數(shù)字電子技術(shù)：交通燈控制電路設(shè)計(jì)

1、數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱： 數(shù)字電子技術(shù) 設(shè)計(jì)題目： 交通燈控制電路設(shè)計(jì) 院 系： 班 級(jí)： 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 目 錄一、設(shè)計(jì)目的2二、設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)2三、設(shè)計(jì)內(nèi)容23.1 總體設(shè)計(jì)23.1.1交通燈控制的實(shí)現(xiàn)23.1.2總原理圖43.2 單元電路的設(shè)計(jì)53.2.1秒脈沖發(fā)生器53.2.2定時(shí)器53.2.3譯碼電路63.2.4控制器73.2.5顯示部分93.3 仿真結(jié)果與分析10四、總結(jié)10五、主要參考文獻(xiàn)11交通燈控制電路設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的由一條主干道和一條支干道的匯合點(diǎn)形成十字交叉路口，為確保車輛安全、迅速地通行，在交叉路口的每個(gè)入口處設(shè)置了紅、綠、黃三

2、色信號(hào)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(shí)間?？吭诮芯€內(nèi)。實(shí)現(xiàn)紅、綠燈的自動(dòng)指揮對(duì)城市交通管理現(xiàn)代化有著重要的意義。二、設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)（1）用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號(hào)燈。（2）當(dāng)主干道允許通行亮綠燈時(shí)，支干道亮紅燈，而支干道允許亮綠燈時(shí)，主干道亮紅燈。（3）主支干道交替允許通行，主干道每次放行30s、支干道20s。設(shè)計(jì)30s和20s計(jì)時(shí)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(shè)置5s計(jì)時(shí)顯示電路。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1 總體設(shè)計(jì)3.1.1交通燈控制的實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由控制器、定時(shí)器、譯碼器和

3、秒脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時(shí)器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈工作，控制區(qū)是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時(shí)器和譯碼器的工作。秒脈沖發(fā)生器定時(shí)器控制器譯碼器甲車道信號(hào)燈乙車道信號(hào)燈圖1 系統(tǒng)的原理框圖設(shè)控制器的初始狀態(tài)為S0，當(dāng)S0的持續(xù)時(shí)間小于25秒時(shí)，TL=0,控制器保持S0不變。只有當(dāng)S0的持續(xù)時(shí)間等于25秒時(shí)，TL=1，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，并轉(zhuǎn)換到下一個(gè)工作狀態(tài)。如圖2所示：TLAGBRSTSTAYBRTYARBYTYSTSTAGBRTL圖2 交通燈的ASM圖3.1.2總原理圖A7QA13B1QB12C2QC11

4、D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U174LS48A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U274LS48D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO15ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1U374LS160D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO15ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1U474LS160+5V123U5:A74LS00121312U6:A74LS10+5V+5V12U7:A74LS0434U7:B74LS0456U7:C74LS041X06

5、1Y71X151X241X332X0102Y92X1112X2122X313A14B21E12E15U874LS1531X061Y71X151X241X332X0102Y92X1112X2122X313A14B21E12E15U974LS153+5VD2Q5CLK3Q6S4R1U10:A74LS74D12Q9CLK11Q8S10R13U10:B74LS74123U11:A74LS08456U11:B74LS089108U11:C74LS08121311U11:D74LS08R1200C110nF+5V+5V+5VR2200R3200R4200R5200R6200R7200D1LED-REDD2

6、LED-REDD3LED-GREEND4LED-GREEND5LED-YELLOWD6LED-YELLOWR4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U12NE555+5VC20.01uFC310uFR868kR915k?ABCDRSTCLKCE圖3 總原理圖3.2 單元電路的設(shè)計(jì)3.2.1脈沖信號(hào)發(fā)生器脈沖信號(hào)發(fā)生器由NE555電路及外圍電路組成，其中R8、R9、C3 的電阻電容值決定了脈沖寬度。既T=(R8+2R9)C2ln2當(dāng)T=1S，即可湊出R8、R9、C3其中C3=0.01uF是為了保持輸出的波形的穩(wěn)定。 如圖4所示，R9、C3組成一個(gè)串聯(lián)RC充放電電路，在NE555的7腳上輸出

7、一個(gè)方波信號(hào)，C3上得到一個(gè)三角波，此三角波送到NE555的2腳輸入端，由NE555內(nèi)部的比較器和門電路共同作用，維持7腳上的方波信號(hào)和3腳上的輸出方波。圖4 脈沖信號(hào)發(fā)生器原理圖3.2.2定時(shí)器定時(shí)器由與系統(tǒng)脈沖信號(hào)（由時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，要求計(jì)數(shù)器在狀態(tài)信號(hào)ST作用下，首先清零，然后在時(shí)鐘脈沖上升沿作用下，計(jì)數(shù)器從零開始進(jìn)行增1計(jì)數(shù)，向控制器提供模5的定時(shí)信號(hào)TY和模25的定時(shí)信號(hào)TL。計(jì)數(shù)器選用集成電路74LS160進(jìn)行設(shè)計(jì)。74LS160是十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，它具有異步清零、同步置數(shù)的功能。設(shè)計(jì)圖如圖5所示：圖5 交通燈定時(shí)器其工作原理為：由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖

8、CLK分別送給兩個(gè)74LS160的清零端9處。如圖所示：輸入端4，4，5，6分別接地。U1的7和10由U2的11、14經(jīng)過與門相與后相連。即：只有當(dāng)時(shí)11、14處產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖時(shí)才能觸發(fā)U1中的14產(chǎn)生脈沖。當(dāng)U13C74LS04的ST信號(hào)分別送給U1和U2的LOAD。就可以得到TY和TY非是秒脈沖的5倍：TL和TL非的結(jié)果是秒脈沖的25倍。3.2.3譯碼電路譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出Q1、Q0的4種工作狀態(tài)，翻譯成車道上6個(gè)信號(hào)燈的工作狀態(tài)。控制器的狀態(tài)編碼與信號(hào)燈控制信號(hào)之間的關(guān)系如表1所示。表1 控制器狀態(tài)編碼與信號(hào)燈關(guān)系表Q1 Q0AG綠燈AY黃燈AR紅燈BG綠燈BY黃燈BR

9、紅燈0 01000010 10100011 00011001 1001010由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生了周期性變化的CLK脈沖，一部分送給了定時(shí)器的74LS160芯片，另一部分送給了控制器的74LS74芯片。在脈沖ST同時(shí)加到定時(shí)器74LS160芯片的情況下，通過芯片74LS10將會(huì)輸出TY、TY非。即TY和TY非放大的結(jié)果是秒脈沖的5倍；TL和TL非放大的結(jié)果是秒脈沖的25倍。前者輸出的信號(hào)是后者的1/5。將定時(shí)器輸出的TY、TY非、TL、TL非分別作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK脈沖置于芯片74LS74中會(huì)輸出高低變化的電平?？刂破髦械男盘?hào)在送給由芯片74LS08組成的譯碼器后再通過電

10、路中的指示燈和200歐的電阻從而得到交通燈的邏輯電路，這種電路的結(jié)果最終通過小燈的正常閃爍來實(shí)現(xiàn)。電路設(shè)計(jì)如圖6：圖6 譯碼器部分原理圖3.2.4控制器控制器是交通管理的核心，它應(yīng)該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號(hào)燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表2所示。選用兩個(gè)D觸發(fā)器74LS74作為時(shí)序寄存器產(chǎn)生4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為TL和TY，當(dāng)控制器處于Q1n+1Q0n+1=00狀態(tài)時(shí)，如果TL=0，則控制器保持在00狀態(tài)；否則控制器轉(zhuǎn)換到Q1n+1Q0n+1=01狀態(tài)。這兩種情況與條件TY無關(guān)，所以用無關(guān)項(xiàng)“X”表示。其余情況依次類推，就可以列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST。表2 控制器狀態(tài)

11、轉(zhuǎn)換表輸 入輸 出現(xiàn) 態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件次 態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)Q1n Q0nTL TYQ1n+1 Q0n+1ST0 00 00 10 11 11 11 01 00 X1 XX 0X 10 X1 XX 0X 10 00 10 11 11 11 01 00 001010101根據(jù)上表可以推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號(hào)方程，其方法是：將Q1n+1 、Q0n+1 和ST為1的項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的輸入或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與，其中“1”用原變量表示，“0”用反變量表示，然后將各與項(xiàng)相或。選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來實(shí)現(xiàn)每個(gè)D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇輸入端作為控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)控制器的功能?？?/p>

12、制器原理圖如圖7所示。圖中R、C構(gòu)成上電復(fù)位電路。由兩個(gè)雙多路轉(zhuǎn)換器74LS153和一個(gè)雙D觸發(fā)器74LS74組成控制器。觸發(fā)器記錄4種狀態(tài)，多路轉(zhuǎn)換器與觸發(fā)器配合實(shí)現(xiàn)4重狀態(tài)的相互交換。圖7 交通燈控制器其原理為：CLK分別送給U6A和U6B的3和11的清零端。將TY接入U(xiǎn)4的5和U5的4和5；TY非接入U(xiǎn)4的4。如上圖所示：74LS74兩個(gè)D觸發(fā)器作為時(shí)序寄存器產(chǎn)生4種狀態(tài)。選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來實(shí)現(xiàn)每個(gè)D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇端作為控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)控制器的功能。3.2.5顯示部分顯示部分由74LS48的共陰極七段數(shù)碼管組成，74LS48作

13、為譯碼器，對(duì)74LS160的輸出信號(hào)進(jìn)行譯碼，然后通過七段數(shù)碼管顯示出74LS160的計(jì)數(shù)。即交通燈需要顯示的時(shí)間。其設(shè)計(jì)圖如圖8：圖8 由74LS48和數(shù)碼管組成的電路3.3 仿真結(jié)果與分析首先連接調(diào)試秒脈沖電路。其次進(jìn)行定時(shí)電路的連接和調(diào)試。當(dāng)輸入1Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)時(shí)，要求電路能進(jìn)行增計(jì)時(shí)，當(dāng)增計(jì)時(shí)到25秒時(shí)，能輸電有效的定時(shí)時(shí)間到信號(hào)。判斷各部分電路之間的時(shí)序配合關(guān)系，然后檢查各部分的功能，使其滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)電路檢查無誤后，開始播放，便可以進(jìn)行交通燈控制系統(tǒng)的仿真，電路默認(rèn)把通車時(shí)間定為25秒。時(shí)間顯示器從預(yù)置的0秒，以每秒增1，增到25時(shí)換為0時(shí)，紅燈轉(zhuǎn)換為黃燈，其余燈都不變。從增至5秒又到0時(shí)，甲車道又由黃燈轉(zhuǎn)換為紅燈，乙車道的紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈。由此循環(huán)下去。四、總結(jié)剛開始拿到題目時(shí)，真的是無從下手，因?yàn)樽约簩?duì)這門課不是那么的熟悉，學(xué)的也不是很好，做課程設(shè)計(jì)時(shí)，只能不斷的翻書或查資料。這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我動(dòng)手、思考和解決問題的能力，由于時(shí)間比較緊，所以控