数字电路设计交通灯.docx
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数字电路设计交通灯
交通信号控制器
摘要
随着社会经济的发展,城市交通问题越来越引起人们的关注。
人、车、路三者关系的协调,已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统,它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
如何采用合适的控制方法,最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路,缓解主干道与支干道、城区同周边地区的交通拥堵状况,越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
为此,通过我应用所学的知识设计了一套交通灯控制电路的方案。
交通灯的控制系统主要由信号灯、加法计数器、减法计数器、控制电路和振荡电路组成。
关键字:
信号灯;加法计数器;减法计数器;控制电路;振荡电路
目录
1绪论1
1.1课程背景及目的1
1.1.1课程设计背景1
1.1.2课程设计目的1
1.2课程设计内容和要求2
1.2.1课程设计内容2
1.2.2课程设计要求3
2课程设计方案及总原理图3
3单元电路设计与分析4
3.1主控制器4
3.2加法计数器5
3.3控制信号灯的译码电路6
3.4减法计数器及倒计时译码电路7
3.5直流稳压源及多谐振荡9
4交通控制电路10
5调试及仿真过程10
5.1调试过程10
5.2仿真过程11
6实习心得11
参考书籍12
附录13
附录A13
附录B14
1绪论
1.1课程背景及目的
1.1.1课程设计背景
交通信号控制器的出现,使得交通得以有效管制,对于疏导交通流量和提高路通行能力,减少交通事故有明显的效果。
如何采取合适的控制方法,最大限度的利用好耗费巨资修建的城市高数道路,缓解主干道与支干道、城区同周边地区的交通拥堵状况,越来越成为交通约束管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
随着电子技术的发展,利用计算机技术对交通灯进行智能化管理,已经成为目前广泛采用的方法。
1.1.2课程设计目的
本课程是在学完《模拟电子技术基础》《数字电子技术基础》《电子测试技术》之后,集中两周周时间,进行的复杂程度较高、综合性较强的设计课题的实践环节,通过该教学环节,要求达到以下目的:
1使学生进一步掌握电子技术的理论知识,培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力;
2使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法,提高电子电路的设计和实验能力;
3熟悉并学会选用电子元器件,为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。
4训练学生综合地运用所学的《数字逻辑》的基本知识,使用电脑EWB仿真技术,独立完整地设计一定功能的电子电路,以及仿真和调试等的综合能力。
本次电脑仿真所用的软件版本为Multisim11.0。
1.2课程设计内容和要求
1.2.1课程设计内容
在主、支道路的十字路口分别设置三色灯控制器,红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行,黄灯亮要求压线车辆快速穿越。
根据车流状况不同,可调整三色灯点亮或关闭时间。
1、基本部分
(1)主道路绿、黄、红灯亮的时间分别为60秒、5秒、25秒;
次道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、65秒;
时序关系应该符合如下要求:
图2循环周期
2、发挥部分(选做)
(1)主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置;
(2)主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整;
1.2.2课程设计要求
1、画出总体设计框图,以说明交通信号控制器由哪些相对独立的功能模块组成,标出各个模块之间互相联系,控制信号传输路径、方向和变化。
并以文字对原理作辅助说明。
2、设计各个功能模块的电路图,加上原理说明。
3、选择合适的元器件,在EWB上连接验证、仿真、调试各个功能模块的电路。
在连接验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式,在充分电路正确性同时,输入信号和输出方式要便于电路的仿真、调试和故障排除。
4、在验证各个功能模块基础上,对整个电路的元器件和连接,进行合理布局,进行整个数字钟电路的连接验证、仿真、调试。
5、自行接线验证、仿真、调试,并能检查和发现问题,根据原理、现象和仿真结果分析问题所在,加以解决。
学生要解决的问题包括元器件选择、连接和整体设计引起的问题。
2课程设计方案及总原理图
课程设计方案可以分成几个模块,首先通过由7805和7905组成的直流稳压源将220V交流电压转换为5V的直流电压,并由555定时器接成的多谐振荡提供脉冲,将电压信号送入加法计数器和减法计数器。
脉冲源产生的脉冲信号送入由两个74LS160组成的加法制计数器时候,加法计数器在加法工作当中输出状态转换信号到主控制器。
(由0到60秒时间段在第一个状态工作,在60到65秒时间段在第二状态工作,在65到85秒时间段在第三个状态工作,由85到90时间段在第四种状态下工作)。
主控制器由两片74LS153和两片74LS74组成,一方面通过信号灯显示驱动电路控制信号灯的亮灭,另一方面通过由两片74LS190组成的减法计数器和倒计时显示驱动电路来控制倒计时的显示。
减法计数器在脉冲源源输入的情况下,两块芯片分别控制十进制倒计时数字的个位和十位。
同时74LS190十进制可逆计数器构成2位十进制可预置数的减法计数器,74190具有异步并行置数功能,两片计数器之间采用异步连接方式,利用个位计数器的两输出端经过一个与门作为十位计数器的计数脉冲(CLK),个位计数器输入秒脉冲作为计数脉冲。
总原理图如下
图3总原理图
3单元电路设计与分析
3.1主控制器
主控制器是交通管理的核心,他应该能按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
十字路口的车辆运行情况由以下4种可能:
1主干道通行支干道不通行,此时主绿灯支红灯亮,持续60秒
2主干道停止,支干道仍不通行,此时主黄灯支红灯亮,持续5秒,
3主干道不通行支干道通行,此时主红灯支绿灯亮,持续20秒,
4主干道仍不通行支干道停止,此时主红灯支黄灯亮,持续5秒,
则主控制器应该共有四种状态。
因此主控制器可由两片74LS153和两片74LS74D接成。
并且可以知道两片74LS153的输出Q1Q0四种状态转化为00→01→11→10,在这里可以定义00为第一种状态,01为第二种状态,11为第三种状态,10为第四种状态。
主控制器图如下
图4主控制器
3.2加法计数器
加法计数器的作用是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间进行0到90的加法,同时向主控制器发出状态转换信号,主控制器根据状态转换信号进行转换。
00状态时,计数器开始秒计时,60秒后产生脉冲并向主控制器发出状态转换信号,主控制器进入01状态,计数器继续秒计时,5秒后产生脉冲并向主控制器发出状态转换信号,主控制器进入11状态,计数器继续秒计时,20秒后产生脉冲并向主控制器发出状态转换信号,计数器归零,主控制器进入10状态,,计数器继续秒计时,5秒后产生脉冲并向主控制器发出状态转换信号,计数器归零,主控制器回到00状态。
开始新的循环。
加法计数器图如下
图5加法计数器
3.3控制信号灯的译码电路
主控制器的4种状态分别控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。
设主干道绿红黄灯分别为R、Y、G,支干道绿红黄灯分别为r、y、g。
则各个灯逻辑表达式为:
G=Q1'Q0'
Y=Q1'Q0
R=Q1Q0+Q1Q0'
g=Q1'Q0'+Q1'Q0
y=Q1Q0
r=Q1Q0'
信号灯图如下:
图6信号灯图
3.4减法计数器及倒计时译码电路
在加法计数器对主控电路的作用下,主控制器里面可进行四种状态的状态转换。
在状态转换的同时,主控器一方面改变信号灯亮灭的情况,一方面通过减法计数器来实现倒计时。
减法计数器由两片74LS190芯片组成,并且两块芯片分别控制十进制倒计时数字的个位和十位。
同时74LS190芯片(功能表如下表所示)十进制可逆计数器构成2位十进制可预置数的减法计数器,如图4所示。
74190具有异步并行置数功能、保持功能,虽然没有专用的清零输入端,但可以借助QA、QB、QC、QD的输出数据间接实现清零功能。
两片计数器之间采用异步连接方式,利用个位计数器的QA、QD两输出端经过一个与门作为十位计数器的计数脉冲(CLK),个位计数器输入秒脉冲作为计数脉冲。
选用两片只带译码器功能的七段显示数码管实现两位十进制数显示。
D1、C1、B1、A1和D0、CO、B0、A0是十位和个位计数器的8421码置数输入端。
由74190功能表可知,该计数器在零状态时RCO'端输出低电平。
将个位与十位计数器的RCO'端通过或门控制两片计数器的置数控制端LOAD'(低电平有效),从而实现了计数器减计数至“00”状态瞬间完成置数的要求。
将数据输入端的8421BCD码置入计数器。
减法计数器图如下
图7减法计数器
3.5直流稳压源及多谐振荡
直流稳压源由7805和7905组成,将220V交流电压经过降压、整流、滤波转换为5V的直流电压。
由555定时器接成的多谐振荡器,其震荡频率为f=1/(R1+2R2)Cln2,通过改变R和C的参数改变其频率为1Hz。
多谢振荡图如下
图8多谐振荡器
4交通控制电路
图9总原理图
上面已经对所有的单元电路设计完毕,只要再将各个单元电路进行连线就可以得到总电路图如下
图9总原理图
5调试及仿真过程
5.1调试过程
1在主控电路控制的译码显示电路时出现乱码的现象,经过检查发现是是芯片74LS190与译码电路的连接没能够做到对应正确。
观察数码管的显示情况,如果24循环过后回复的话,说明计数正常。
2.显示最大数不对,经检查是由于74LS192置数端不对,初始值错误
3.计数器不工作(不倒计时)检查原因是电路连接错误,注意查线,保证线路的正确性。
5.2仿真过程
点击启动按钮,然后再打开总开关,便可以进行交通灯控制系统的仿真。
打开总开关,主干道道的绿灯亮支干道红灯亮,同时倒计时由65秒开始;持续60秒,在倒计时到5秒是主干道黄灯支干道红灯亮,持续5秒;接着倒计时由25秒开始,然后主干道红灯支干道绿灯亮,持续20秒;然后在倒计时到5秒时主干道红灯支干道黄灯亮,持续5秒。
最后倒计时又返回到最开始倒计时的65秒,按照这样的结果循环一直下去。
6实习心得
1首先在这为期两周的课程设计期间,我为应用所学电子技术顺利完成了交通灯控制器的设计查阅里很多相关书籍,学到了很多知识,并利用它们设计了符合设计要求的信号产生器、计数器、控制电路等。
不仅巩固了课堂知识,而且有效的和实际结合在了一起,扩展了所学知识和见识
2在这次为期两周的课程设计,加强了我动手、思考和解决问题的能力。
在整个设计过程中,我总共想过两个方案,另一个方案弄了两天,结果总是实现不了题目的要求。
所以我又花了一天的时间做出这个方案,这个相对另一个方案比较简单,包括电路原理和连接,和芯片上的选择。
3在设计过程,经常会遇到这样的情况,就是心里想老着这样的接法可以行得通,但实际接上电路,总是实现不了。
所以这几天不管是吃饭还是睡觉,脑子里总是想着如何解决这些问题,如何想出更好的连接方法。
不过说也奇怪,整天想着这些问题,脑子和身体却一点都不会觉得累。
或许是那种渴望得到知识的欲念把疲劳赶到九宵云外去了。
4我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强,平时看课本时,有时问题老是弄不懂,做完课程设计,那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如一些芯片的功能,平时看课本,这次看了,下次就忘了,主要是因为没有动手实践过吧!
认识来源于实践,实践是认识的动力和最终目的,实践是检验真理的唯一标准。
参考书籍
[1]童诗白主编,模拟电子技术基础(第三版),高教出版社
[2]阎石主编,数字电子技术基础(第四版/第五版),高教出版社
[3]金唯香、谢玉梅主编,电子测试技术,湖南大学出版社
[4]杨志中主编,电子技术课程设计,机械工业出版社
[5]周京广、郭照南主编,电子技术基础实验与仿真,高教出版社
[6]历雅萍易映萍主编电子技术课程设计,机械工业出版社
[7]彭介华主编,电子技术课程设计指导,机械工业出版社
附录
附录A
元件清单
274LS,74LS160NU4,U5
774LS,74LS08DU7,U8,U29,U33
U34,U35,U52
274LS,74LS153NU10,U11
274LS,74LS74DU20,U21
974LS,74LS04DU9,U14,U15,U1
8,U24,U26,U31
U32,U55
1LED_redLED1
174LS,74LS21DU22
374LS,74LS32DU23,U25,U50
174LS,74LS11DU27
274LS,74LS02DU28,U56
174LS,74LS86DU36
274LS,74LS190DU38,U39
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- 数字电路 设计 交通灯