重庆大学电气交通灯控制电路的设计副本.docx
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重庆大学电气交通灯控制电路的设计副本
电子技术基础
课程设计
题目名称:
交通灯控制电路的设计
姓名:
学号:
班级:
201班
小组成员:
学号:
20
指导教师:
完成时间:
201.26
成绩/评语/签名
重庆大学电气工程学院
重庆大学本科学生课程设计任务书
课程设计题目
交通灯控制电路的设计
学院
电气学院
专业
电气工程及自动化
年级
2014
设计一个控制电路,实现如下的交通灯控制
要求:
1,在一个十字路口,主干道通行亮绿灯时,支干道亮红灯;支干道通行亮绿灯时,主干道亮红灯。
2,主干道和支干道交替通行,主干道通行时间为30S,支干道通行时间为20S,设计30S和20S的计时显示电路。
3,主干道和支干道交替通行,每次有绿灯变成红灯的过程要有5S的亮黄灯过渡过程。
设计5S的计时显示电路。
4用红、绿、黄三色发光二极管做信号灯。
学生应完成的工作:
1、设计电路原理图
2、列出原理图所用的电子元器件清单
2、购买元器件、搭建电路、调试电路、并实现上述功能。
3、完成课程设计报告。
参考资料:
1、唐治德.模拟电子技术(第二版).北京:
科学出版社,2015
2、唐治德.数字电子技术(第二版).北京:
科学出版社,2015
3、Protel软件相关资料
4、康华光.模拟电子技术(第五版).北京:
高等教育出版社,2006
5、华成英,童诗白.模拟电子技术(第四版).北京:
高等教育出版社,2006
6、康华光.电子技术基础数字部分(第四版).北京:
高等教育出版社,2000
7、阎石.数字电子技术基础(第四版).北京:
高等教育出版社,1998
课程设计的工作计划:
1、布置课程设计任务;消化课程设计内容,查阅并参考相关资料,进行初步设计(2天);
2、按课程设计的要求进行详细原理设计(3天);
3、进行实际的电路搭建和调试,并按课程设计的规范要求撰写设计报告(4天);
4、课程设计答辩,实时控制验证(1天)。
任务下达日期年月日
完成日期年月日
指导教师(签名)
学生(签名)
目录
前言5
1.设计任务与要求5
1.1设计内容5
1.2设计要求6
2.系统概述6
3.单元电路的设计8
3.1秒脉冲发生8
3.2五倒计时减数电路的设计9
3.3二十秒倒计时电路的设计10
3.4三十进制减数电路设计11
3.5状态译码电路的设计12
3.6交通灯状态显示电路的设计13
3.7显示译码电路14
4.总原理图15
4.1最初原理图1115
4.2原理化简图1216
4.3实际焊接图1318
5.实物焊接19
6.调试与检测19
6.1调试方法19
6.2调试步骤19
6.3实物调试20
7.心得体会20
8.参考文献21
附件1:
元件清单22
附件2:
实物照片23
前言
随着生活水平的提高,家庭汽车拥有量越来越多,城市交通堵塞问题越来越严重,解决城市的交通拥挤问题越来越紧迫。
交通灯在这个交通环境中起着一个重要的角色,是交通管理部门管理交通的重要工具。
红绿灯是交通法规的无声命令,是司机和行人的行为准则。
十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。
智能的交通灯能有效地缓解城市的交通压力,减少交通事故;为人民节省大量出行时间,创造出更多的社会价值。
本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。
在本次课程设计里,将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。
通过系统设计、Multisim软件仿真、电路安排与调试,在此次设计中学会初步掌握工程设计的具体步骤和方法,提高分析问题和解决问题的能力,以及提高实际应用水平。
1.设计任务与要求
1.1设计内容
(1)在一个十字路口,主干道通行亮绿灯时,支干道亮红灯;支干道通行亮绿灯时,主干道亮红灯。
(2)主干道和支干道交替通行,主干道通行时间为30S,支干道通行时间为20S,设计30S和20S的计时显示电路。
(3)主干道和支干道交替通行,每次有绿灯变成红灯的过程要有5S的亮黄灯过渡过程。
设计5S的计时显示电路。
(4)用红、绿、黄三色发光二极管做信号灯。
1.2设计要求
1.用Multisim仿真软件仿真电路,并进行调试;
2.写出设计的全过程,附上有关电路图和资料,最后有心得体会。
3.附带元器件及参数;
2.系统概述
交通灯控制系统的原理框图如图1所示。
时间数字显示
脉冲发生器
时序电路
译码电路
支干道
信号灯
主干道
信号灯
减计数器
显示译码电路
图1交通灯控制系统原理框架图
它主要由脉冲发生器、时序电路、译码电路、减计数器和显示译码电路等部分组成。
脉冲发生器是系统中标准时钟信号源,译码电路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。
减计数器和显示译码电路共同实现数码管的倒计时显示功能,其准确的时间要由译码器输出的四种状态信号控制。
译码电路和显示译码电路是系统的主要部分,由它们控制信号灯和数码管的工作。
两方向车道的交通灯的运行状态共有4种,如图2所示:
三十秒未到
五秒未到
二十秒未到
五秒未到
图2交通灯信号流程图
表1电路运行状态表
信号状态
信号灯状态
车辆通行状态
数码管状态
状态1
主:
绿支:
红
主:
通行支:
禁行
30s倒计时
状态2
主:
黄支:
红
主:
缓行支:
禁行
5s倒计时
状态3
主:
红支:
绿
主:
禁行支:
通行
20s倒计时
状态4
主:
红支:
黄
主:
禁行支:
缓行
5s倒计时
3.单元电路的设计
3.1秒脉冲发生
本设计采用555定时器组成秒脉冲信号发生器,产生周期为1s的矩形波。
根据下列公式计算
所以电路中两个电阻的参数为47kΩ,两个电容器的参数为10uf。
图3脉冲信号发生器
3.2五倒计时减数电路的设计
由74LS192N、DCD_HEX、74LS00N、方波发生器等组成。
其中DCD_HEX是十六进制的显示管,74LS00N是或门,74LS192N的功能如下所述。
具体电路见图4。
减数器的实现:
根据74LS192N的特点,脉冲从DOWN端接入。
置入0100后实现减数4=>0功能,当减到数码管显示为零后,下一个状态1001通过与门实现置数端为低电平,将0100置入。
图4五秒倒计时电路图仿真图
74LS192N的引脚图见图5,真值表见图6。
图574LS192N的引脚图
图674LS192N的真值表
功能叙述:
74LS192N管脚图中,QA、QB、QC、QD为计数输出端;DOWN为减脉冲输入端,UP为加脉冲输入端;CLR为清零端,当该管脚为高电平时,输出端清零,为0000;A、B、C、D用于为计数器预置初始计数值;LOAD端为置数端,低电平有效,输出端分别为输入端A、B、C、D的电平。
BO用于输出一个宽度
等于减计数输入的脉冲,用于级联下级减计数,CO用于输出一个宽度等于加计数输入的脉冲,用于级联下级加计数。
3.3二十秒倒计时电路的设计
由74LS192N、DCD_HEX、方波发生器、74LS00N组成。
Multisim仿真电
路图见图7。
实现原理:
由于是两位数,需要两个DCD_HEX来显示倒计时时间,74LS192N也需要两个。
如图所示,低位芯片借位端BO连接高位的减脉冲输入端DOWN,这样可以实现借位。
当高位为0时,低位再次借位是,在那一瞬间高位出现9,而马上由与非门置为1,低位出现9,实现数19=>0的20秒倒计时。
加脉冲端UP端接高电平,清零端CLR接低电平。
图7二十秒倒计时电路仿真图
3.4三十进制减数电路设计
由74LS192N、DCD_HEX、方波发生器、74LS00N组成。
其实现原理同3.2。
它们只不过置数端有所差异。
3.2高位芯片置入0001,而在这高位芯片置入0010,实现29=>0的30秒倒计时。
Multisim仿真电路图见图8。
图8三十秒倒计时电路仿真图
3.5状态译码电路的设计
主、次干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。
真值表如下:
状态控制输出
主干道信号灯
次干道信号灯
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
表2状态译码电路设计原理
由真值表得逻辑表达式如下:
主干道红黄绿灯:
;
;
;
次干道红黄绿灯:
;
;
;
3.6交通灯状态显示电路的设计
主要元件有:
红、黄、绿指示灯、74LS08N、74LS00N、74LS86N、电阻构成。
在设计中,我采用了彩色指示灯(或发光二极管)模拟交通灯,状态译码器电路见下图。
由3.3的信号灯真值表可知,两个D触发器在秒脉冲激励下,产生00,01,10,11,四种状态通过四个与门,分别在四个状态下输出1000,0100,0010,0001四种情况,与红绿灯的四种情况相对应。
状态1状态2状态3状态4这四根线同一时间只有一个高电平,且在四个状态线上依次循环。
具体如表3所示:
表3状态线电平表
四根状态线电平
持续时间
信号灯状态
状态1
1000
30s
主:
绿支:
红
状态2
0100
5s
主:
黄支:
红
状态3
0010
20s
主:
红支:
绿
状态4
0001
5s
主:
红支:
黄
根据信号灯逻辑表达式和上述原理,通过Multisim仿真得电路图9:
图9交通灯状态显示电路仿真图
3.7显示译码电路
显示译码电路采用两片74LS48N芯片,具体接线如图10所示:
个位
十位
图10数码管显示电路
4.总原理图
4.1最初原理图11
图11最初原理图
最初原理图为将各部分电路在电路图中的简单相加,四种状态对应四个倒计时电路,按状态需要使四个倒计时电路分别运行,该电路图能实现要求的计数功能,但电路过于繁琐,且共使用八个数码管,不符合实际使用情况,故需对该电路图进行化简。
4.2原理化简图12
在之前的电路中,6片192分成4组,分别对应4个状态。
在接下来的设计中,我们拟用2片192和与之对应的两个数码管依次显示这四个状态。
在之前的分析中我们知道y1y2y3y4的输出分别代表这四个状态,所以我们发现不仅每次192的输出信号会对四位状态输出进行改变,同样的也可以反过来,通过让状态输出接ABCD来实现用每次状态输出调节下次192运行进制的功能。
需要注意的是,因为每次灯在转换会有一秒间隔,所以数码管上显示的数依次由29/4/19/4减数到0。
Y1Y2Y3Y4与十位个位192所属ABCD对应如下表:
状态输出
十位
个位
Y1
Y2
Y3
Y4
D
C
B
A
D
C
B
A
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
由此可知,十位个位的DCBA接法如下:
十位:
D,C均接地B接Y1A接Y3
个位:
B接地
D=A=Y1+Y3(化为与非形式)
C=Y2+Y4(化为与非形式)
重新连接电路图如下
:
图12状态仿真测试图
化简的重点在将四个倒计时电路合并到一个电路里面,在此处,使用四种状态下,四个与门对应的1000,0100,0010,0001对两片74LS192N的置数端分别进行置数的交替,在一个循环里,十位分别是2,0,1,0即0010,0000,0001,0000的置数,个位分别是9,4,9,4即1001,0100,1001,0100的置数。
4.3实际焊接图13
图13实际焊接图
之前各原理图中有使用元器件内部的各部分和实际不存在的原件,实际连接图则需使用原件整体和实际中必须存在的元器件,且焊接时不能有悬空段,将原理图中各部分整合后电路图如上图。
5.实物焊接
图13为为使焊接方便整理的最为接近实物的原理图,故实物焊接按照图13中各器件管脚进行接线,所发器材电路板中接地与接高电平交错排列,严重影响焊锡连线,故采用引线连接。
用于电路中线路较多,焊接时需极为注意线路的走向,避免焊接错误导致电路无法完成实物。
实物制作过程中恰逢各科考试之间,白天复习,晚上焊接,焊接过程前后耗时5天左右。
6.调试与检测
电子电路设计要考虑很多因素,用Multisim软件模拟出来的只是理想情况,实际电路中会有各种意料之外的情况出现。
加之元器件性能的延时、兼容性和其他性质,以及许多人为因素的影响,一个组装好的电子电路一般都要经过调试才能正常工作。
在调试过程中用的最多的仪器就是万用表。
6.1调试方法
电子电路调试方法有两种:
分块调试和整体调试
(1)分块调试法
分块调试是把总体电路按功能分成几个模块,对每个模块分别进行调试。
分块调试可以在小范围内发现问题,易于解决。
(2)整体调试
此种方法是把整个电路组装完毕后,不进行分块调试,实行一次性总调。
6.2调试步骤
(1)检查电路,看是否有线路漏接错接。
(2)接通电源观察,看电路是否正常运行。
若有错误就逐步进行调试
(3)看信号灯的闪烁情况及数码管显示情况,根据所出现的异常,先检测与之相关的导线,再检测极易出现问题的相关芯片。
6.3实物调试
初次完成作品时,只有红绿灯能够闪烁,且不符合闪烁要求,对线路检查后发现线路焊接没有错误,后对电路原理图重新检查并查阅相关资料,对原理图中悬空的管脚进行连线后对实物悬空管脚进行焊接,查阅资料显示数码管需进行限流处理,再加上限流电阻后,红绿灯闪烁正常,数码管十位数字显示正常,个位数字不显示,后对器材进行更换,电路显示正常。
7.心得体会
这次课程设计历时一月有余,是一次理论与实践的结合,加强了我实际操作、思考和解决问题的能力,觉得自己从中学到了很多东西。
一直以来,自己都是只重视对理论知识的学习,对于课本上的知识点可以说娴熟于心,但却忽略了自己对知识的实际应用和动手操作能力,刚拿到课题是真的有点不知应该从何下手,后来通过对课本知识的一遍遍复习,和对课外相关资料的查阅,总算找到了解决的方向。
理论设计过程中,开始只是想着使实际的方案能够达到课程设计的要求,而没有注意所设计方案的实际可操作性,于是有了上面使用六个192,六个数码管的情况。
对方案的化简则锻炼了我们从不同的方向思考问题的能力,从一个方向看繁琐复杂,但换个角度问题则变得简单有趣,对四个倒计时电路的化简使得电路整体看起来简练美观,也有利于实际的焊接工作。
课程设计做出实物来也是困难重重,按照仿真电路图连好实物后,最开始并不能出来所要达到的效果,然而实物线路繁杂,对照仿真图检查一遍发现并无错误,便又开始查阅更多与实际电路相关的资料,最后发现电路图中悬空的部分在实际电路中不能悬空,实践与理论很多地方都存在着差别论,自己之前重理论而轻实践的学习方式是需要改进的。
还有就是自己深刻体会到了团队的力量,我们小组两人,开始想着每人想一种,取较好地,但最后电路的很多部分都是两个人思想的结合,闭门造车着实不是个好办法。
课设过程困难重重,但每一个困难都是一份财富,也让我深刻意识到实践的重要性,以后会改变学习方法,理论上学扎实,实践上也不掉队。
8.参考文献
1、唐治德.模拟电子技术(第二版).北京:
科学出版社,2015
2、唐治德.数字电子技术(第二版).北京:
科学出版社,2015
3、Protel软件相关资料
4、康华光.模拟电子技术(第五版).北京:
高等教育出版社,2006
5、华成英,童诗白.模拟电子技术(第四版).北京:
高等教育出版社,2006
6、康华光.电子技术基础数字部分(第四版).北京:
高等教育出版社,2000
7、阎石.数字电子技术基础(第四版).北京:
高等教育出版社,1998
附件1:
元件清单
原件序号
型号
主要参数
数量
备注
1
555
1
定时器
2
74LS74
1
D触发器
3
74LS00
1
与非门
4
74LS192N
2
10进制计数器
5
74LS08
2
与门
6
74LS48
2
译码器
7
74LS86
1
或非门
8
R
47K
2
电阻
9
R
100
14
电阻
10
R
560
6
电阻
11
8421数码器
4
共阴极数码管
12
C
10nF
2
电容
13
LED-green
2
绿灯
14
LED-red
2
红灯
15
LED-yellow
2
黄灯
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