交通信號控制器 電子技術(shù)等專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論文

1、交通信號控制器摘要：由適當?shù)恼袷幤鳟a(chǎn)生一穩(wěn)定的時鐘脈沖，對它進行分頻后，得到周期為一秒的時鐘脈沖。因而，再采用適當?shù)姆诸l器或計數(shù)器，將周期為一秒的頻率信號轉(zhuǎn)換成我們所需要的頻率信號P、S、L信號。P、S、L信號的周期依次是5秒、40秒、60秒。P、S、L信號是否向主控器傳輸由主控器所處的狀態(tài)決定。這里我們所用的主控器是由兩個JK觸發(fā)器組成的。然后主控器根據(jù)接受的信號及自身所處的狀態(tài)去開啟或者關(guān)閉紅、綠、黃三色燈。關(guān)鍵詞：CP脈沖、分頻器、JK觸發(fā)器、主控器、與非門、控制門the controller of traffic signalAbstract: Use a right oscillat

2、or to get a stable clock pulse, and after divide the frequency, we can get a click pulse whose period is one second. Consequently a process called frequency divider or counter is used, in which the signal frequency is converted to a constant frequency which we needed, the signal “P” “S” and “L”. The

3、 signal of Ps period is five second, the signal of Ss period is forty second, and the Ls period is sixty second. Whether the signal of L, S and P transport to the master-controller is decided by the state of the master-controller. And the is made of two j-K flip-flops, which we used here. Finally, o

4、n the basis of the signal and the state of itself the master-controller open or close the red lamp, the green lamp and the yellow lamp.key words: clock pulse, frequency divider, J-K flip-flop, master-controller,AND and NOT gate, control gate,counter1.引言1.1研究背景十字路口的紅綠燈指揮著行人和車輛的安全運行。實現(xiàn)紅綠燈的自動指揮是城市交通管理自

5、動化的重要課題。雖然大中城市中已經(jīng)實現(xiàn)了應(yīng)用計算機自動控制交通信號燈，使交通管理的面貌煥然一新，給人們的生活帶來了很大的便利。但是社會是發(fā)展的，科學(xué)技術(shù)是進步的，特別是在當今信息科技化的社會里，更要求我們從生產(chǎn)的角度、經(jīng)濟性的原理，去完善、研制實用型的新產(chǎn)品。1.2研究目的通過對本課題的設(shè)計與實驗調(diào)試，在鞏固和加深本課程知識的同時，培養(yǎng)對電子電路的實際操作能力，掌握簡單實用電路的分析方法與設(shè)計思路。培養(yǎng)良好的查閱工具書、參考文獻習(xí)慣。在生產(chǎn)工作中的運用生產(chǎn)的觀點、經(jīng)濟性的原理進行思考問題。1.3研究思路 在全面了解實際要求與設(shè)計任務(wù)的前提下，對交通信號控制電路進行整體分析，然后將其結(jié)構(gòu)模塊化，

6、按設(shè)計要求對各單元電路時鐘信號發(fā)生器、計時器、主控器、信號燈譯碼驅(qū)動電路的工作原理及工作過程進行詳細的分析、設(shè)計。最后組裝成符合設(shè)計要求的整體電路，完成設(shè)計任務(wù)。2交通信號燈控制電路的設(shè)計有一主干道和支干道的十字路口如圖（1）所示。每邊都安裝有紅、綠、黃三色燈，指揮著車輛的通行與停止。紅燈表示禁止車輛通行，綠燈表示可以通行，在綠燈變紅燈時要求黃燈先亮幾秒，以便讓停車線以外的車輛停止運行。 圖（1）十字路口圖2.1設(shè)計任務(wù)與要求（1）用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管做信號燈，設(shè)計制作一交通信號燈控制器；（2）主干道通行時間亮綠燈，時間60秒，此時支干道亮紅燈。支干道通行時亮綠燈，時間為40秒，此時主干

7、道亮紅燈；（3）每次由綠燈便紅燈的轉(zhuǎn)換過程中要先亮?xí)r間為5秒的黃燈作為過渡；（4）重點要求設(shè)計出主控器、計時器、譯碼器和時鐘信號發(fā)生器，并搭接實際電路、進行調(diào)試，實現(xiàn)整體控制電路的要求。2.2控制電路的工作原理控制電路的組成要實現(xiàn)上述交叉路口信號燈的自動控制,要求控制電路由以下幾個部分組成:時鐘信號發(fā)生器:按設(shè)計要求產(chǎn)生穩(wěn)定的“秒”脈沖信號，確保整個電路裝置同步工作和實現(xiàn)計時、定時控制；記時器：按設(shè)計要求首先得到“秒”脈沖信號。要得到5秒、40秒、60秒的頻率信號，先對秒信號進行五分頻，得到5秒的時鐘脈沖信號，再對5秒的脈沖信號分別進行八分頻和十二分頻可依次得到40秒和60秒的時鐘脈沖信號，完

8、成定時任務(wù)，向主控器發(fā)出相應(yīng)的定時信號，控制主、支干道通車時間和綠燈變紅燈的切換時間；主控制器：根據(jù)分頻器送來的信號，保持或改變電路的狀態(tài)，以實現(xiàn)對主、支干道車輛運行狀態(tài)的控制；譯碼驅(qū)動電路：依主控制器所處的狀態(tài)進行譯碼，驅(qū)動相應(yīng)的信號燈，指揮主、支干道行人和車輛通行；2.2.2 整體框架圖 圖（2）整體方框圖2.2.3十字路口車輛運行狀態(tài)表表1車輛運行狀態(tài)表狀態(tài) 主干道支干道時間說明1234綠燈黃燈紅燈紅燈紅燈紅燈綠燈黃燈605405主干道通行，支干道不通行主干道停車，支干道不通行主干道不通行，支干道通行主干道不通行，支干道停車2.2.4工作過程簡介 按照十字路口車輛運行的四種狀態(tài)，主控制器

9、電路也有應(yīng)該有四種狀態(tài)。設(shè)主控制器處于“狀態(tài)1”表示主干道通行，譯碼驅(qū)動電路使“主綠燈”和“支紅燈”亮。待亮“主綠燈”時間過，轉(zhuǎn)入“狀態(tài)2”，譯碼電路使“主黃燈”和“支紅燈”亮，保證在支干道通行前主干道的車輛停止運行。待規(guī)定的黃燈切換時間過，計時器向主控制器發(fā)出信號，使其轉(zhuǎn)入“狀態(tài)3”，使“主紅燈”和“支綠燈”亮，表明支干道車輛可以通行。待亮“支綠燈”時間過，轉(zhuǎn)入“狀態(tài)4”，譯碼電路使“主紅燈”和“支黃燈”亮，保證在主干道通行前支干道的車輛停止運行。四種狀態(tài)依同樣的順序不斷的轉(zhuǎn)換，保證主、支干道按規(guī)定的時間交替通行。2.3各單元電路設(shè)計 主控制電路的設(shè)計 主、支干道紅、綠、黃燈的四種可能情況：

10、（1） 主綠燈和支紅燈亮主干道通行；（2） 主黃燈和支紅燈亮主干道停車；（3） 主紅燈和支紅綠亮支干道通行；（4） 主紅燈和支紅燈亮支干道停車；.1狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖按照設(shè)計要求，我們從主綠燈、支紅燈亮?xí)r開始記時，在未過60秒的時間過程中保持主綠燈、支紅燈亮的狀態(tài)。60秒后轉(zhuǎn)為主黃燈、支紅燈亮的狀態(tài)。在未過5秒的時間過程中保持主黃燈、支紅燈亮的狀態(tài)。5秒后轉(zhuǎn)為主紅燈、支綠燈亮的狀態(tài)。在未過40秒的時間過程中保持主紅燈、支綠亮的狀態(tài)。40秒轉(zhuǎn)為主紅燈、支黃燈亮的狀態(tài)。在未過5秒的時間過程中保持主紅燈、支黃燈亮的狀態(tài)。5秒后轉(zhuǎn)為主綠燈、支紅燈亮的狀態(tài)。然后依此順序不斷的循環(huán)轉(zhuǎn)換。其狀態(tài)圖如圖（3）所示:圖

11、（3） 狀態(tài)圖若設(shè)主綠燈過60秒為L=1，未過60秒為L=0； 支綠燈過40秒為S=1，未過40秒為S=0；黃燈過5秒為P=1， 未過5秒為P=0； 主干道通行狀態(tài)為S0，主干道停車狀態(tài)為S1；支干道通行狀態(tài)為S2，支干道停車狀態(tài)為S3；則其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可畫成： 圖（4）狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖.2選擇觸發(fā)器的數(shù)目進行狀態(tài)分配由上可知狀態(tài)數(shù)N=4，選用觸發(fā)器個數(shù)n滿足2N=4；所以n=2；若選用JK觸發(fā)器，兩觸發(fā)器的狀態(tài)輸出為：S=Q2Q1令S0=00，S1=01，S2=11，S3=10；.3列狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，求狀態(tài)方程 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表：表2狀態(tài)轉(zhuǎn)換表LSPQ2nQ1nQ2n+1Q1n+1 0 0 0 0 0 1 0

12、 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 O 1 0 10 1 1 0 0 0 注：表中x表示任意狀態(tài)由狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可的其狀態(tài)方程為： .4求驅(qū)動方程，畫邏輯電路圖由JK觸發(fā)器特性方程為：所以兩觸發(fā)器的驅(qū)動方程為：這樣我們可以畫出主控制電路的邏輯圖，如圖（5）所示：圖（5）主控制電路邏輯圖其中兩個JK觸發(fā)器可選用一塊雙JK觸發(fā)器74LS112集成塊。其引腳圖如圖（6）所示： 圖（6）74LS112引腳圖、S、L信號的產(chǎn)生與分頻器（計數(shù)器）的選用 按設(shè)計要求，要得到60秒的S信號、40秒的L信號和5秒的P信號。可先對時鐘周期為一秒的“秒”信號進行

13、五分頻，得到5秒的時鐘脈沖信號P，再對5秒的脈沖信號分別進行八分頻和十二分頻可得到40秒的時鐘脈沖信號L和60秒的時鐘脈沖信號S。.1 P信號的產(chǎn)生與五分頻器的選用在這里我們選用異步十進制加法器構(gòu)成的五進制計數(shù)器，實現(xiàn)五進制計數(shù)，達到五分頻的目的。首先，我們來了解異步十進制加法器74LS290的結(jié)構(gòu)與工作原理。74LS290的邏輯圖如圖（7）所示：圖（7） 74LS290的邏輯圖邏輯功能分析1、 異步置0由圖可以看出，當兩異步置零端Rd1、Rd2全為高電平，而異步置9輸入端S9(1)、S9(2)中有低電平時，通過與非門G1使各觸發(fā)器的端獲得一個低電平信號，各觸發(fā)器均被置0，從而實現(xiàn)異步置0功能

14、。2、 異步置9當兩個異步置9輸入端S9(1)、S9(2)全為高電平，而異步置0輸入端Rd1、Rd2中有低電平時，與非門G2輸出的低電平分別加到F0和F3的端、F1、F2的端，使觸發(fā)器輸出為1001，幾實現(xiàn)置9的功能。 3、計數(shù)當Rd1、Rd2 和S9(1)、S9(2)輸入中有低電平時，使與非門G1、G2的輸出全為高電平，各觸發(fā)器則執(zhí)行JK觸發(fā)器的邏輯功能，電路可按不同的方式實現(xiàn)二五十進制加法計數(shù)。4、功能表：表3 74LS290功能表復(fù)位輸入輸出Rd1Rd2S9(1)S9(2)QDQCQBQAHHLXLLLLHHXLLLLLXLHHHLLHLXHH H L L HXLXL計數(shù)LXLX計數(shù)74

15、LS290的管腳分布如圖（8）所示： 圖（9）74LS290的管腳圖如果計數(shù)脈沖從CP1端輸入，從QD端輸出，則構(gòu)成五進制加法器，實現(xiàn)五進制計數(shù)，達到五分頻的目的。其構(gòu)成五進制計數(shù)器（五分頻器）時的連接圖如圖（11）所示： 圖（11）74LS290構(gòu)成五進制計數(shù)器的連接圖即由振蕩器產(chǎn)生的“秒”信號經(jīng)集成塊74LS290后，由8腳QD輸出周期為5秒的頻率信號，達到五分頻的目的。該頻率信號一方面可做八分頻器和十二分頻器的始終時鐘脈沖；另一方面作為向主控器提供的周期為5秒的頻率信號P。按設(shè)計要求頻率信號P是否向主控器傳送，何時向主控器傳送由主控器所處狀態(tài)決定。只有主控器狀態(tài)在S1=Q1Q2=01或S

16、3=Q1Q2=10時才向主控器傳送P信號。即當時，控制門g打開，同時使得控制門20打開，于是向主控器傳送P信號。P信號的產(chǎn)生邏輯圖如 圖（12）所示 ： 圖（12）P信號產(chǎn)生的邏輯圖.2 S信號的產(chǎn)生與八分頻器的選用 由集成塊74LS290的8腳QD輸出的5秒的頻率信號經(jīng)八分頻后可得到周期為40秒的頻率信號。在這里我們選用四位二進制同步加法器74LS161構(gòu)成八進制計數(shù)器，實現(xiàn)八進制計數(shù)，達到八分頻的目的。首先，我們來了解一下74LS161的結(jié)構(gòu)與工作原理。74LS161的管腳分布如圖（13）所示： 圖（13）74LS161的管腳圖1、引腳說明:異步清零端，低電平有效。即該端為低電平時，計數(shù)器

17、內(nèi)部的四個觸發(fā)器清零。他的作用不受CP脈沖的影響。CP：時鐘脈沖輸入端，上升沿有效。CCO：動態(tài)進位輸出端。用來做n位級聯(lián)用。高電平有效，即通常處于低電平，出現(xiàn)進位信號時為高電平，進位信號為正脈沖。：同步預(yù)置控制端。低電平有效，即該端為低電平時可以通過輸入數(shù)據(jù)A、B、C、D對計數(shù)器的輸入狀態(tài)進行預(yù)置。該端通常是高電平。A、B、C、D：輸入數(shù)據(jù)端預(yù)置時，向各輸入數(shù)據(jù)端輸入數(shù)據(jù)，就可以使相應(yīng)的輸出端QA、QB、QC、QD的狀態(tài)為輸入端的數(shù)據(jù)。QA、QB、QC、QD：計數(shù)器狀態(tài)輸出端。QD為最高位，QA為最低位。QD可做十六分頻輸出端，QC可做八分頻輸出端，QB可做四分頻輸出端，QA可做二分頻輸出端

18、。ET、EP：使能端。在計數(shù)過程中使能端必須均為高電平，一旦其中一個使能端T或P為低電平時，計數(shù)器禁止讀數(shù)，計數(shù)器保持禁止之前的讀數(shù)。2、 74LS161功能表：表4 74LS161功能表輸入控制端 ET EP CP功能輸出LXXXX異步清零LLLLHLXX同步預(yù)置ABCDHHHH計數(shù)HHLXX禁止計數(shù)保持原有狀態(tài)HHXLX禁止計數(shù)保持原有狀態(tài)說明：H：高電平；L： 低電平；X：高低電均可； ：上升沿有效；3、構(gòu)成八進制計數(shù)器由74LS161的功能分析可知，可以通過置數(shù)法將該計數(shù)器設(shè)制成八進制計數(shù)器。即當A、B、C、D四輸入數(shù)據(jù)預(yù)置端接地，ET、EP接高電位，由2腳輸入5秒信號。計數(shù)器從QDQ

19、CQBQA=0000狀態(tài)開始計數(shù)，經(jīng)過7個計數(shù)脈沖后變成QDQCQBQA=0111狀態(tài)，即QC、QB、QA均為高電平時，通過反相器21及與非門i、j輸出低電平信號給預(yù)置控制端，使計數(shù)器處于預(yù)置數(shù)工作狀態(tài)，待第八個計數(shù)脈沖到來時，預(yù)置ABCD=0000，使計數(shù)器復(fù)位，構(gòu)成八進制計數(shù)器。其連接圖如圖（14）所示： 圖（14）74LS161構(gòu)成八進制計數(shù)器的連接圖即5秒的CP脈沖經(jīng)集成塊74LS161后，當QC、QB、QA均為高電平時，通過反相器21、22及與非門i、j輸出低電平信號給輸出周期為40秒的頻率信號。該頻率信號是否向主控器傳送同樣受主控器所處狀態(tài)決定。當主控器狀態(tài)S2=Q1Q211時，控

20、制門C打開，同時使得控制門16打開，向主控器傳輸S信號。S信號的產(chǎn)生邏輯圖如圖（15）所示 ： 圖（15） S信號產(chǎn)生的邏輯圖.3 L信號的產(chǎn)生與十二分頻器的選用同理，由集成塊74LS290的8腳QD輸出的5秒的頻率信號，經(jīng)十二分頻后可得到周期為60秒的頻率信號。在這里我們選用分頻器74LS92構(gòu)成十二分頻器，實現(xiàn)十二進制計數(shù)的目的。首先，我們來了解一下74LS92的結(jié)構(gòu)與工作原理。74LS92的管腳分布如圖（16）所示： 圖（16） 74LS92引腳圖1、引腳說明CPA：由QA輸出時的二分頻器時鐘輸入端和十二分頻器時鐘輸入端。CPB：六分頻器時鐘輸入端；在進行十二分頻時，QA與CPB相連。Q

21、A、QB、QC、QD：分頻輸出端。在進行十二分頻時，QA與CPB相連，QA、QB、QC、QD的輸出狀態(tài)為十二分頻計數(shù)，且時鐘脈沖由CPA端輸入。在進行六分頻時，QA、QB、QC、QD的輸出狀態(tài)為六分頻計數(shù)，且時鐘脈沖由CPB端輸入。R1、R2：異步清零端，高電平有效，即該兩端同時為高電平時分頻器清零。否則不能清零。NC：空腳。2、功能表表5 74LS92的功能表計數(shù)輸出QD QC QB QA0 L L L L1 L L L H2 L L H L3 L L H H4 L H L L5 L H L H6 H L L L7 H L L H8 H L H L9 H L H H10 H H L L11

22、H H L H12 L L L L注：H表示高電平，L表示低電平3、 邏輯圖 圖（17）74LS92的邏輯圖則5秒的CP脈沖經(jīng)集成塊74LS92的14腳輸入后，當QD、QB、QA均為高電平時，通過反相器23、24及與非門k、l輸出周期為60秒的頻率信號，達到十二分頻的目的。受主控器所處狀態(tài)控制，當主控器狀態(tài)S2=Q1Q200時，控制門f打開，同時使得控制門17打開，向主控器傳輸L信號。L信號的產(chǎn)生邏輯圖如 圖（18）所示 ：圖（18）74LS92引腳圖控制信號燈的譯碼器電路由前面的分析可知：主控制器的四種狀態(tài)分別控制主、支干道紅、黃、綠燈的亮與滅。令燈亮為“1”，燈滅為“0”，則譯碼電路的真值

23、表如表5所示：表6 譯碼電路真值表控制器狀態(tài) 主 干 道 支 干 道Q2 Q1 紅燈R 黃燈Y 綠燈G 紅燈r 黃燈y 綠燈g 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 01 1 1 0 0 0 0 11 0 1 0 0 0 1 0從真值表可以寫出各燈的邏輯表達式：譯碼電路的邏輯圖： 圖（19）譯碼電路的邏輯圖“秒”脈沖信號發(fā)生器這里我們用三個反相器首尾相連組成的簡單環(huán)形多諧振蕩器及附加一RC延遲網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成RC環(huán)形多諧振蕩器，電路如圖（20）所示。它是利用門電路固有的延遲時間而形成振蕩的。而且這種電路增大了門2 的傳輸延遲時間（RC網(wǎng)絡(luò)的延遲時間與門2延遲時間之和），有助于獲

24、得較低的振蕩頻率。通常，RC電路延遲時間遠大于門電路的傳輸時間，因此，振蕩頻率也就主要取決于RC電路的延遲時間，即f0= 1/(35)RC，T=1/f0=1/(35)RC。其中R為限流電阻。圖（20）信號發(fā)生器邏輯圖其工作過程是：當V1由高電平跳變到低電平時，V2由低變高。由于電容C上的電壓不能突變，V3電平也會隨V1 產(chǎn)生負突變，從而使V4由低電平變成高電平。但V2的高電平經(jīng)電阻R向電容充電，使V3逐漸升高，當V3升到閥值電壓VT 時，門3開始翻轉(zhuǎn)，V4由高變低。因為V4 和V1 相連，所以V1由低變高。這是，雖然V2由高變低，可V3又通過電容C隨V3發(fā)生正跳變，使V4變成低電平。但電容C上

25、的電荷通過電阻R向門2的飽和輸出管放電，使V3逐漸變低，直到下降到閥值電壓VT，使V4再回到高電平。這樣周而復(fù)始的充放電，使出端產(chǎn)生脈沖振蕩波形。波形圖如圖（21）所示。圖（21）信號波形圖故當R=1K，C=100uF時，適當調(diào)節(jié)R的阻值就可以得到周期為1秒的時鐘脈沖。2.4整體電路圖（附后：圖（21）2.5電路調(diào)試步驟與方法在實驗箱上搭接電路接各單元電路的設(shè)計方案搭接主控制器、計時器、譯碼電路和秒脈沖信號發(fā)生器。分機調(diào)試調(diào)試秒脈沖發(fā)生器。選用簡單TTL環(huán)行振蕩電路，形成振蕩器。檢測P、S、L信號是否符合5秒、40秒60秒頻率要求，能否按要求向主控器傳輸信號。調(diào)試譯碼電路時，用六只發(fā)光二極管作

26、為R、Y、G、r、y、g六只燈，看六只發(fā)光二極管是否按要求發(fā)光。各單元電路均能按要求正常工作以后，即可進行總機調(diào)試。2.6所用的元器件74LS112一塊、74LS161一塊、74LS290一塊、74LS92一塊、74LS03四塊、74LS00三塊、74LS08一塊、1K歐左右可調(diào)電阻一個、100歐電阻一個、100uF電容一個、發(fā)光二極管六個、導(dǎo)線若干。說明：al用兩輸入四與非門74LS00實現(xiàn)，124用反相器74LS04實現(xiàn)。用與門74LS08實現(xiàn)。附：引腳圖 圖（22）74LS00引腳圖 圖（23）74LS04引腳圖 圖（24）74LS08引腳圖3.總結(jié)雖然這只是一個簡單的小型電路設(shè)計，但是通過對整體電路的設(shè)計及其涉及到的各種單元電路及元器件的工作原理、組成構(gòu)造的分析，很大程度上提高了我對該課程的理論水平及實踐操作能力，基本上掌握了此類設(shè)計基本思路與步驟。在完成該課題設(shè)計的過程中，深入復(fù)習(xí)書本知識，廣泛參閱相關(guān)書籍，虛心向老師、同學(xué)請教，不斷修改設(shè)計過程中出現(xiàn)的錯誤，使得