交通灯的设计与制作.docx
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交通灯的设计与制作.docx
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交通灯的设计与制作
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
题目:
交通信号灯控制器设计
初始条件:
1.运用所学的模拟电路和数字电路等知识;
2.用到的元件:
实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片或微处理器等。
要求完成的主要任务:
1.假设一路口为东西南北走向。
初始状态0为东西红灯,南北红灯,
2.然后转状态1东西绿灯通车,南北红灯。
3.过25s转状态2,东西绿灯灭,黄灯闪烁5次,南北仍红灯。
4.再转状态3,南北绿灯通车,东西红灯亮。
5.过20s转状态4,南北绿灯灭,闪5次黄灯,东西仍是红灯。
6.最后循环至状态1,如此不断周期循环下去。
7.严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。
时间安排:
第1天下达课程设计任务书,根据任务书查找资料;
第2~4天进行方案论证,软件模拟仿真并确定设计方案;
第5天提交电路图,经审查后领取元器件;
第6~8天组装电路并调试,检查错误并提出问题;
第9~11天结果分析整理,撰写课程设计报告,验收调试结果;
第12~14天补充完成课程设计报告和答辩。
指导教师签名:
2011年6月26日
系主任(或责任教师)签名:
2011年6月26日
交通信号灯控制器设计
引言
交通的发达,标志着城市的发达,相对交通的管理则显得越来越重要。
交通灯是城市交通中的重要指挥系统,它与人们日常生活密切相关,随着人们生活水平的提高,对交通管制也提出了更高的要求,因此提供一个可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有着现实的必要性。
对于复杂的城市交通系统,为了确保安全,保证正常的交通秩序,十字路口的信号控制必须按照一定的规律变化,以便于车辆行人能顺利地通过十字路口。
本交通灯设计主要由555定时器,计数器74LS192,数据选择器74151和门电路构成。
并使用Proteus仿真技术模拟出了交通信号灯状态,以实现十字路口东西、南北方向的车按照设定的时间有指挥、有规律地通行。
本系统结构简单,操作方便;可实现自动控制,具有一定的智能性,对优化城市交通具有一定的意义。
关键字:
交通灯,74系类芯片,555定时器,Proteus仿真
目录
引言··································································2
1设计意义及要求·······················································4
1.1设计意义·······················································4
1.2设计要求······················································4
2方案设计···························································5
2.1设计思路······················································6
2.2方案设计······················································6
2.2.1设计方案一···············································6
2.2.2设计方案二···············································7
2.3方案比较······················································9
3部分电路设计······················································10
3.1数码管显示单元················································10
3.2计时单元······················································11
3.3片选单元······················································13
3.4脉冲产生模块··················································14
3.5红、绿、黄灯的控制············································15
4仿真操作步骤及使用说明·············································17
4.1软件仿真步骤··················································17
4.2仿真使用说明··················································17
5调试与检测的方法与技巧·············································19
5.1调试中故障及解决办法·········································19
5.2调试与运行结果···············································19
结束语······························································20
参考文献····························································21
附录································································22
1设计意义及要求
1.1设计意义
交通灯是现代城市不可或缺的工具,它在维持正常交通秩序中起着至关重要的作用,本次设计,小组成员模拟了交通信号灯控制器的实现,感受到现代科技从人工到自动化进而智能的飞跃,通过全程具体的仿真实现和搭建实物,培养了我们分析解决现实生活问题的能力,提升了我们逻辑思辨性思维,最主要的是综合运用所学的数字电子技术的基本知识,包括熟悉集成电路的引脚安排、各芯片的逻辑功能及使用方法,了解面包板结构及其接线方法,通过使用Proteus仿真技术,独立完整地设计一定功能的电子电路,以及仿真调试等。
1.2设计要求
(1)假设一路口为东西南北走向。
初始状态0为东西红灯,南北红灯,
(2)然后转状态1东西绿灯通车,南北红灯。
(3)过25s转状态2,东西绿灯灭,黄灯闪烁5次,南北仍红灯。
(4)再转状态3,南北绿灯通车,东西红灯亮。
(5)过20s转状态4,南北绿灯灭,闪5次黄灯,东西仍是红灯。
(6)最后循环至状态1,如此不断周期循环下去。
2方案设计
根据交通信号灯控制器的要求进行设计,可以构成以下的设计流程图,如下图1:
图1设计流程图
2.1设计思路
将总体分为两大块:
数码管的倒计时显示以及三种灯(红、绿、黄)的亮灭。
对于数码管的倒计时显示部分,我采用了4块74LS192十进制加减计数器芯片,其中2快74LS192芯片用来构成东西路30S倒计时,另外2块74LS192用来构成南北路25S倒计时,这4块的输出部分分别都接上4511译码器将8421BCD码译成七段码使得与译码器相连的数码管显示对应的十进制数,由于东西路和南北路的倒计时显示需要轮流工作,我采用了JK触发器进行片选。
其次,控制三种灯的亮灭,其中红灯的控制较为简单,可以直接取出片选信号对红灯加以控制,当东西路工作倒计时时那么南北路的红灯才亮,反过来,当南北路工作倒计时时那么东西路的红灯才亮,接下来关键是控制绿黄灯,东西路和南北路的思路是一致的,我都采用了8选1的数据选择器74151取出最后5S~0S的信号,和1Hz的脉冲相与进而使黄灯闪烁,在减计数到最后5S之前,都是绿灯保持亮。
2.2方案设计
●设计方案一
选用4块74LS192十进制加减计数器,2块8选1数据选择器74151、1个JK触发器和一些逻辑门电路。
其中2块74LS192构成东西路的30S减计数,一块代表个位数另一块代表十位数,再将1HZ的脉冲信号接到代表个位的74LS192的时钟信号端,十位的74LS192时钟信号端接个位的借位信号,这样就可以实现按秒递减,南北路的计时方式与之类。
那么如何实现这两路的轮流工作?
我采用了一个JK触发器,接成T’触发器进行片选,每当30S倒计时器或25S倒计时其倒数结束的时候都将通过与门向外输出一个脉冲控制信号,而这个信号刚好可以送到JK触发器的时钟控制端实现翻转,其输出端的翻转信号与1HZ的脉冲信号经过与门给到两路的代表个位的74LS192时钟控制端,便能实现两路轮流工作。
三种灯的显示部分,红灯的显示和绿、黄灯分开控制,红灯的亮灭可以直接由JK触发器所产生的片选信号决定,东西路的计时工作对应南北路的红灯亮,反过来南北路的计时工作对应东西路的红灯亮;绿、黄灯的控制利用74LS192的输出端,例如:
对于东西路,前25S绿灯亮,采用8选一的数据选择器,选出计时器最后5S决定黄灯的闪烁、绿灯的熄灭。
电路图如图2:
图2方案一电路图
●设计方案二(小组方案)
小组方案采用单片机来实现系统的设计。
采用STC89C52单片机作为MCU控制系统的运行。
单片机外围电路简单,基于本设计,我们只需要在STC89C52单片机最小系统外再搭建12个LED信号灯电路和数码管时间显示电路,通过程序的控制,即可实现交通信号灯的设计。
相对来说,方案简单易行,制作实物较为轻松,且系统不易受外界干扰,稳定性强。
如图3为STC89C52单片机最小系统原理图。
图3单片机最小系统原理图
2.3方案比较
方案的比较是通过权重分析的方法来实现的,首先要分化出本项目重视的要素,首先是设计要求的符合度,其次是成本,电路的复杂性,电路的普适性等。
本组通过各项要素进行对比,最终采用方案二作为本组的最优化方案。
具体的比较如下:
(1)元器件成本上,由于方案一涉及到的模块数量多,电路相对复杂,所以元器件数量会多于方案二,电路成本也随之增加;
(2)电路的功耗上,单片机的功耗低,大大节约了能源;
(3)单片机自问世以来,性能不断提高和完善,具有集成度高、功能强、速度快、体积小等诸多优点;
(4)方案一存在一定的局限性,对于本次设计要求是满足的,但是不具有普适性,相比之下单片机可移植性强、稳定性高,在其它设计中也可以使用。
3部分电路设计
3.1数码管显示单元
一个七段译码管74HC4511和一个七段发光二极管(数码管)连接成一个74HC4511驱动电路,七段发光二极管即数码管可以从0-9显示。
显示单元如图,七段译码器74HC4511原理图如图4。
七段发光二极管是多种显示器中的一种,它可直接显示出译码器输出的十进制数。
七段发光二极管显示器有共阳接法和共阴接法两种。
共阳接法就是把发光二极管的阳极都连在一起接到高电平上,输入低电平有效;共阴接法则相反,它是把发光二极管的阴极都连在一起接地,输入高电平有效,本次设计采用的就是共阴极接法的发光二极管,和配套的译码器74HC4511。
图4数码管显示单元
图574HC4511原理图
3.2计时单元
计时单元采用的是74LS192芯片。
74LS192是一种十进制同步可预置BCD,加减计数器(双时钟脉冲)。
它是由4个主从T触发器和一些门电路组成,具有清除、保持、并行输入、加计数、减计数等多种功能图6是其引脚图,表1是其功能表。
图674LS192引脚图
输入
输出
MR
PL
UP
DN
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
↑
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
↑
减计数
表174LS192功能表
其中:
MR是清零端;
UP是递增计数脉冲输入端;
DN是递减计数脉冲输入端;
PL是置数控制端;
TCU是进位输出端;
TCD是借位输出端;
D0、D1、D2、D3是并行数据输入端;
Q0、Q1、Q2、Q3是并行数据输出端。
当MR=1时,计数器各输出端均被清零,即Q0Q1Q2Q3=0000,只有当MR=0时计数器才能实现置数、加计数、减计数及保持等功能。
计数器的递增计数脉冲输入端UP和递减计数脉冲输入端DN是彼此独立的,这种输入方式称为双时钟脉冲输入。
当计数器作为加计数器使用时,计数脉冲就从UP端输入,作为减计数就从DN端输入。
置数控制端PL处于0状态时,可将数据从D3、D2、D1、D0端并行存入计数器。
PL处于1状态时,计数器便处于加计数、减计数或者保持状态。
如果进行多位连接时,只要将低位的进位信号TCU或借位信号TCD分别接到高位的UP或DN端即可。
本设计中东西路和南北的倒计时都是利用低位的借位信号TCD接到高位的DN端实现的。
如图7便是东西路30S倒计时的原理图。
图730S倒计时电路图
3.3片选单元
由设计要求可知,东西路和南北路的倒计时是轮流工作的,首先是东西路倒计时30S,然后南北路倒计时25S,倒计时并非同时进行,于是想到用JK触发器进行片选,通过将J、K端都接高电平实现一个翻转功能的JK触发器相当于一个T’,将两路的倒计时借位信号经过与门接在这个JK触发器的时钟接口,每当某一路的倒计时完毕脉冲信号到来的时候,JK触发器的Q输出端将翻转一次。
通过这样的翻转就可以具体控制30S倒计时器和25S倒计时器的轮流工作了。
JK触发器连接如图8所示。
图8JK触发器
下面可以将上述的JK触发器的输出端Q、
分别引出一条线,一条与脉冲信号源经过与门后送入东西路低位的74LS192的时钟端口,另一条同样与脉冲信号源经过与门后送入南北路低位的74LS192的时钟端口,这样两路总是保持一个计数另一个不计数,且其中一个计数完毕之后转换为另一个开始计数。
下图9为JK触发器片选接线图。
图9片选控制图
3.4脉冲产生模块
利用555定时器所组成的多谐振荡器,按照设计要求,其频率为1Hz,如图10。
接通电源后,电容C被充电,当v
上升到2V
/3时,时v
为低电平,同时放电三极管T导通,此时电容C通过R
和T放电,v
下降。
当v
下降到V
/3时,v
翻转为高电平。
电容C放电所需要的时间为:
式1
当放电结束时,T截止,V
将通过R
、R
向电容器C充电,v
由V
/3上升到2V
/3所需的时间为:
式2
当v
上升到2V
/3时,电路又翻转为低电平。
如此周而复始,于是,在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波,可以作为脉冲信号,其震荡频率为:
式3
图10由555定时器组成的脉冲信号源
3.5红、绿、黄灯的控制
3.5.1红灯的控制
考虑到红灯的状态刚好是与倒计时工作状态相反,可以直接取出片选信号来控制红灯的亮灭,当片选信号决定东西路计数时同时控制南北路的红灯亮,当片选信号决定南北路计数时则同时控制东西路的红灯亮,电路图如图11。
图11红灯控制电路
3.5.2绿、黄灯的控制
绿、黄灯的控制较红灯复杂,不仅与片选信号有关,还与74LS192的输出信号有关,在倒计时最后5S到来之前,绿灯保持亮的状态,而最后5S是黄灯开始闪烁,采用了一个74151数据选择器,取出最后5S来控制黄灯闪烁。
具体地,以东西路为例,最后5S为00000101→00000100→00000011→00000010→00000001→00000000,3-8数据选择器的地址线便可同时接前三个低位信号,但是由于这三个信号的状态是重复出现的,可以借助数据选择器的使能端再加以筛选,可行方案之一为取出前三个低位之前的三个信号,经过或门,只有当它们全为0时数据选择器才使能,这样便可惟独取出最后5S的信号,数据选择器输出端Y和1Hz的脉冲信号经过与门接到黄灯,就可以使黄灯闪烁;而绿灯的控制则恰好可取数据选择器
和片选信号经过与门后的结果,这样,当东西路倒计时工作时,未到最后5S之前,绿灯亮,最后5S黄灯开始闪烁。
电路图如图12。
图12绿、黄灯控制电路
4仿真操作步骤及使用说明
仿真软件使用的是PROTUES7.0,利用PROTUES的强大的仿真功能和丰富的芯片库,可以很容易的进行软件仿真,本组设计的按键状态扫描显示电路主要运用的是数字器件,PROTUES中仿真数字器件很方便,可以观察每一个端口的电平,从而很方便与理论大小进行对比。
4.1软件仿真步骤
(1)确定电路元件的基本类型与个数;
(2)联接电器元件并联接电源和接地;
(3)输入所有可能情况并进行极端调试,如输入任务要求上没有的情况,观察会有什么输出结果,进行记录;
(4)通过修改电路或者元器件参数,改进方案中的不足,并最后进行总结;
4.2仿真使用说明
Proteus中共有36种大的类别元件库,及超过8000种以上的具体元件
(1)元件库说明图:
(2)元件查找及添加
点击Proteus左侧工具栏按钮
,进入元件模式,再次点
按钮,即可调出元件库
在搜索关键词部分,键入所需元件的关键字,如果库中有相应元件,会在元件区域列出所选元件,双击它,将元件添加到电路图的DEVICES,如图:
单击DEVICES区所选元件,在电路图合适的空白区域,单击,即可放置相应元件
(3)库元件分类说明:
CMOS4000seriesCMOS4000库
DebuggingTools调试工具
Diodes二极管库
Miscellaneous元件混合类型库
Resistors电阻库
SwitchingDevices开关类元件库
TTL74余下皆为TTL74或TTL74LS系列库
5调试与检测的方法与技巧
利用软件PROTUES7.0模拟仿真电路,可以基本实现任务要求,硬件上的需求是能够运行PROTUES7.0的计算机以及满足要求的元器件和电路板。
5.1调试中故障及解决办法
在方案一生成后,在PROTUES中进行仿真。
调试中故障:
出现了红灯无法驱动的状况,由Proteus可以看到红灯的一端出现了高阻态。
解决的办法:
通过理论的分析,考虑是时电流不够,在红灯一端加上2输入的与门,与门的其中一端是电源,另一端是控制红灯亮灭的信号。
5.2调试与运行结果
调试分为两个方面,第一是软件调试,本组采用的是PROTUES7.0进行的仿真,本软件的最大优势在于芯片种类齐全,适合模拟数电电路,直观容易初步排查电路问题;第二是硬件调试,主要是通过上电后,用万用表测各点的电平,通过与理论数据的比较,来改变电路中的参数,从而达到对电路调试的效果。
在主要模块搭建好后,通过少量的抗干扰能力强的杜邦线联接,一方面便于修改电路,一方面节约成本,避免理论电路与实际电路中的误差造成不必要的浪费。
运行结果与分析:
(1)初始状态0为东西红灯,南北红灯,
(2)然后转状态1东西绿灯通车,南北红灯。
(3)过25s转状态2,东西绿灯灭,黄灯闪烁5次,南北仍红灯。
(4)再转状态3,南北绿灯通车,东西红灯亮。
(5)过20s转状态4,南北绿灯灭,闪5次黄灯,东西仍是红灯。
最后循环至状态1,如此不断周期循环下去
综上所述,测试的数据与理论是基本相符合的,本项目组是符合任务要求的。
可以实现任务书上的要求和功能。
结束语
在此次的数字钟设计过程中,我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法.,如74LS192十进制加减计数器、74HC4511译码器和74151数据器,在仿真的过程中还是发现了许多问题,有些是由于对器件的不熟悉所导致,还有些是由理论与实际的差异所引起,在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起。
对于单片机的了解也在本次设计中有了一个全面的提高。
课程设计是在数字电路的基础上进行展开设计与学习,通过这次课程设计我对数字电子技术基础这门课程有了进一步的理解,尤其对本设计所涉及的原理、器件、功能实现上有了更深的认识,并借此机会了解用Proteus绘制电路图进行仿真。
更重要的是通过实际问题的分析,培养了自身理论知识与实际相结合的能力以及辩证性思维。
参考文献
[1]康光华,数字电子技术基础,高等教育出版社,第四版,1999[2]吴友宇,模拟电子技术基础,清华大学出版社,第一版,2009.05[3]CharlesK.Alexander,电路基础,清华大学出版社,第一版,2000.12[4]陈晓文,电子线路课程设计,电子工业出版社,2004[5]阎石,数字电子技术基础,高等教育出版社,2006[6]许自图,电子电路原理分析与仿真,西安电子工业出版社,2009
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