控制,使电路的稳定性和可靠性大大增强,充分利用现有的条件和资源,以数字电子技术为基础,利用所学知识完成了这次设计。
2总体设计方案
2.1设计思路
交通灯控制器电路应该具有最基本的脉冲振荡电路和分频器,用来产生秒脉冲信号。
还应当具有定时器电路对交通灯的工作时间进行控制。
其核心部分应该是控制器电路,具体的控制是由它来完成的,在这一部分可以进行电路的提高和改进。
然后就是译码器电路,用来对电路进行状态的分配,其输出控制交通灯的驱动电路。
因此,本电路主要有七部分组成,分别是:
振荡电路、分频器、定时器、控制器、译码器、驱动电路和手动控制电路。
振荡电路采用555电路配合外围电路产生1024Hz的信号。
分频器采用了两片半74LS93(四位二进制计数器)电路,构成了十分频电路,最后得到1Hz的秒脉冲信号,为定时器电路和控制电路提供基准信号。
定时器电路使用了两片74LS163(四位二进制计数器(同步清零))电路,利用其产生5s、10s、25s的时钟控制信号,送到控制器作为时间上的基准。
控制器相当于一个编码电路,对于电路的状态进行合理编排和时间安排,采用了四片74HC151电路和一片半74LS74电路对状态进行编码,输出信号送给译码器电路进行最后的分配。
译码器用了一片74HC138电路适当连接就可以完成,其输出作为后级电路的驱动信号。
驱动电路采用了三极管和继电器进行电路的最终驱动。
手动控制电路仅仅使用简单的开关控制就可以,不过在工作时应当将自动控制电路关闭。
交通灯工作方式流程图如图1,设有甲、乙两个车道,甲用1表示,乙用2表示。
图1交通灯工作流程图
2.2总体设计框图
交通灯控制系统的原理框图如图2所示。
主要有七部分组成,图中三个从定时器输出给控制器的信号分别表示甲通道或乙通道绿灯和人行道灯亮的时间(TL)25s,黄灯亮的时间(TY)5s,拐弯的时间(TT)10s;从控制器输出给定时器的信号表示控制器发出给定时器的转换重复信号ST。
图2交通灯控制系统框图
3设计原理分析
3.1振荡电路
振荡电路的核心部分是555集成块,配合外围电路的电容和电阻振荡出满足要求的频率,其频率产生的高低可根据公式f=1.44/(2R2+R1)C2来得出,其电容和电阻值在图3标有,通过计算可以得到,当电容取0.01uF、电阻R2取5.1K时可得到R1=3.862K,故取电阻R1=2K,加一个可调电阻适当P1调整得到合适的频率。
电路的参数可根据需要进行调整,只要依据上边所给公式就可以,但是电阻和电容的取值都应趋向于常用元器件。
电路如图3。
图3振荡电路
3.2分频器
分频器电路采用两片半二-四-十六进制计数器74LS93集成电路,其内部电路图如图5,通过将每一片的Q1脚和CLK1脚连接,将MR1和MR2相连接地,然后将前一级的Q4接到后一级的CLK0上就可以了,要求1024Hz的信号从第一片的CLK0输入,从最后一片的Q2端输出就得到了1Hz的秒脉冲信号。
电路如图4。
图4分频器
3.3定时器
本电路采用两片四位二进制同步计数器74LS163集成电路,其功能如表1,集成电路的CTp、CTt为计数控制端,CO为进位端,D0-D3为并行数据输入端,Q0-Q3为数据输出端,CR为清零复位端,CP为触发端。
两片集成电路的清零复位端和触发端连在一起,第一片的计数控制端始终通过一个电阻接高电位,根据电压和电流的大小可以取电阻值为1-3K。
第一片的进位端接第二片的计数控制端,输出时可以从第一片的Q2端得到周期为5s的信号TY,将第一片的Q0和Q3接一个与门就得到了周期为10s的信号TT,将第一片的Q3和第二片的Q0接一个与门就得到了周期为25s的信号TL,需要说明的是触发端接的是1Hz的秒脉冲信号,清零复位端接的是从控制器反馈回来的三个时间信号中的一个,其作用是作为转换重复信号。
电路如图6。
图574LS93内部逻辑电路
图6定时器
表174LS163功能表
3.4控制器
控制器是除74HC138以外的其他电路,它由集成电路74HC151(四片)和74LS74(一片半)组成,74HC151是8输入多路开关电路,其功能如附录1中表2,74LS74是正边沿触发双D触发器,通过两种集成电路的配合使用就构成了控制器电路。
电路是将74HC151的A0、A1、A2(地址输入端)分别接到一起并且连接到D触发器的Q0、Q1、Q2,其中第一片的输出接Q2的输入端作为最高位,依次类推。
四片74HC151电路的编码是根据自然码来编排的,其编码方式对应交通灯的状态,如附录1中表3。
根据编码方式可以确定电路的接法和各个74HC151芯片的输入状态,如附录1中表4,表中TL表示25s的时钟信号用来控制绿灯和人行道灯的工作时间,TY表示5s的时钟信号用来控制黄灯的工作时间,TT是10s的时钟信号用来控制拐弯的时间,ST是送给定时器的复位信号,控制状态的重复转换。
电路中电容C3的作用是利用其两端电压不能突变的特性,当电路启动时,给D触发器一个清零复位信号,使电路初使状态状态为000,及直接令第一组灯工作,然后再进入正常的循环。
电路输出信号经三个D触发器输入到译码器。
电路见附录2中的主要电路连接图。
3.5译码器
译码器电路主要是74HC138集成电路的功能利用,74HC138是3线-8选一的译码器电路,其输出为低电平有效,功能如表5,电路中将上一级送来的Q0、Q1、Q2分别送给地址输入端A0、A1、A2用来进行控制。
E3和E1通过R5接高电位,E2接地,Y0接第一组等的驱动电路,依次类推。
电路见附录2中的主要电路连接图。
3.6驱动电路
驱动电路主要有NPN型三极管和继电器组成,共电电压为12V左右,三极管型号可根据继电器电阻的工作电流的大小选取SD548或9013等,继电器的耐压应高于12V,选用具有一个常开触点的就可以。
在继电器的两端并联上一个二极管(如D1)作为续流二极管,防止断开时的感应电压过大损坏三极管。
驱动电路的部分电路如图7。
图7部分驱动电路
表5译码器74HC138的功能表
输入
输出
E3E2E1A2A1A0
Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7
LHXXXX
HHDLLL
HHDLLH
HHDLHL
HHDLHH
HHDHLL
HHDHLH
HHDHHL
HHDHHH
LLLLLLLL
DLLLDLLL
LDLLLLLL
LLDLLLLL
LLLDLLLL
LLLLDLLL
LLLLLDLL
LLLLLLDL
LLLLLLLD
图8交通灯工作时序流程波形图
3.7其他电路
交通灯电路:
由于电路比较复杂所以只画出了一部分,灯的数量应该翻倍,电路接法如图9,电路中的开关都是与继电器连动的。
供电电压可以是220V/110V。
图9交通灯连接图
手动控制电路:
考虑到实际问题,这一部分不与自动控制电路进行关联,当手动控制时关闭自动控制电路,手动开关直接控制交通灯的工作,有几种特殊情况:
一、红灯全亮;二、黄灯在夜晚车流量少时全亮等等。
考虑有几种情况可以分别列组用一个开关控制,在此不做详细设计。
4总结与体会
通过这次课程设计,运用了许多书上学的东西,比如说在设计振荡电路的时候,运用了数电书上讲授的关于555电路的基本知识,并且运用的比较得心应手,也进一步加深了对这一部分知识的掌握。
在设计分频器电路的时候,运用了数电实验课上对芯片的了解,选用了比较熟悉的集成电路进行了设计。
而对于定时器的设计则主要选用了图书馆一本书上的样本电路,经过仿真实验,在原电路的基础上加入了十秒的信号,也拓展了对芯片知识的了解。
对于控制器电路和译码器电路的设计全部采用书上介绍的芯片,自主设计并编码,这是对自身能力的又一次锻炼,通过设计掌握了74HC151和74HC138的使用。
在本次设计中运用了Protel99SE软件,锻炼了绘图能力,使用了EWB软件进行仿真,使自己对这个软件的知识也更加了解。
参考文献
[1]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,2006
[2]高吉祥,易凡等.电子技术基础实验与课程设计[M].北京:
电子工业出版社,2005
[3]林红.现代数字电路设计[M].北京:
清华大学出版社,2005
[4]何书森,何华斌.实用电子线路设计速成[M].福州:
福建科学技术出版社,2006
[5]科林,孙人杰.TTL高速CMOS手册[M].北京:
电子工业出版社出版,2004
[6]李东生.ProtelDXP电路设计教程[M].北京:
电子工业出版社出版,2004
[7]蔡明胜.电子设计[M].北京:
高等教育出版社,2004
[8]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:
高等教育出版社,1997
附录1:
表1数据选择器74HC151功能表
输入
输出
使能选择
/ES2S1S0
YY,
HXXX
LLLL
LLLH
LLHL
LLHH
LHLL
LHLH
LHHL
LHHH
LH
D0D0
D1D1
D2D2
D3D3
D4D4
D5D5
D6D6
D7D7
表2控制器工作状态及功能
控制器状态
信号状态
车道运行状态
Q2Q1Q0
南北东西
南北东西
000
001
010
011
100
101
110
111
000
绿、人红
黄红
红绿、人
红黄
左拐、红红
黄、红红
红左拐、红
红黄、红
绿、人红
通行停
缓行停
停通行
停缓行
左拐停
缓行停
停左拐
停缓行
通行停
表3译码器74HC138的功能表
输入
输出
E3E2E1A2A1A0
Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7
LHXXXX
HHDLLL
HHDLLH
HHDLHL
HHDLHH
HHDHLL
HHDHLH
HHDHHL
HHDHHH
LLLLLLLL
DLLLDLLL
LDLLLLLL
LLDLLLLL
LLLDLLLL
LLLLDLLL
LLLLLDLL
LLLLLLDL
LLLLLLLD
附录2:
表4八个状态控制译码电路驱动信号灯真值表
输入
输出
Q2Q1Q0TLTYTT
Q2Q1Q0ST
0000XX
0001XX
001X0X
001X1X
0100XX
0101XX
011X0X
011X1X
100XX0
100XX1
101X0X
101X1X
110XX0
110XX1
111X0X
111X1X
0000
0011
0010
0101
0100
0111
0110
1001
1000
1011
1010
1101
1100
1111
1110
0001
表7集成电路元器件配置表
元件名称
功能
使用个数
555电路
定时器
1
74LS93
四位二进制计数器
3
74LS163
四位二进制计数器(同步清零)
2
74HC151
8输入多路开关电路
4
74HC138
3线-8选一的译码器
1
74LS74
正边沿触发双D触发器
2
74LS00
二输入四与非门
3
74LS08
二输入四与门
1
附录3:
总体电路图
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