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课程设计交通灯设计
课程设计报告
学生姓名:
刘存杭
学号:
1003580215
学院:
电气工程学院
班级:
电自1012
题目:
电子工艺实习——交通灯控制器的设计
指导教师:
盛文利郝静职称:
2012年7月12日
3.2.374LS737
一.设计要求
(1)在十字路口的两个方向上各设一组红灯、绿灯、黄灯,显示顺序为:
其中一个方向是绿灯、黄灯、红灯,另一个方向是红灯、黄灯、绿灯。
(2)设置一组数码管,以倒计时的方式显示允许通行或禁止通行的时间,其中绿灯、黄灯、红灯的持续时间分别为20s、5s、25s。
(3)当各条路中任意一条上出现特殊情况,例如有消防车、救护车或其他需要优先放行的车辆时,各方向上均是红灯亮,倒计时停止,且显示数字在闪烁。
当特殊运行状态结束后,控制器恢复原来状态,继续正常运行。
二.设计原理及框图
交通灯控制系统的原理框图如图1所示。
它主要由控制器、倒计时定时器、译码器、数码管显示和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中倒计时定时器的标准时钟信号源,同时控制着正常工作时各信号灯的亮灭与特殊情况下数码管数字的闪烁,译码器输出两组数码管的驱动信号,驱动七段数码管正常工作,控制器是系统的主要部分,由它控制驱动器的工作,进而控制信号灯的亮灭。
TR:
表示甲车道或乙车道红灯亮的时间间隔为25秒,即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到,TR=1,否则,TR=0。
TD:
表示倒计时到5秒。
定时时间到TY=1,否则,TY=0。
图1
两方向车道的交通灯的运行状态共有4种,如图2所示
一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下:
(1)甲车道绿灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上的车辆允许通行,乙车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间间隔20s时,倒计时定时器发出状态转换信号,使控制器ІІ控制译码器转到下一工作状态。
(2)甲车道黄灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行,乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔5s时,倒计时定时器发出状态转换信号,使控制器ІІ控制译码器转到下一工作状态。
(3)甲车道红灯亮,乙车道绿灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上的车辆允许通行,绿灯亮足规定的时间间隔20s时,倒计时定时器发出状态转换信号,使控制器ІІ控制译码器转到下一工作状态。
(4)甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上位过县停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定的时间间隔5s时,定时器发出状态转换信号,使控制器ІІ控制译码器转到下一工作状态,即系统又转换到第
(1)种工作状态。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器І和控制器ІІ共同协调控制的。
设控制器І的两种状态编码为0、1,分别用A0和A1表示;设控制器ІІ的四种状态编码为00、01、11、10,并分别用S0、S1、S3、S2表示,则两控制器的工作状态及功能如下表所示。
控制器І状态
控制器ІІ状态
信号灯状态
车道运行状态
A0(0)
A1
(1)
S0(00)
S1(01)
S2(11)
S3(10)
甲绿,乙红
甲黄,乙红
甲红,乙绿
甲红,乙黄
甲车道通行,乙车道禁止通行
甲车道缓行,乙车道禁止通行
甲车道禁止通行,乙车道通行
甲车禁止道通行,乙车道缓行
图3控制器工作状态及其功能
控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见,把灯的代号和灯的驱动信号合二为一,并作如下规定:
JG=1:
甲车道绿灯亮
YG=1:
乙车道绿灯亮
JY=1:
甲车道黄灯亮
YY=1:
乙车道黄灯亮
JR=1:
甲车道红灯亮
YR=1:
乙车道红灯亮
其中J代表甲车道,Y代表乙车道,G为绿灯,Y为黄灯,R为红灯。
三.器件说明
3.1元件清单:
(1)集成元件
芯片名称
数量
74LS190
2
74LS73
3
74LS47
2
74LS01
1
74LS27
2
74LS08
1
74LS139
2
74LS240
1
(2)数码管共阳极七段数码管两个
红色LED两个,黄色LED两个,绿色LED两个
(3)电阻470Ω一只47KΩ一只5Ω一只
(4)电容10μF两片
(5)开关单刀双掷开关两只
3.2.主要器件的引脚排列图和功能表
3.2.174LS190引脚图:
74LS190功能表:
输入
输出
C
B
A
QD
QC
QB
QA
0
*
*
*
d3
d2
d1
d0
d3
d2
d1
d0
1
0
0
↑
*
*
*
*
加计数
1
0
1
↑
*
*
*
*
减计数
1
1
*
*
*
*
*
*
保持
3.2.274LS47引脚图:
74LS47功能表:
3.2.374LS73(JK触发器)引脚图:
74LS73(JK触发器)功能表:
JK
K
Qn
Qn+1
功能说明
00
00
0
1
1
0
保持原状态
01
01
0
1
1
0
输出状态与J状态相同
10
10
0
1
1
0
输出状态与J状态相同
11
11
0
1
1
0
每输入一个脉冲
输出状态改变一次
3.2.474LS139引脚图:
74LS139功能表:
3.2.574LS240引脚图:
74LS240功能表:
四.设计过程
4.1秒脉冲发生器
脉冲发生器是由555定时器构成的多谐振荡器,因为控制系统是以秒作为单位,所以用秒脉冲发生器,且其对信号的精度要求不高,这里选用555定时器来构成。
555定时器组成的秒脉冲CP1的周期为:
T≈0.7(R1+2*R2)*C,若T=1s,令C=10µF,R1=47kΩ,R2=47kΩ。
根据计算结果,脉冲发生器设计如图2所示,它向计数电路提供的秒计时CP脉冲,周期可通过下式:
T1=(R1+R2)CLn2
T2=R2Cln2
T=T1+T2
设定电路原理图。
原理图,波形图如下图所示:
脉冲发生器原理图
4.2倒计时及数字显示模块
原理:
通过单时钟异步十进制减计数器74LS190(2片)来实现25s倒计时。
通过74LS47(2片)译码器连接数码管输出数据.
原器件的选择及参数:
计数器选用集成电路74LS190进行设计较简便。
74LS190是十进制异步可逆计数器,它具有异步并行置数功能、保持功能。
74LS190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。
译码器采用74LS47(2片)、倒计时显示采用共阳极七段数码管作为显示,它由计数器驱动并显示计数器的输出值。
现选用两个74LS190芯片级联成一个从99倒计到00的计数器,即其中作为个位数的74LS190芯片的CLK接秒脉冲发生器(频率为1Hz),由于74LS190是上升沿有效,可把个位数74LS190芯片输出端的RC与十位数的74LS190芯片的CLK连起来。
当个位数减到0时,再减1就会变成9,从0(0000)到9(1001)之间RC由0变为1,十位数的74LS190芯片实现减一。
个位和十位的置数是分别进行的。
当数码管从99倒计到00,再减一就会变到99,此时进行置数。
十位数74LS190芯片的
引脚的输入信号由它本身的QD引脚加非门连接,个位数74LS190芯片的
引脚的输入信号由十位的QD和个位的QD用与非门连起来。
工作开始时,数码管显示00,减一时,LD为0,计数器预置数24,置完数后,LD变为1,计数器开始倒计时。
当倒计时减到数00时,再减一,LD又变为0,计数器又预置数24,之后又倒计时,如此循环下去。
具体接法如下图:
4.3控制器
控制器是交通管理的核心,它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
对于甲乙两路红绿黄六只灯,我们把甲路的红灯和乙路的黄绿灯分为一组,乙路的红灯和甲路的黄绿灯分为一组,两组分别控制,具体一组控制过程如下。
1)红灯控制过程:
如下表所示,正常情况下,令J=1,K=1,控制器І中的JK触发器FF1作为时序寄存器产生2种状态,控制器І状态转换的条件为QD,上电复位后,如果QD=1,则控制器І状态不变;如果QD=0,则控制器І转换到Qn+1=1,Qn+1=0状态。
这两种情况只与条件TR有关,即与一侧红灯的亮灭周期有关。
一个周期结束后,控制器І状态就会改变一次,从而实现两侧红灯交替闪烁。
控制器І:
红灯工作状态表
输入
输出
现态
状态转换条件
次态
Qn
QD
Qn+1
Qn+1
0
01
0
1
1
10
1
0
2)黄、绿灯控制过程:
如下表所示,正常情况下,令两个JK触发器的J、K都等于1,由红灯控制原理可知,控制器ІІ中的JK触发器FF2、FF3每个分别都可产生2种状态,从而分别控制甲乙两路的黄绿灯的交替闪烁。
但不同的是控制器ІІ的控制信号既有来自控制器І的控制信号,又有来自数码管显示信号的脉冲信号,此脉冲信号计为SF。
控制器ІІ:
一侧黄绿灯工作状态表
输入
输出
现态
数码管反馈信号
次态
绿黄
SF
黄
绿
亮灭
010
灭
亮
灭亮
010
亮
灭
控制器总图:
4.4特殊情况
对于特殊情况的要求:
当各条路中任意一条上出现特殊情况,各方向上均是红灯亮,倒计时停止,且显示数字在闪烁。
当特殊运行状态结束后,控制器恢复原来状态,继续正常运行。
我们把数码管的共阳极接到一个单刀双掷开关上,另两端的其中一端接到VCC上作为正常情况使用,另一端接到秒脉冲发生器的输出端在特殊情况下实现闪烁。
应用同样的原理,两片74LS190的使能端CT也通过单刀双掷开关连到GND和VCC,通过控制使能端的电平高低控制计数器的计数还是保持。
对于各方向上红灯持续亮,可以把缓冲器74LS240的使能端接到CT,从而在特殊情况下,控制使能端,使其出现高电平,只有输入,没有输出,进而两条路的黄路灯都不亮。
并且控制红灯的信号与74LS190的使能信号通过2输入或门输出到红灯,对红灯进行控制,实现题目要求。
4.5附加功能
1)交通灯附加蜂鸣器,发生特殊情况时蜂鸣器报警,电路图如下:
2)通行时间可调,在两片74LS190处加入两只开关,一只加在十位的QA端对置数结果产生影响,可置数为2或3;一只加在个位的RCO输出端对是否置数产生影响,从而出现25s、29s、35s、39s等4种通行时间,控制开关,即可实现调节。
五.综合电路图
六.仿真调试过程
在软件调试过程中,我们遇到以下几个问题:
(1)在倒计时模块置数方面,由于不清楚190的置数为异步,出现不理想的结果,最后通过查资料解决了此问题。
(2)在显示译码器选择方面,刚开始选用的是共阴极显示译码器,连接正确但无法正常显示,最终采用74LS47共阳极显示译码器,解决此问题。
(3)在实现特殊情况与正常工作状态切换时,开始采用多个开关控制,经过进一步的仿真与探索,最终利用低电平对脉冲信号的屏蔽,实现一个开关控制状态转换。
(4)由于用1HZ的脉冲仿真的时候过程进行的太慢,所以用150HZ代替来模拟仿真。
七.设计体会及收获
课程设计是在数字电子技术的基础上进行展开设计与学习的。
通过这次课程设计,我对数字电子技术基础这门课程有了更深一步地理解。
掌握了由555定时器构成所需频率脉冲发生器的方法,熟悉了由真值表列表达式、设计实现电路的过程,并掌握了计数器实现特定要求进制的减计数及其预置数的方法,电路原理和连接,和芯片上的选择。
巩固数字逻辑电路的理论知识,对190计数器更加了解,懂得它的功能与其它芯片替换等,同时也学会了各种常见元件的使用,为进一步学习课本知识奠定了坚实的基础。
使用JK触发器从书本上的理论知识联系到实际,让我更加了解它的功能。
同时做课程设计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。
并借此机会了解了用MULTISIM软件仿真电路图的方法,在这次设计中学到了一些东西,不仅仅是电路上的知识,更是一种科研能力、独立思考的能力、对知识的热爱,这将会在我未来的学习工作中带来很大的帮助。
另外,这次课程设计的磨练增强了我的自信心,一切皆有可能,要学会懂得付出,我相信做事只要有恒心,有毅力就一定能取得成功。
三周以来,老师们精心的辅导让我感到很感动。
特此,感谢这些天来老师的耐心辅导,正因为有老师的帮助,我的课程设计才能顺利的完成,才能懂得更多的理论与实践知识。
参考文献
[1]韩学军.数字电子技术基础.北京:
中国电力出版社,2005.
[2]阎石.数字电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2003.
[3]康华光.电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2004.
[4]王义军.数字电子技术基础.北京:
中国电力出版社,2007.
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