数字电子技术课程设计交通灯.docx
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数字电子技术课程设计交通灯
第一章设计思路
1.1设计任务与要求
①设计一个十字路口交通灯控制电路,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25秒;
②要求黄灯先亮5秒,才能变换运行车道;
③黄灯亮时要求每秒闪亮一次。
1.2设计分析
①用交通灯控制十字路口的车辆通行,绿灯通行,黄灯缓行,红灯停止,每次通行25秒,则要求绿灯每次亮25秒。
②绿灯亮25秒后变成黄灯,黄灯再亮5秒,当甲车道亮绿灯时,乙车道红灯亮,那么当甲车道亮黄灯时,车辆缓行,此时乙车道不能通行,故亮红灯,所以红灯亮30秒。
③黄灯闪亮,只需将黄灯的控制信号与时间的秒信号相与即可。
1.3设计原理与框图
为了确保十字路口的车辆顺利、通畅地通过,往往都采用自动控制的红、黄、绿的交通灯来进行指挥。
其中红灯亮,表示该道路禁止通行;黄灯亮表示该道路上未过停车线的车辆禁止通行,已过停车线的车辆缓慢通行;绿灯表示该道路允许通行。
交通灯的控制系统框图如图1-1所示:
它主要由控制器、分频器、倒计时器和时标等部分组成。
时标以秒脉冲发生器产生,倒计时器显示两组信号灯的控制时间,分频器将时标秒信号进行五分频,并将信号提供给控制器,控制器是系统的主要部分,由它控制倒计时器,和红绿黄灯的显示情况。
第二章总体设计方案
(1)两车道的运行状态共4种,如表2-1所示
控制器状态
信号灯状态
车道运行状态及时间
S0(00)
S1(01)
S2(11)
S3(10)
南北绿,东西红
南北黄,东西红
南北红,东西绿
南北红,东西黄
南北通行,东西禁止通行(5t)
南北缓行,东西禁止通行(t)
南北禁止通行,东西通行(5t)
南北禁止通行,东西缓行(t)
表2-1控制器工作状态及其功能
表中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR,NSY,NSG;东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR,EWY,EWG。
它们的工作方式,有些必须是并行进行的,即南北方向绿灯亮,东西方向红灯亮;南北方向黄灯亮,东西方向红灯亮;南北方向红灯亮,东西方向黄灯亮。
应满足两个方向的工作时序,即东西方向亮红灯的时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和。
同理,南北方向亮红灯的时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。
本方案取时间t=5s,则南北、东西方向亮绿、黄、红灯时间分别为25s、5s、30s。
其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和,黄灯是间歇闪耀。
(2)十字路口要有数字显示作为时间提示,以方便人们更直观地把握时间。
具体应为当某方向绿灯亮时,置显示器为某值,然后以每秒减1计数方式,直至减到数为“0”,十字路口红、绿灯交换,一次工作循环结束,而进入下一步某方向的工作循环。
例如当南北方向从红灯转换成绿灯时,置南北方向数字显示为30,并使计数器开始减“1”计数。
当减到绿灯灭而黄灯亮(闪耀)时,数显示应为5,当减到“0”时,此时黄灯灭,而南北方向的红灯亮;同时,使得东西方向的绿灯亮,并置东西方向的数显为30。
时序工作流程图如图2-2所示:
图2-2
(3)时标直接由集成的时钟信号源提供1s的单位秒脉冲;倒计时器由4块74LS192两两组合,分别记录南北、东西方向的通行情况,数字显示由四块集成的4输入端数码管承担;时间t=5s,有74LS161的五分频信号提供;控制器由2块74LS194组成扭环行12进制计数器,提供红黄绿灯的控制信号,再由集成的虚拟交通灯模拟红黄绿的显示情况。
第三章单元电路设计
3.1时标电路
秒脉冲由如图3-1所示的集成时钟信号源提供,本方案信号源采用5V的电压,它是整个电路的基准时间信号,它的秒脉冲直接提供给分频器74LS161,并触发其工作。
图3-1
3.2分频电路
该分频电路为五分频,具体设计情况如图3-2所示:
图3-2
4位同步二进制计数器74LS161的封装及功能表见附录,将芯片的始能端ENP、ENT,清零端(低电平有效),电源端接5V(高电平),输出端QC五进制的进位端通过74LS04非门反馈给置数端LOAD(低电平有效),输入端A、B、C、D均接地(低电平),计数器从0开始计时,当计数到4时,输出端QC为1(高电平),此时置数端LOAD有效,输入端重新置为0,如此循环,计时器反复从0-4计五个数,该过程中CLK,QA,QB,QC的波形依次如图3-3所示:
图3-3
由波形图可知图3-2中的计数器是下降沿触发的,QB,QC均为五分频信号,本方案中选择QC信号并输入给下级的核心控制电路,作为74LS194的触发信号。
3.3核心控制电路及显示
控制电路部分由两块74LS194组成扭环行12进制计数器,然后经74LS04的非门与74LS08的与门译码,输出给十字路口南北、东西两个方向的信号灯,其中的黄灯信号与时标秒信号相与即可获得每秒闪亮一次的信号。
扭环行计数器的状态表如下所示
计数器输出
南北方向
东西方向
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
NSG
NSY
NSR
EWG
EWY
EWR
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
2
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
3
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
4
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
5
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
1
6
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
7
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
8
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
9
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
10
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
11
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
根据状态表,可列出东西、南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式:
东西方向绿:
EWG=Q4·Q5’
黄:
EWY=Q4’·Q5(EWY’=EWY·CP)
红:
EWR=Q5’
南北方向绿:
NSG=Q4’·Q5
黄:
NSY=Q4·Q5’(NSY’=NSY·CP)
红:
NSR=Q5
具体电路图3-4设计如图所示:
图3-4
74LS194四位双向移位寄存器的引脚与功能表见附录,将其中一片74LS194的QD接至另一片的SR,将另一片的QA接到这片的SL,同时把两片的S1、S0、CLK和~CLR分别并联即可变成8位的双向移位寄存器,如上图所示电路只采用右移功能,故只将左边的74LS194的QD接至右边的SR,再降右边输出端的QB接方向器非门反馈给左边的SR,作为右移的输入信号,从而行成扭环12进制计数器,另上图两片74LS194输出端的QA、QB、QC、QD从左至右分别为Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8。
按东西、南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式连接成上图所示电路的右边部分,黄灯闪亮则需将EWY和NSY分别与时标信号相与。
图中上面的交通灯模拟东西方向,下面的则模拟南北方向。
另外,S0、~CLR接高电平,S1接低电平,CLK接上级的五分频信号。
并将东西、南北方向的黄灯信号与时标秒脉冲相与(EWY’=EWY·CP和NSY’=NSY·CP)的反向信号分别输出给下级南北、东西方向倒计时器的置数端,东西、南北反向的红灯信号和时标秒脉冲的与信号分别输出给下级南北、东西方向倒计时器,作为触发信号。
3.4倒计时显示电路
电路具体设计如图3-5所示,左边两块74LS192和集成数码管记录和显示南北方向红灯亮的时间,右边两块74LS192和集成数码管记录和显示东西方向红灯亮的时间。
将低位74LS192的借位输出端(~BO)和进位输出端(~CO)分别接至高位的减计数时钟输入端(DOWN)和加计数时钟输入端(UP),组成两位十进制计数器。
本计数器用来倒计时,将减计数时钟输入端(DOWN),接上级相应控制电路红灯信号和时标秒脉冲的与信号,低位的加计数时钟输入端(UP)接5V的高电平,置数端接上级相应控制电路黄灯信号与时标秒脉冲相与的反向信号,置数输入端都置成30,异步清零(CLR)接地(低电平)。
图3-5
第四章电路总图
第五章元件清单
第六章接线与调试
画好电路原理图已经是件不易的事了,然接下来的接线与调试也决不是易事。
先是按原理图领实验箱、接线图和必需芯片,领芯片的时候就出洋相了,和很多一样每个门电路都写一块芯片,实验室的老师开玩笑道:
这拿完家底都不够呢!
接着就是和同组的同学接线,反反复复接了两三次,一连也接了两三天。
接线绝对是个技术活,一是要对实验箱的各个必需的模块有个大致了解。
如电路板的等位点的分布,实验箱的开关按钮的用法,这是每组都需清楚的,我们这次做的课题是交通灯,那么数码管、模拟交通灯也是必需要了解的。
二是把线插稳、芯片插好,就一般的直直的插进去很容易脱落,所以插时用镊子将线头做适当的弯曲是必要的,芯片是要先对准孔再插,用力不能过大,不然容易损坏引脚。
三是了解芯片的管脚排列,同学们这次用的芯片型号多种,但引脚数目只有两种,即14和16。
每块芯片都有个缺口,14引脚的芯片从的下方第一个引脚开始编号依次为1、2、3、4、5、6、7,上方从远离缺口的那个引脚开始依次为8、9、10、11、12、13、14。
16引脚的芯片排列同理。
还有个相似的地方,即缺口上方的16号和14号引脚都是芯片的电源端,缺口下方最后的8号和7号引脚都是芯片的接地端。
其他的引脚则多少有些不同了,然有点芯片引脚间还是有些规律性的排列的,如门电路芯片。
接线时原理图中芯片上的编号与实物的芯片编号是一一对应的,接线时明白这一点很重要。
最后是查错与调试电路,电路可以分模块调试,如交通灯,我们接好倒计时与其显示电路后,将置数端接地,检验其置数功能。
接完整个线路后,通电播通开关,即可调试整个电路了,若没达到理想的结果,可以照着电路图一个引脚一个引脚的查错,错线改正,缺线补上。
原理图的实现,需要正确的接线,当然要是有个清晰简明的原理图也会事半功倍。
第七章心得体会
两周的课程设计,不知不觉中到了该划句号的时候了。
从开始接课题,到设计图纸,到接线实物。
一步一个脚印,现在想想仍是那么清晰可见。
头个星期一班长就把我们组召集来见老师,老师很帅气。
他就给我们布置了两个课题数字钟和交通灯,两人一组,自选课题。
听老师的口气数字钟是要复杂些的,心里默叨:
我要挑战数字钟。
接下来两三天都过去了,图纸还没敲定,武断换了自认为容易的交通灯。
事后,对这个决定遗憾过,但我不后悔,更没再放弃。
实际上的交通灯也没想象中的简单,回想那些日子的坚韧,就算再怎么搞不出图纸,也没再轻易放弃。
而是,看参考书目,读人家课设报告。
最后,敲定书上的一个交通灯案例,借它的思路,用自己手头拥有的芯片,模块化设计,实现交通灯的功能。
事实证明:
我对了。
接线的调试,图纸的实现,也不是个轻易活。
按调试好的图纸接线,和组员合作,我念线头他插接,每每到了最后的几条接线时,心跳加快,呼吸急促。
不禁问:
期待的结果会出现不,等待结果的时分是那么地让人激动不已啊!
第八章附录
芯片引脚与功能表
4位同步二进制计数器74LS161的引脚及功能表
输入
输出
CR
CP
LD
CEP
CET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0
0
0
0
1
↓
0
Ф
Ф
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↓
1
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↓
1
Ф
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↓
1
1
1
Ф
Ф
Ф
Ф
状态码加1
双向移位寄存器74LS194的引脚与功能表
双时钟十进制同步加/减计数器74LS192引脚图与功能表
参考文献
《数字电路与可编程技术实验教程》/吴俊鹏,孟昭林,附小晶主编—哈尔滨:
哈尔滨工程大学出版社,2007.3
《电子技术基础实验与仿真》/孙胜麟,郭照南主编—长沙:
中南大学出版社,2008.10
《数字电子技术基础》/阎石主编;清华大学电子学教研组编.-5版.-北京:
高等教育出版社,2006.5(2010重印)
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