數(shù)電交通信號(hào)燈控制器設(shè)計(jì).doc

武漢理工大學(xué)交通信號(hào)燈控制設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書交通信號(hào)燈控制器設(shè)計(jì)1 方案設(shè)計(jì)意義及要求1.1 方案設(shè)計(jì)意義現(xiàn)代城市中，人口和汽車日益增長(zhǎng)，市區(qū)交通也日益擁擠，人們的安全問(wèn)題也日益重要。因此，紅綠交通信號(hào)燈成為交管部門管理交通的重要工具之一。有了交通燈人們的安全出行有了很大的保障。 自從交通燈誕生以來(lái)，其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)就不斷的被改進(jìn)，設(shè)計(jì)方法也開始多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化。尤其是近幾年來(lái)，隨著電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路分析和設(shè)計(jì)方法有了很大的改進(jìn)，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化也已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不可缺少的工具和手段，這些為交通燈控制電路的設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。1.2 方案設(shè)計(jì)要求運(yùn)用模擬 電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)以及電路原理的相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)出交通信號(hào)燈的控制電路，完成下列的要求：1. 假設(shè)一路口為東西南北走向。初始狀態(tài)0為東西紅燈，南北紅燈，2. 然后轉(zhuǎn)狀態(tài)1東西綠燈通車，南北紅燈。3. 過(guò)25s轉(zhuǎn)狀態(tài)2，東西綠燈滅，黃燈閃爍5次，南北仍紅燈。4. 再轉(zhuǎn)狀態(tài)3，南北綠燈通車，東西紅燈亮。5. 過(guò)20s轉(zhuǎn)狀態(tài)4，南北綠燈滅，閃5次黃燈，東西仍是紅燈。6最后循環(huán)至狀態(tài)1，如此不斷周期循環(huán)下去。 2 方案設(shè)計(jì)內(nèi)容21 方案設(shè)計(jì)思路方案設(shè)計(jì)要求南北方向和東西方向的交通信號(hào)燈的周期不一樣，南北方向是紅燈30秒、綠燈25秒、黃燈閃爍3秒。東西方向是紅燈25秒、綠燈20秒、黃燈閃爍5秒。但是南北方向和東西方向是相對(duì)稱的，其交通信號(hào)燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：狀態(tài)2南北紅燈亮 5秒東西黃燈閃 5秒狀態(tài)1南北紅燈亮25秒東西綠燈亮20秒狀態(tài)4南北黃燈閃 5秒東西綠燈亮 5秒狀態(tài)3南北綠燈亮20秒東西綠燈亮20秒圖2-1 交通指示燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 2.2 方案設(shè)計(jì)2.2.1 方案一（個(gè)人方案）設(shè)計(jì)原理交通信號(hào)燈控制原理圖如下圖所示：計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)五十五進(jìn)制555定時(shí) 器計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)五進(jìn)制移位寄存器南北方向信號(hào)燈東西方向信號(hào)燈 圖2-2 交通信號(hào)燈控制原理圖 根據(jù)設(shè)計(jì)方案的要求，我們可以依據(jù)南北方向和東西方向交通信號(hào)燈的亮滅情況畫出以下的時(shí)序狀態(tài)圖： 圖2-3 交通信號(hào)燈狀態(tài)時(shí)序圖 首先用NE555定時(shí)器產(chǎn)生1Hz脈沖作為時(shí)鐘脈沖信號(hào)源，用74LS161構(gòu)成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，產(chǎn)生五進(jìn)制數(shù)，并且每五秒自動(dòng)清零，同時(shí)利用清零信號(hào)給74LS164移位寄存器一個(gè)脈沖信號(hào)，使移位寄存器每5秒發(fā)生一次移位，然后通過(guò)74LS164移位寄存器分別實(shí)現(xiàn)5秒，20秒，25秒和30秒的循環(huán)控制，30秒后禁止信號(hào)輸入移位寄存器，再過(guò)25秒信號(hào)又可以重新輸入移位寄存器，這樣就可以分別使東西方向和南北方向?qū)?yīng)的紅燈和綠燈亮和滅，最后用黃燈信號(hào)和脈沖信號(hào)源進(jìn)行與邏輯運(yùn)算，使得黃燈能夠每秒閃爍一次，閃爍時(shí)間為5秒。由于南北方向和東西方向的紅燈和綠燈的亮滅的時(shí)間不相等，南北方向紅燈亮30秒，綠燈亮25秒，黃燈閃爍5秒；東西方向紅燈亮25秒，綠燈亮20秒，黃燈閃爍5秒，所以南北方向周期為30秒，東西方向周期為25秒，總周期為55秒。因此利用一片74LS161和構(gòu)成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的74LS161級(jí)聯(lián)起來(lái)構(gòu)成一個(gè)55進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，再利用其清零端接到74LS164移位寄存器的清零端，實(shí)現(xiàn)移位寄存器的每55秒清一次零，從而達(dá)到對(duì)南北方向和東西方向周期不相等的控制，達(dá)到方案設(shè)計(jì)的要求?？傠娐穲D見附錄2.2.2 方案二（小組方案）設(shè)計(jì)原理 人機(jī)交互界面單片機(jī)微處理單片機(jī)微處理人行道信號(hào)燈緊急情況 控制主干道信號(hào)燈圖2-4 方案二電路原理框圖 通過(guò)單片機(jī)寫入符合題意的程序，之后小組的成員還一起討論了，還增加了紅燈時(shí)長(zhǎng)可編輯、緊急情況的控制和人行道紅路燈等附加功能，再接上一定的外圍電路，通過(guò)程序控制I/O口的輸出狀態(tài)控制所接外圍電路的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制?？傠娐穲D見附錄2.3 方案比較 方案一是利用555定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生1Hz的脈沖，利用數(shù)據(jù)選擇器的選擇功能和移位寄存器的移位功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)南北方向和東西方向不同周期的信號(hào)燈的控制，電路的設(shè)計(jì)思維容易理解，但是所用到的元器件較多較復(fù)雜，電路的接線相對(duì)要復(fù)雜。方案二是利用單片機(jī)處理器，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的功能，簡(jiǎn)單明了，便于控制，并且功能上的擴(kuò)展性也很強(qiáng)，但是相對(duì)于方案一需要更高的要求，要對(duì)匯編語(yǔ)言及單片機(jī)的工作原理有較深的理解。3 單元電路原理設(shè)計(jì)3.1 秒脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)圖3-1 秒脈沖電路原理圖時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路主要由NE555定時(shí)器、電容和電阻組成震蕩器，產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，送到狀態(tài)產(chǎn)生電路，狀態(tài)產(chǎn)生電路根據(jù)需要產(chǎn)生一定的“0” 、“1 ”信號(hào)，電路圖如下圖所示：所以時(shí)間周期就是：T=C=1s經(jīng)計(jì)算可得R1=46k R2=50k 產(chǎn)生的秒脈沖通過(guò)3端口輸出 NE555管腳圖如圖： 圖3-2 NE555管腳圖3.2 五進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)五進(jìn)制計(jì)數(shù)，用74LS161四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器能同步并行預(yù)置數(shù)據(jù)，具有清零置數(shù)，計(jì)數(shù)和保持功能，具有進(jìn)位輸出端，可以串接計(jì)數(shù)器使用。它的管腳排列如圖2-3所示：圖3-4 74LS161管腳圖 管腳圖介紹：時(shí)鐘CP和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端P0P3清零/MR使能CEP，CET置數(shù)PE數(shù)據(jù)輸出端Q0Q3以及進(jìn)位輸出TC. (TC=Q0Q1Q2Q3CET) 下圖為74LS161的功能表：表3-1 74LS161功能表 從74LS161功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端CR=“0”，計(jì)數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時(shí)，在CP信號(hào)上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。74LS161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。所以可以利用一片74LS161實(shí)現(xiàn)五進(jìn)制加計(jì)數(shù)，將CR=LD=EP=ET=“1”，D3,D2,D1,D0接地，二進(jìn)制的五為（0101），故將Q2,Q0連到同一與非門后接CR清零端，每五個(gè)脈沖清一次零，實(shí)現(xiàn)五進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，同時(shí)利用清零信號(hào)，每五秒給74LS164移位寄存器一個(gè)脈沖信號(hào)。五進(jìn)制電路連接圖如下圖所示： 圖3-5 五進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路圖3.3 五十五進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì) 因?yàn)槟媳狈较蚝蜄|西方向交通信號(hào)燈的周期不一樣，南北方向是30秒，東西方向是25秒，如果要用一片移位寄存器實(shí)現(xiàn)的話，就必須對(duì)移位寄存器定時(shí)清零，不然就會(huì)出現(xiàn)5秒的空白時(shí)間。但是總的周期是不變的，為55秒，所以利用兩片74LS161構(gòu)成五十五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，前一片接成五進(jìn)制，后一片接成十一進(jìn)制的，這樣就使前一片的74LS161參與了兩個(gè)電路功能，達(dá)到使用減少的元件實(shí)現(xiàn)較多功能的目的。同時(shí)利用第二片74LS161的清零信號(hào)接到后面移位寄存器的清零信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)每55秒清一次零，這樣就可以解決南北方向和東西方向周期不相等的問(wèn)題了。 五十五進(jìn)制電路連接圖如圖所示： 圖3-6 五十五進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路圖3.4 移位寄存器74LS164為8位移位寄存器，當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QAQH）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng)A、B 任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0 為低電平。當(dāng)A、B 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK 上升沿作用下決定Q0 的狀態(tài)。引出端符號(hào)CLOCK 時(shí)鐘輸入端 CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效） A，B 串行數(shù)據(jù)輸入端 QAQH 輸出端 74LS164封裝圖如下圖所示：圖3-7 74LS164封裝圖 74LS164邏輯圖如下圖所示： 圖3-8 74LS164邏輯圖 74LS164真值表如下圖所示：表3-2 74LS164真值表 74LS164時(shí)序圖如下圖所示： 圖3-9 74LS164時(shí)序圖采用74LS164八位移位寄存器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)南北方向紅燈30秒、綠燈25秒、黃燈5秒和東西方向紅燈25秒、綠燈20秒、黃燈5秒的控制。利用接成五進(jìn)制的74LS161的清零信號(hào)作為74LS164的觸發(fā)信號(hào)，使移位寄存器每5秒移一次位，并且利用11腳來(lái)控制移位寄存器的串行信號(hào)的輸入，即每六個(gè)脈沖到來(lái)后就禁止信號(hào)的輸入，再利用接成五十五進(jìn)制的74LS161的清零信號(hào)作為74LS164的清零信號(hào)，每55秒對(duì)移位寄存器清一次零，從而實(shí)現(xiàn)總周期為55秒的功能。移位寄存器電路連接圖如下圖所示： 圖3-10 移位寄存器電路連接圖 3.5 信號(hào)燈控制3.5.1 紅燈信號(hào)控制南北方向的紅燈亮燈時(shí)間為30秒，所以用Qf取反后與其相連；東西方向的紅燈亮燈時(shí)間為25秒，所以將Qe與Qd相與后與其相連。3.5.2 綠燈信號(hào)控制 南北方向的綠燈亮燈時(shí)間為25秒，所以用Qd和Qf相與后與其相連；東西方向的綠燈亮燈時(shí)間為20秒，所以將Qe和Qf分別取反后再相與獲得。 3.5.3 黃燈信號(hào)控制黃燈信號(hào)的獲得比綠燈、紅燈要稍復(fù)雜，南北方向的黃燈信號(hào)通過(guò)Qd和Qe相與獲得，要實(shí)現(xiàn)其每秒閃爍一次，用其再和1Hz時(shí)鐘脈沖相與即可。東西方向的黃燈信號(hào)則通過(guò)Qe與Qf取非之后相與，再和1Hz時(shí)鐘脈沖相與獲得。具體信號(hào)燈控制電路連接圖如圖所示：圖3-11 交通燈信號(hào)控制電路 4調(diào)試及檢測(cè)4.1 制作按照總的電路圖，規(guī)劃電路總布局，以使電路連接簡(jiǎn)單、明了。首先一個(gè)模塊一個(gè)模塊連接，連接好一個(gè)模塊，就檢測(cè)一個(gè)，包括芯片，電路板，及導(dǎo)線是否接正確且接穩(wěn)等，以防整體檢測(cè)時(shí)不必要的麻煩。4.2 調(diào)試過(guò)程整體連接完畢，進(jìn)行調(diào)試，看是否和仿真結(jié)果相同。如有出入，仔細(xì)檢測(cè)電路，查出問(wèn)題所在。這樣不斷調(diào)試，直到達(dá)到預(yù)期結(jié)果。首先對(duì)時(shí)鐘信號(hào)脈沖源進(jìn)行調(diào)試，看是否產(chǎn)生1Hz時(shí)鐘信號(hào)，如果不能產(chǎn)生脈沖，檢測(cè)555定時(shí)器的引腳是否接對(duì)，電阻和電容是否接正確，阻值和電容值是否正確，如果不是這些問(wèn)題，就通過(guò)換芯片，看是否是芯片的問(wèn)題，如果芯片也沒(méi)問(wèn)題，就再檢查設(shè)計(jì)原理是不是出了問(wèn)題。 再對(duì)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器和五十五進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)試，看是否為五進(jìn)制計(jì)數(shù)和五十五進(jìn)制計(jì)數(shù)，然后測(cè)試移位寄存器的工作是否正常，最后檢驗(yàn)信號(hào)燈是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，若是沒(méi)有按預(yù)期的工作，檢查邏輯門是否正常工作，導(dǎo)線是否連接到位。進(jìn)過(guò)不斷調(diào)試后，交通燈控制電路達(dá)到了預(yù)期的全部功能。4.3 調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及解決調(diào)試過(guò)程中難免發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題：（1） NE555定時(shí)器沒(méi)有產(chǎn)生1Hz的秒脈沖，而始終輸出為高電平，經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查后，發(fā)現(xiàn)原來(lái)是NE555的2腳和6腳沒(méi)有接在一起導(dǎo)致無(wú)法正常工作。（2） 74LS161五十五進(jìn)制計(jì)數(shù)器不能正常工作，后來(lái)經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)是沒(méi)有將清零信號(hào)返回到MR端所致（3） 對(duì)于小組方案，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，也出現(xiàn)了一些問(wèn)題使得單片機(jī)異常工作，但都是常見的小問(wèn)題，如：代碼中雙引號(hào)的使用并不是在英語(yǔ)書寫狀態(tài)下，輸入字母出錯(cuò)等，在調(diào)試時(shí)出現(xiàn)異常，不過(guò)這些都是經(jīng)常性錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)調(diào)試修改都一一解決，程序順利完成，并實(shí)現(xiàn)了其功能。 調(diào)試過(guò)程中雖然發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題，不過(guò)經(jīng)過(guò)檢查一一解決。5 仿真操作步驟及使用說(shuō)明5.1 仿真操作步驟5.1.1 秒脈沖源的仿真按原理圖在protues中畫好1Hz脈沖源的電路圖，在端口3（即脈沖輸出端口）接上一個(gè)示波器，開始仿真，調(diào)節(jié)示波器觀察波形及周期是否符合設(shè)計(jì)要求，不符合繼續(xù)調(diào)試直到符合，符合后進(jìn)行下一步仿真。5.1.2 五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真按原理圖在protues中用74LS161接好五進(jìn)制的電路圖，接庫(kù)文件中的1Hz脈沖源開始仿真，觀察74LS161的輸出端口高低電平變化是否符合每秒加1，每5秒鐘循環(huán)一次，不符合進(jìn)一步調(diào)試直到符合，符合后進(jìn)行下一步仿真。5.1.3 五十五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真按原理圖在protues中用74LS161接好五十五進(jìn)制的電路圖，接庫(kù)文件中的1Hz脈沖源開始仿真，觀察第二片74LS161的輸出端口高低電平變化是否符合每5秒加1，每55秒鐘循環(huán)一次，不符合進(jìn)一步調(diào)試直到符合，符合后進(jìn)行下一步仿真。5.1.4 移位寄存器的仿真按原理圖在protues中用74LS164接好電路圖，用第一片74LS161的清零信號(hào)作為移位寄存器的脈沖輸入信號(hào)，用第二片74LS161的清零信號(hào)作為移位寄存器的清零信號(hào)，再接入1Hz脈沖源開始仿真，接入示波器觀察波形，觀察是否是每5秒移位一次、每55秒清一次零。若不符合則進(jìn)一步調(diào)試直到符合，符合后再進(jìn)行下一步仿真。5.1.5 設(shè)計(jì)電路整體仿真 在原有電路的基礎(chǔ)上按照電路原理圖連接上南北方向和東西方向的交通信號(hào)燈，之后開始仿真，看是否符合設(shè)計(jì)方案的要求，若不符合則進(jìn)一步調(diào)試直到成功為止。5.2 使用說(shuō)明 打開仿真程序后，點(diǎn)擊仿真開始按鈕開始仿真，觀察南北方向和東西方向的交通信號(hào)燈的亮滅情況是否符合設(shè)計(jì)方案的要求。 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。此次課程設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨(dú)立思考解決問(wèn)題，出現(xiàn)差錯(cuò)的隨機(jī)應(yīng)變，和與人合作共同提高，都受益非淺。總的說(shuō)來(lái)有以下幾點(diǎn)心得體會(huì)：1、通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們通過(guò)這個(gè)方案包括設(shè)計(jì)了一套電路原理和芯片上的選擇，并實(shí)現(xiàn)的電路的仿真。這個(gè)方案總共使用了74LS161，74LS164，74LS04，74LS08，74LS11，NE555定時(shí)器。2、在設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間用去很多。3、我認(rèn)為做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。4、平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問(wèn)題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問(wèn)題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐讓我們對(duì)各個(gè)元件映象深刻。認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)期末測(cè)試之后的課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的作用是非常大的。5、在實(shí)現(xiàn)部分電路功能時(shí)，要做到模塊化操作，做好一個(gè)模塊再進(jìn)行下一個(gè)模塊的連接，這樣能提高很高的效率，減少很多