基于數(shù)字電路的交通燈設計

1、基于數(shù)字電路的交通燈課程設計報告 系 別專 業(yè)班 級姓 名學 號指導教師 2013年7月3日摘要交通燈控制器是可以自動控制交通燈，并以倒計時的方式顯示出時間，方便行人和車輛在通行時有條不紊的通行，達到交通井然有序，出行人員安全快捷的到達目的地的效果。本次設計的就是想通過這樣的一個實例，達到理論和實踐相結(jié)合的目的。 關(guān)鍵字:交通燈控制器；數(shù)字電路；multisim；555多諧振蕩器目 錄1引言12設計任務和要求23系統(tǒng)模塊功能關(guān)系設計34電路設計計算與分析44.1時鐘脈沖信號44.2主狀態(tài)控制電路44.3信號燈驅(qū)動電路54.4計時器電路64.4.1百進制計數(shù)器電路74.4.2置數(shù)端開關(guān)信號與主控

2、器脈沖信號輸出電路74.4.3由主控器狀態(tài)控制的置數(shù)信號輸入84.5計時器顯示電路104.6總電路圖仿真115焊接與調(diào)試126心得體會13參考文獻14附錄15附錄a元件清單表15附錄b芯片管腳圖16附錄c 實物圖191 引 言 隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市如北京、 上海、南京等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道

3、路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。因此，本次通過對交通燈的設計，了解交通燈的工作原理。02 設計任務和要求利用所學數(shù)字電路知識，設計簡單交通燈控制電路。在由一條主干道和一條支干道匯合形成的十字交叉路口，為確保車輛安全、迅速地通行，在交叉路口的每一個入口處設置紅、黃、綠三色信號燈。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮則給行駛中的車輛有時間?？吭诮咕€外，以此實現(xiàn)紅綠燈對城市交通的自動指揮。（1）用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號燈。

4、（2）當主道允許通行時綠燈亮，支干道亮紅燈，而支干道允許亮綠燈時，主干道亮紅燈。（3）主支干道交替允許通行，主干道每次允許放行30s，支干道20s。設計30s和20s計時顯示電路。（4）在每次由亮綠燈變成亮紅燈的轉(zhuǎn)換過程中間，要亮5s的黃燈作為過渡，設置5s計時顯示電路。3 系統(tǒng)模塊功能關(guān)系設計本系統(tǒng)設計中，根據(jù)要求可以建立四個功能模塊，分別是主控制器模塊、時鐘脈沖信號發(fā)生模塊、計時器與時間顯示模塊、信號燈驅(qū)動模塊。主控模塊起到控制和聯(lián)系其它各模塊的作用，其它模塊反過來作用于主控模塊，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的正常運行。經(jīng)過最終設計與論證，得到個模塊的關(guān)系如圖1所示：時鐘脈沖主控制電路信號燈與時間顯示 計

5、時器電路 圖1各個模塊關(guān)系圖4 電路設計計算與分析4.1 時鐘脈沖信號時鐘脈沖信號由555定時器與相應大小的電阻和電容連接而成的多諧振蕩器來產(chǎn)生。由于電路中需要的脈沖信號周期為1s，如果選用的電容分別是10uf和0.01uf，則根據(jù)周期計算公式t=(r1+2r2)cln2，可得到r1+2r2的阻值為144k歐，因此我們令r1等于39k歐，r2等于51k歐，則連接而成的由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖2所示。圖2 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器4.2 主狀態(tài)控制電路主控電路是本系統(tǒng)的核心，它的輸入信號來自主干道和次干道計時系統(tǒng)有進位輸出時產(chǎn)生的脈沖，它的輸出一方面經(jīng)顯示驅(qū)動電路控制主干道和次干道

6、信號燈的狀態(tài)，另一方面控制計時系統(tǒng)的置數(shù)，根據(jù)信號燈的不同狀態(tài)，給主干道和次干道計時器置入時間信號，讓計時器按照預定的時間間隔工作。主控電路屬于時序邏輯電路，由于主干道和次干道各自的三種燈正常工作時只有四種可能，即四種狀態(tài)：主綠燈和支紅燈亮，主道通行；主黃燈和支紅燈亮，主干道準備停車；主紅燈和支綠燈亮，支干道通行；主紅燈和支黃燈亮，支干道停車。因此，我們可以用雙d觸發(fā)器構(gòu)成二進制加法器，實現(xiàn)四個狀態(tài)的循環(huán)轉(zhuǎn)換，關(guān)系圖如圖3所示。圖3 主控器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖雙d觸發(fā)器的連接如圖4所示。圖4雙d觸發(fā)器構(gòu)成的二進制計數(shù)器令左邊觸發(fā)器兩個輸出端為q1和q1,右邊觸發(fā)器的兩個輸出端分別為qo和q0，則q1q0

7、的狀態(tài)變化依次是00、01、10、11。4.3 信號燈驅(qū)動電路主控制器的四種狀態(tài)分別要控制主、支干道紅黃綠燈的亮與滅。令燈亮為“1”，燈滅為“0”，主干道紅黃綠燈分別為r、y、g，支干道紅黃綠燈分別為r、y、g，則信號燈驅(qū)動電路真值表如表1所示：表1信號燈驅(qū)動電路真值表輸 入輸 出q1q0rygryg00001100010101001010000111100010由以上真值表可得到各燈的邏輯表達式分別為：r=q1q0+q1qo=q1;y=q1q0; g=q1q0r=q1q0+q1q0=q1;y=q1q0; g=q1q0因此得到主支干道的信號燈驅(qū)動電路如圖5所示。 主干道 支干道圖5 信號燈驅(qū)動

8、電路圖4.4 計時器電路計時器電路是本次設計中做復雜也最為關(guān)鍵的一部分，這一部分又可以分為輸出和輸入兩部分。輸入的信號除了秒脈沖時鐘信號以外，更重要的是主控電路對其輸入的置數(shù)信號。輸出信號為三部分，分別是主次干道的計時顯示電路、置數(shù)端開關(guān)控制信號、主控電路的脈沖控制信號。4.4.1 百進制計數(shù)器電路這一部分我們選用兩片十進制計數(shù)器芯片74ls190d級聯(lián)而成。74ls190d可以實現(xiàn)加計數(shù)和減計數(shù)，由u/d控制，當輸入為低電平時進行加計數(shù)，反之則為減計數(shù)，本次設計選用減計數(shù)，因此u/d端輸入始終為高電平。cten端為擴展功能端，接入低電平時正常工作，級聯(lián)接線如圖6所示。圖6計時器級聯(lián)電路圖4.

9、4.2 置數(shù)端開關(guān)信號與主控器脈沖信號輸出電路當計數(shù)器每完成一個狀態(tài)的計數(shù)后，需要打開自己的置數(shù)端接受主控器下一個狀態(tài)的置數(shù)，同時輸出脈沖送往主控器使其產(chǎn)生新的狀態(tài)。由于每完成一個計數(shù)狀態(tài)，計時器都會有一個低電平進位輸出，我們可以將這個低電平送往置數(shù)端開關(guān)端口打開置數(shù)端，同時反向后送往主控器切換狀態(tài)。但由于進位輸出信號過于短暫，可能使主控器電路來不及反應就消失，造成電路不穩(wěn)定。為了解決這一個問題，使進位輸出信號有足夠的寬度，我們想到用基本rs觸發(fā)器組成反饋置數(shù)電路，由于進位輸出信號是低電平，所以反饋電路可設計如圖7所示。圖7 基本rs觸發(fā)器組成的進位輸出電路4.4.3 由主控器狀態(tài)控制的置數(shù)信

10、號輸入按照設計要求，當主干道允許通行并亮綠燈時，主道計數(shù)器需置入30s信號，30s計完以后輸出進位信號和主控脈沖信號，主控電路進入下個狀態(tài)，給主道計數(shù)器置入5s信號，同時主道黃燈亮起，開始5s計時，5s計完以后輸出進位脈沖和主控脈沖信號，置數(shù)端被打開，主控制器接到脈沖切換到下一個狀態(tài)，給主計數(shù)器輸入下一個置數(shù)信號；在此過程中，次道信號燈一直是紅色禁止通行，計時器共計35s時間，因此，在主道開始亮綠燈允許通行時，支道計數(shù)器應該被主控器置入35s計數(shù)信號，30s后盡管主控器狀態(tài)發(fā)生變化，但次道仍然為紅燈，次計數(shù)器沒有進位輸出，置數(shù)開關(guān)關(guān)閉，不允許置數(shù)，直到35s后有進位輸出而打開置數(shù)端開關(guān)。35s

11、后，次道計數(shù)器和主道計數(shù)器同時送出進位輸出，兩個置數(shù)開關(guān)被打開，主控器接受脈沖切換狀態(tài)，并送出新的置數(shù)信號，此時由于次道綠燈亮起允許通行，應該被置入20s計時信號，20s后輸出進位信號，置數(shù)端打開，同時送出主控器脈沖，使主控器切換到下一個狀態(tài)，即次道黃燈亮起，接受5s置數(shù)信號，并開始計時，直到5s后再次輸出進位信號，打開置數(shù)開關(guān)，接受新的置數(shù)，與此同時輸出主控脈沖，使主控器狀態(tài)變化。在次道這25s的綠黃燈過程中，主道一直是紅燈禁止通行，因此主計數(shù)器在次道綠燈亮起的時刻應該被置入25s計時信號開始計時，直到25s后與次道同時輸出進位信號和主控脈沖信號，進入下一個狀態(tài)。至此，主次道以及主控器完成一

12、次狀態(tài)循環(huán)，具體關(guān)系如圖8所示。圖8主控器置數(shù)關(guān)系圖對于主干道和支干道計時器的置數(shù)信號輸入端，設主道分別為d1、c1、b1、a1（高位端），d1、c1、b1、a1（低位端），次道分別為d0、c0、b0、a0（高位端），d0、c0、b0、a0（低位端）。由于主道需要的置數(shù)信號為30、5、25，次道需要的置數(shù)信號為35、20、5，因此主道計時器置數(shù)輸入端只需要用到b1、a1、c1、a1，次道計時器置數(shù)輸入端用到的端口是bo、a0、c0、a0。其它端口接低電平置零。所用端口與主控制器狀態(tài)的關(guān)系表如表2所示：表2所用端口與主控制器狀態(tài)的關(guān)系表主控器主干道次干道q1q0b1a1c1a1值b0aoc0a0

13、值0011003011113501001151010112510002011001125由以上關(guān)系表可以得到主道和次道計時器的置數(shù)有效輸入端與主控制器狀態(tài)的邏輯關(guān)系如下所示：b1=q1q0+q1q0=q0; a1=q1q0;c1=q1q0+q1q0; a1=c1;b0=q0; a0=q1q0;c0=q1q0+q1q0; a0=c0;所以主次道計時器與主控制端連接電路如圖9所示。圖9 主道計時器與主控電路連接圖次道計時器與主控制電路的連接如圖10所示。圖10次道計時器與主控電路連接圖4.5 計時器顯示電路在本次設計中，主道和次道的計時顯示電路我們僅僅用數(shù)碼顯示管dcd_hex來完成，用于計時狀態(tài)

14、的顯示，主道于此道顯示器接法相同，如圖11所示。圖11計時器顯示電路連接圖4.6 總電路圖仿真 總電路仿真圖如圖12所示圖12總電路仿真圖5 焊接與調(diào)試 （1）用堆錫的方法連接各個芯片的正負極，在與電源相連接，其他管腳盡量用堆錫，不能用堆錫則用飛線，使電路板線路清晰。 （2）焊的過程一定要小心，一不小心就會造成短路。焊好后要用萬用表檢查看是否短路，否則有可能燒壞芯片。 （3）事先要把線路圖整理清楚，焊的板子才會脈絡清晰，檢查錯誤也比較方便，外觀也比較美觀。 （4）在檢查電路過程中，萬用表是一個不可或缺的工具。利用萬用表，可以檢查短路，檢查是否通電，檢查555脈沖是否正常，檢查計數(shù)器計數(shù)是否正常

15、，檢查發(fā)光二極管是否燒壞。136 心得體會 開始拿到題目的時候，還不知道怎么去做，因為對這門課程的一般設計都不是很會，對很對芯片的功能不是很清楚，還有multisim仿真軟件，以前從來沒有接觸過，只有現(xiàn)在需要的時候才開始用它，許多功能以及按鍵都不清楚?，F(xiàn)在設計已經(jīng)做好了，自己感覺還是比較好的，雖然花了很多的時間，但是學到了很多東西。在做這個題目時，遇到了些問題，比如說計數(shù)器的接法，最開始的時候采用的是異步清零法，led燈顯示出來的狀態(tài)總是有問題的。最近我們采用了置數(shù)的方式控制計數(shù)器的狀態(tài)，終于達到了實驗的要求。在老師給課題的基礎上，我們又想到實際生活中有些十字路口的紅、綠、黃燈是數(shù)碼管顯示的，

16、因此我們就在原有電路圖的基礎上對輸出端進行了改進，達到了我們預期的目標。但是，中間遇到了很多的問題，例如在元器件封裝的時候，不知道是什么原因，有時候軟件會自動關(guān)閉，保存不及時直接導致前面所有做的工作全部作廢，這樣浪費了很多時間。反復做了幾次之后終于成功。但是至于軟件為什么會自動關(guān)閉的問題仍然沒有搞清楚。通過這次課程設計，加強了我動手、思考和解決問題的能力，使我們的動手能力都有了一定的提高，特別是能把我們所學的書本知識運用到實際生活中去，提高我們對知識的理解能力 ！參考文獻1閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎（第五版）m.北京:高等教育出版社,2005.2郭海文.電氣實驗技術(shù)m.江蘇:中國礦業(yè)大學出版社,2008.3苗松池.電子實習與課程設計m.北京:中國電力出版社,2009.4李銀華.電子線路設計指導m.北京:北京航空航天大學電力出版社,2005.5薛鵬騫.電子設計自動化技術(shù)實用教程m.江蘇:中國礦業(yè)大學出版社,2007.附 錄附錄a元件清單表表3元件清單表序號名稱元件編號數(shù)量1十進制同步加/減計數(shù)器74ls19042四/r-/s 鎖存器74ls27913四輸入與門74ls0824六輸入非門74ls0415雙d觸發(fā)器74ls74167段顯示譯碼器74ls4847四2輸入或門7