数电交通灯课程设计doc.docx
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数电交通灯课程设计doc
贺州学院
数字电路课程设计报告书
课题名称
交通灯控制电路
姓名
学号
系部
物理与电子信息工程系
专业
电气工程及其自动化
指导教师
2010年12月7日
一、设计任务及要求:
设计任务:
设计一个十字路口的交通灯控制电路
要求:
1、要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行,每次通行时间都设为25秒;
2、要求黄灯先亮5秒,才能变换运行车道;
指导教师签名:
20年月日
二、指导教师评语:
指导教师签名:
20年月日
三、成绩
20年月日
目录
1设计目的………………………………………………………4
2设计思路………………………………………………………4
3设计过程………………………………………………………4
3.1方案论证……………………………………………………4
3.2电路设计……………………………………………………6
3.2.1秒脉冲发生器………………………………………………………6
3.2.2定时器………………………………………………7
3.2.3控制器………………………………………………9
3.2.4译码电路……………………………………………10
3.2.5显示部分……………………………………………11
3.2.6总原理图……………………………………………12
4系统调试与结果………………………………………………12
5主要元件………………………………………………………12
6结论……………………………………………………………13
7设计心得体会…………………………………………………13
8附录……………………………………………………………13
8.1总原理图……………………………………………………13
8.2PCB图………………………………………………………14
9参考文献…………………………………………………………14
交通灯控制电路
摘要:
交通信号灯常用于交叉路口,用来控制车辆的流量,提高交叉路口车辆的通行能力,减少交通事故。
本交通灯设计主要由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路组成。
秒脉冲发生器由NE555产生脉冲,定时器由74LS161实现,控制器由74LS161和74LS74组成,译码电路采用74LS48和七段数码管来显示。
控制器通过ST信号对定时器进行控制,从而显示红黄绿灯的转换。
关键字:
交通灯控制器秒脉冲发生器定时器译码器
1、设计目的
(1)熟悉集成电路的引脚安排。
(2)掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。
(3)了解面包板结构及其接线方法。
(4)了解数字交通灯控制电路的组成及工作原理。
(5)学会用仿真软件对设计的原理图进行仿真。
(6)熟悉数字交通灯控制电路的设计与制作。
2、设计思路
(1)设计秒脉冲发生器
(2)设计交通灯定时电路
(3)设计交通灯控制电路
(4)设计交通灯译码电路
(5)设计交通灯显示时间电路
3设计过程
3.1方案论证
方案一用数电电子技术来实现交通灯控制
交通灯控制系统的原理框图如图1-1所示。
它主要由控制器、定时器、译码器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定时器和控制器的标准时钟信号源,译码器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,控制器是系统的主要部分,由它控制定时器和译码器的工作。
图中:
TL:
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为20秒,即车辆正常通行的时间间隔。
红灯亮30秒,即车辆停止通行的时间间隔。
定时时间到,TL=1,否则,TL=0。
TY:
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到,TY=1,否则,TY=0。
ST:
表示定时器到了规定的时间后,由控制器发出状态转换信号。
由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
图1-1系统的原理框图
交通灯控制器的ASM如图1-3所示
(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隔TL时,控制器发出状态信号ST,转到下一工作状态。
(2)乙车道黄灯亮,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TY时,控制器发出状态转换信号ST,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TL时,控制器发出状态转换信号ST,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TY时,控制器发出状态转换信号ST,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器进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、11、10,并分别用S0、S1、S3、S2表示,则控制器的工作状态及功能如表1、2所示,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,并作如下表1-2规定:
表1-2
控制状态
信号灯状态
车道运行状态
S0(00)
甲绿、乙红
甲车道通行,乙车道禁止通行
S1(01)
甲黄、乙红
甲车道缓行,乙车道禁止通行
S3(11)
甲红、乙绿
甲车道禁止通行,乙车道通行
S2(10)
甲红,乙黄
甲车道禁止通行,乙车道缓行
AG=1
甲车道绿灯亮
甲车道通行
BG=1
乙车道绿灯亮
乙车道通行
AY=1
甲车道黄灯亮
甲车道缓行
BY=1
乙车道黄灯亮
乙车道缓行
AR=1
甲车道红灯亮
甲车道禁止通行
BY=1
乙车道红灯亮
乙车道禁止通行
由此得到交通灯的ASM图,如图1-3所示。
设控制器的初始状态为S0(用状态框表示S0),当S0的持续时间小于25秒时,TL=0(用判断框表示TL),控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于25秒时,TL=1,控制器发出状态转换信号ST(用条件输出框表示ST),并转换到下一个工作状态。
图1-3交通灯的ASM图
方案二用单片机技术来实现交通灯控制
用单片机技术来来实现交通灯控制是最容易实现的,而且该电路可靠性也很高,但是这是要求设计者要有单片机编程的基础上才能完成设计。
由于本人单片机编程基础不是很好,所以选用了数字电子技术来实现交通灯控制。
3.2.单元电路的设计
3.2.1秒脉冲发生器
秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成,其中R8=15K、R9=68K,C3=10uF的电阻电容值决定了脉冲宽度。
既T=(R8+2R9)C2ln2当T=1S,即可凑出R8、R9、C3其中C3=0.01uF是为了保持输出的波形的稳定。
如图1-4所示,R9=68K、C3=10uF组成一个串联RC充放电电路,在NE555的7脚上输出一个方波信号,C3上得到一个三角波。
此三角波送到NE555的2脚输入端。
由NE555内部的比较器和门电路共同作用,维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。
图1-4秒脉冲发生器原理图
秒脉冲还可以由芯片CD4060和74LS74及其外围电路构成如图1-4-4,该电路选用石英晶体结构成振荡器,在经过分频电路得到秒脉冲。
振荡器的频率越高,计时精度越高。
如果精度要求不高也可以采用集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器以及由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。
因此,该设计选着由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器来产生秒脉冲。
图1-4-4石英晶体和分频器构成的秒脉冲发生器
3.2.2定时器
定时器由与系统秒脉冲(由时钟脉冲产生器提供)同步的计数器构成,要求计数器在状态信号ST作用下,首先清零,然后在时钟脉冲上升沿作用下,计数器从零开始进行增1计数,向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS160进行设计较简便。
74LS160是10进制同步加法计数器,它具有异步清零、同步置数的功能。
74LS160功能表如表4-1所示。
表4-1
CLK
RD’
LD’
EPET
工作状态
X
↑
X
X
↑
0
1
1
1
1
X
0
1
1
1
XX
XX
01
X0
11
置零
预置数
保持
保持(C=0)
计数
表中RD’是低电平有效的同步清零输入端,LD’是低电平有效才同步并行置数控制端,EP、ET是计图1-3交通灯的ASM图数控制端,CO是进位输出端,D0~D3是并行数据输入端,Q0~Q3是数据输出端。
设计如图1-5
图1-5交通灯定时器
其工作原理为:
由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CLK分别送给两个74LS160的清零端9处。
如图所示:
输入端3.4.5.6分别接地.。
U1的7和10由U2的11、14经过与门相与后相连。
.即:
只有当时11、14处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲。
当U13C74LS04的ST信号分别送给U1和U2的LOAD。
就可以得到TY和TY非是秒脉冲的5倍;TL和TL非的结果是秒脉冲的25倍。
除此,还可以用74LS163来实现这个定时器。
但是由于该芯片不是十进制的计数器,因此在进位时要加上一个与门,设计如下图1-5-5。
因为该电路与1-5的定时电路多用了一个与门,因此不选用。
图1-5-5由74LS193构成的定时电路
3.2.3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。
列出控制器的状态转换表,如表1-6所示。
选用两个D触发器74LS74做为时序寄存器产生4种状态,控制器状态转换的条件为TL和TY,当控制器处于Q1n+1Q0n+1=00状态时,如果TL=0,则控制器保持在00状态;如果,则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。
这两种情况与条件TY无关,所以用无关项"X"表示。
其余情况依次类推,就可以列出了状态转换信号ST。
表1-6控制器状态转换表
根据上表可以推出状态方程和转换信号方程,其方法是:
将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与,其中"1"用原变量表示,"0"用反变量表示,然后将各与项相或,即可得到下面的方程:
根据以上方程,选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数,将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号.即可实现控制器的功能。
控制器原理图如图1-7所示。
图中R、C构成上电复位电路。
由两个双多路转换器74LS153和一个双D触发器74LS74组成控制器。
触发器记录4种状态,多路转换器与触发器配合实现4种状态的相互交换。
图1-7交通灯控制器
其原理为:
CLK分别送给U6A和U6B的3和11的清零端。
将TY接入U4的5和U5的4和5;TY非接入U4的4。
如上图所示:
74LS74两个D触发器作为时序寄存器产生4种状态。
选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数,将触发器的的现态值加到74LS153的数据选择端作为控制信号,即可实现控制器的功能。
3.2.4译码电路
译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态,翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。
控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表1-8所示。
表中A、B代表甲、乙车道。
表1-8控制器状态编码与信号灯关系表
Q1Q0
AG绿灯
AY黄灯
AR红灯
BG绿灯
BY黄灯
BR红灯
00
1
0
0
0
0
1
01
0
1
0
0
0
1
10
0
0
1
1
0
0
11
0
0
1
0
1
0
由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CLK脉冲,一部分送给了定时器的74LS160芯片,另一部分送给了控制器的74LS74芯片。
在脉冲ST同时加到定时器74LS160芯片的情况下,通过芯片74LS10将会输出TY、TY非;TL、TL非。
即TY和TY非放大的结果是秒脉冲的5倍;TL和TL非放大的结果是秒脉冲的25倍。
前者输出的信号是后者的1/5。
将定时器输出的TY。
TY非;TL。
TL非分别作用于控制器的芯片74LS153中,在CLK脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。
控制器中的信号在送给由芯片74LS08组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路,这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。
电路图设计如图1-9
图1-9译码器部分原理图
3.2.5显示部分
显示部分由74LS48和共阴极七段数码管组成,74LS48作为译码器,对74LS160的输出信号进行译码,然后通过七段数码管显示出74LS160的计数。
即交通灯需要显示的时间。
其设计如图1-9
图1-9由74LS48和数码管组成的电路
4系统调试与结果
(1)组装调试秒脉冲电路。
(2)进行定时电路的组装和调试。
当输人1Hz的时钟脉冲信号时,要求电路能进行增计时,当增计时到25时,能输电有效的定时时间到信号。
(3)调试交通灯控制器以及显示部分。
(4)判断各部分电路之间的时序配合关系。
然后检查电路各部分的功能,使其满足设计要求。
最终调试如下:
接上电源,便可以进行交通灯控制系统的仿真,电路默认把通车时间设为25秒,甲车道方向绿灯亮,行人车辆都可自由通行;乙车道方向车道的红灯亮,车辆禁止通行。
时间显示器从预置的0秒,以每秒增1,增到25到0时,甲道的绿灯转换为黄灯,其余灯都不变。
从增至5秒又到0后时甲车道的黄灯转换为红灯;乙车道的红灯转换为绿灯。
如此循环下去。
5主要元件
集成电路:
NE55—1片74LS160—2片74LS08—2片74LS04—2片
74LS153—2片74LS74—2片74LS48—2片5106AS—2片
74LS20—1片(74LS04芯片含有4个非门,08、20芯片同上)
电阻:
200欧姆—9个15K欧姆—1个68K欧姆—1个
电容:
0.01uF—1片10uF—2片
其他:
发光二极管—6个
6、结论
1、能实现的功能
交通灯的状态转换和计时时间的显示,基本能实现甲、乙道路直行和转弯灯的显示功能。
2、不足之处
交通灯中没有右转灯,用的芯片太多。
7、设计心得体会
开始拿到题目的时候,不知道怎么去做,因为已经有半年没看数电了,自己对这门课的设计都不是很会,对很多的芯片的功能都不是很清楚,而且还要带一个专升本的同学去做这个设计,所以做得特别认真。
从收集资料到仿真在到做实物一共用了半个月的时间。
在做PCB板的时候,花了很长的时间去布线,由于芯片太多,线很乱不得不手动布线,一共用了一天的时间才做好。
通过这次课程设计,加强了我动手、思考和解决问题的能力.现在设计已经做好了,但是控制器控制信号灯不是很好。
虽然花了很多的时间,但学到了很多东西。
做课程设计的时候,自己把整个书本都看了几遍,增强了自己对知识的理解,很多以前不是很懂的问题现在都已经一一解决了。
在课程设计的过程中,我想了很多种方案,对同一个问题(像计数器的接法)都想了很多种不同的接法,运用不同的芯片进行了比较,最后还是采取了上面的方法进行连接。
8、附录
8.1总原理图1-10和1-11(如下)
图1-10仿真图一
图1-11仿真图二
8.2PCB图
9、参考文献
[1]康华光.电子技术基础.北京:
高等教育出版社,1999年
[2]罗杰等编.电子技术基础试验.北京:
高等教育出版社,2008年
[3]金唯香等编.电子测试技术.长沙:
湖南大学出版社,2004年
[4]阎石.数字电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2001年
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- 特殊限制:
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