《數字電子技術》課程設計交通信號燈控制電路的設計與仿真

1、數字電子技術課 程 設 計 題 目 交通信號燈控制電路的設計與仿真 系 (部) 信息工程系 班 級 電氣工程及其自動化 1 班 姓 名 學 號 指導教師 2011 年 7 月 4 日至 7 月 9 日 共 1 周 2011 年 7 月 9 日 數字電子技術 課程設計任務書 一、設計題目、內容及要求 設計題目：設計題目：交通信號燈控制電路的設計與仿真 設計內容設計內容：1.信號燈白天工作要求 某方向綠燈點亮 20 秒，然后黃燈點亮 4 秒，最后紅燈點亮 24 秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期 間，另一方向紅燈點亮。 如果以 4 秒作為時間計量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點亮的時間比例為 5

2、：1：6。 從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向黃 燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向黃燈 亮。信號燈采用 led 紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。 2.夜間工作方式 南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次。其它燈不亮。要求設置一個手動開關，用它控制白天 和夜間工作方式。 設計要求：設計要求： （1）要求根據設計要求實現交通燈的現實功能； （2）用 multisim 進行仿真 （3）最后要有設計說明書； 二、設計原始資料 電子實驗臺、三極管、二極管，芯片、電容、電阻 三、要求的設計成果（課程設計說明書、設計

3、實物、圖紙等） 課程設計說明書、仿真結果 四、進程安排 周 1 講解整個設計要實現的功能，查閱相關資料，畫出整體電路， 周 2、3 進行仿真并調試； 周 4 撰寫課程設計任務書 周 5 課程設計答辯并交設計說明書 五、主要參考資料 1 付家才電子工程實踐技術北京：北京工業(yè)出版社，2003 2 畢滿清電子技術實驗與課程設計北京：機械工業(yè)出版社，2001 3 閻石主編數字電子技術基礎（第五版）北京：高等教育出版社，2009 4 丁潤濤主編電子工程手冊北京：機械工業(yè)出版社，1995 指導教師（簽名）：教研室主任（簽名）： 課程設計成績評定表 出勤天數 出勤 情況 缺勤天數 出勤情況及設計過程表現（2

4、0 分） 課設答辯（20 分） 設計成果（60 分） 成 績 評 定 總成績（100 分） 提問 （答辯） 問題 情況 綜 合 評 定 指導教師簽名： 年 月 日 目 錄 1 引言.1 2 原理設計思想.2 3 multisim 10 仿真軟件介紹. .3 4 各單元模塊.4 4.1 直流穩(wěn)壓電源.4 4.2 秒脈沖產生電路.4 4.3 分頻器.5 4.4 十二進制計數器.6 4.5 邏輯控制電路.7 4.6 信號燈驅動電路設計.10 4.7 白天夜間模式切換設計.10 5 multisim 仿真電路圖及其波形. .11 5.1 仿真電路圖.11 5.2 仿真電路連接圖及其仿真波形.11 6

5、設計總結.15 7 器件明細表.16 8 參考文獻.17 1 引言 21 世紀是一個自動化時代，交通燈控制等很多行業(yè)的設備都與計算機密切 相關。因此，一個好的交通燈控制系統(tǒng)，將給道路擁擠、違章控制、突發(fā)事件、 故障處理等方面給予技術革新。隨著大規(guī)模集成電路及計算機技術的迅速發(fā)展， 以及人工智能在控制技術方面的廣泛運用，智能設備有了很大的發(fā)展，是現代 科技發(fā)展的主流方向。 交通信號燈是交通信號中的重要組成部分，是道路交通的基本語言。交通 信號燈由紅燈（表示禁止通行） 、綠燈（表示允許通行） 、黃燈（表示警示）組 成。分為：機動車信號燈、非機動車信號燈、人行橫道信號燈、車道信號燈、 方向指示信號燈

6、、閃光警告信號燈、道路與鐵路平面交叉道口信號燈。道路交 通信號燈是交通安全產品中的一個類別，是為了加強道路交通管理，減少交通 事故的發(fā)生，提高道路使用效率，改善交通狀況的一種重要工具。適用于十字、 丁字等交叉路口，由道路交通信號控制機控制，指導車輛和行人安全有序地通 行。 因此本次課設能深入了解交通信號燈的應用原理，更好的掌握所學知識， 將理論聯系實際，而且在實際操作中培養(yǎng)自己的實際動手能力，將理論應用與 實際生活中！ 設計一個交通信號燈控制電路，要求能實現以下的白天工作方式和晚上工 作方式：1.信號燈白天工作要求 某方向綠燈點亮 20 秒，然后黃燈點亮 4 秒，最后紅燈點亮 24 秒。在該方

7、 向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。 如果以 4 秒作為時間計量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點亮的 時間比例為 5：1：6。 從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮時，東西方 向紅燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方 向綠燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向黃燈亮。信號燈采用 led 紅、綠、黃 發(fā)光二極管模擬。 2.夜間工作方式 南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次。其它燈不亮。要求設置一個手 動開關，用它控制白天和夜間工作方式。 2 原理設計思想 設計交通信號控制燈要求白天的工作方式如下流程圖： 夜晚的工作方式是：南北東西各方向黃燈亮

8、，且每秒閃動一次。其他燈不亮。 因此總的設計框圖如下： 圖 2-1 信號指示燈白天點亮流程圖 南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮 5t 南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮 5t 南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮 5t 南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮 5t 南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮 5t 南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮 1t 圖 2-2 整體電路框圖 3 multisim 10 仿真軟件介紹 multisim10 是美國 ni 公司推出的以 windows 為基礎的仿真工具，用于板 級的模擬、數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬 件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。有了

9、 multisim 軟件，就相 當于擁有了一個設備齊全的實驗室，可以非常方便的從事電路設計、仿真、分 析工作。 multisim 10 的元器件庫提供數千種電路元器件供實驗選用。同時可以新 建或擴展已有的元器件庫，建庫所需元器件參數可從生產廠商的產品使用手冊 中查到，因此可很方便地在工程設計中使用。ni multisim 10 的虛擬測試儀器 表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，如萬用表、函數信號發(fā)生器、雙蹤示 波器、直流電源等等；還有一般實驗室少有或者沒有的儀器，如波特圖儀、數 字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉換器、失真儀, 安捷倫多用表，安捷倫示 波器、以及泰克示波器等。 multisim

10、 10 具有詳細的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài) 分析等各種電路分析方法，以幫助設計人員分析電路的性能。它還可以設計、 測試和演示各種電子電路，包括電工電路、模擬電路、數字電路、射頻電路及 部分微機接口電路等。multisim 10 具有強大的 help 功能，其 help 系統(tǒng)不僅 包括軟件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能說明。help 中這種 元器件功能說明有利于使用 multisim 10 進行 cai 教學。 利用 multisim 10 可以實現計算機仿真設計與虛擬實驗，與傳統(tǒng)的電子電 路設計與實驗方法相比，具有如下特點：設計與實驗可以同步進行，可以邊設 計邊

11、實驗，修改調試方便；設計和實驗用的元器件及測試儀器儀表齊全，可以 完成各種類型的電路設計與實驗；可以方便地對電路參數進行測試和分析；可 以直接打印輸出實驗數據、測試參數、曲線和電路原理圖；實驗中不消耗實際 的元器件，實驗所需元器件的種類和數量不受限制，實驗成本低，實驗速度快， 效率高。 multisim 10 特點： 通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境 , 輕松設計電路 通過交互式 spice 仿真, 迅速了解電路行為 借助高級電路分析 , 理解基本設計特征 通過一個工具鏈 , 無縫地集成電路設計和虛擬測試 通過改進、整合設計流程 , 減少建模錯誤并縮短上市時間 產品 中使用。 4 各單元模塊 4.1

12、直流穩(wěn)壓電源 作為一個實際的應用系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源是必不可少的。本次課設設計的交 通信號燈控制電路需要使用穩(wěn)定的 5v 直流穩(wěn)壓電源來驅動各芯片使電路其正常 工作。因此需要設計輸出為 5v 的直流穩(wěn)壓電源。78 系列和 79 系列三端線性集 成穩(wěn)壓器為輸出固定電壓的集成穩(wěn)壓器。78 系列輸出正電壓，79 系列輸出負電 壓。它們輸出的固定電壓標稱值分別為: 5v、6v、9v、12v、15v、18v、24v。如 7805 輸出電壓為 5v，7806 輸出電 壓為 6v，7824 輸出電壓為 24v。79 系列輸出電壓與此類同。輸出電流檔次 由 78（79）與輸出電壓檔次之間的英文字母決定：l(0.1

13、a)、m(0.5a)、空 （1.5a）、t(3a)、h（5a）、p(10a)。 根據電源的負載電流，折算成值，利用有關公式選擇濾波電容的容量。 l r 其耐壓應高于變壓器次級電壓峰值 2 倍以上。 根據負載電流，選擇整流二極管，要求二極管最大整流電流大于負載電流 的 2 倍以上。其耐壓應大于變壓器次級電壓峰值的 2 倍以上。 變壓器的功率應大于系統(tǒng)功率 2 倍以上，次級輸出電壓有效值根據橋式整 流電容濾波輸出電壓為，而這個值應大于穩(wěn)壓輸出電壓值的， 2 1.11.2u35v 從而選定變壓器次級電壓的有效值。而整流濾波的輸出為，本系統(tǒng)采用810v 8299 整流橋。變壓器選擇即可。9/12v 因

14、此直流穩(wěn)壓電源包括變壓器降壓、二極管（或整流橋）整流、電容濾波、 集成穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓四部分。 4.2 秒脈沖產生電路 秒脈沖產生電路: 由于黃燈點亮時按秒閃動以及時間顯示按秒倒計時，所以需要設計秒脈沖 圖 4-1 直流穩(wěn)壓電源原理圖 產生電路。秒脈沖產生電路實際就是一個多諧振蕩電路，它可以是用門電路和 電阻、電容組成的多諧振蕩電路，也可以是用定時器 555 和電阻、電容組成的 多諧振蕩器。為了電路簡單和調節(jié)振蕩周期方便，選擇用 555 定時器組成多諧 振蕩器。 振蕩周期的計算公式是：；電源電壓 1212 t(r2r ) c1n20.7(r2r )c ；其中電路圖中的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的

15、影響，一般選 cc v=+5v 2 c 用的瓷片電容。再次課程設計中要求 t=1s，選取，r1=560k,0.01 f 1 c =1 f 通過計算得 r2=434 k。當器件選取完成之后根據電路連接即可。 4.3 分頻器 因為該控制電路是以 4 秒為時間單位，即它的 cp 脈沖為 4 秒。為了使整體 電路工作步調一致，4 秒脈沖應該利用秒脈沖經分頻獲得，這就需要設計一個 4 分頻器電路。秒脈沖經 4 分頻后得到 4 秒脈沖，將其作為十二進制計數器的 cp 脈沖。本次課程設計使用兩個 d 觸發(fā)器組成 4 分頻器電路。 圖 4-2 555 定時器 圖 4-3 555 定時器構成多諧振蕩器的原理圖

16、4s 脈沖是為 74ls164 提供的 cp 脈沖。從理論上講，4s 脈沖可以用多諧振蕩 器來產生。為了使整體電路的脈沖協(xié)調一致，4s 脈沖應將秒脈沖經過 4 分頻器 得出。因此，4s 脈沖電路的設計實際上就是 4 分頻器的設計。使用 74ls74 實 現 4 分頻器。 其四分頻的電路原理圖如下圖所示： 4.4 十二進制計數器 由信號燈白天點亮流程圖可以得知，任何方向的信號燈的一個工作循環(huán)為 十二進制（綠、黃、紅時間比例為 5：1：6） ，因此需要設計十二進制計數器， 循環(huán)工作控制白天信號燈的點亮。因此，用移位寄存器組成十二進制計數器， 擬選用 8 位串入并出移位寄存器 74ls164。 圖

17、4-7 74ls164 功能表器原理圖 圖 4-4 74ls74 引腳結構圖 圖 4-5 74ls74 真值 表 圖 4-6 四分頻的電路原理圖 圖 4-8 74ls164 引腳圖 應用電路：用 74ls164 組成的 12 進制扭環(huán)型計數器電路 ，其電路圖如下圖 所示。 a、b:串行輸入端。當兩個輸入端任何一個或兩個為低電平時禁止新數據 輸入，并在下一個時鐘的上升沿輸出移位，并將第一級（）置為低電平。 a q 當兩個均為高電平時，在下一個時鐘的上升沿輸出移位，并將第一級（） a q 置為高電平。 其 12 進制扭環(huán)型計數器真值表如下圖所示： 由上圖可以看出，根據 cp 脈沖的變化， 的輸出有

18、 12 個不同的狀態(tài)，從而實現了 a bc defgh qqqqqqqq、 電路的 12 進制計數。 4.5 邏輯控制電路 邏輯控制電路是本設計的核心電路，由它控制交通信號燈按要求方式點亮 (一般經驅動電路去控制信號燈)。根據白天信號燈的點亮要求，將時序邏輯電 cc v r 圖 4-9 12 進制扭環(huán)型計數器電路原理圖 圖 4-10 74ls164 真值表 路的輸出作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出給信號燈的驅動電 路。夜晚工作方式也需要組合邏輯電路的功能以及秒脈沖通過與門實現。 組合邏輯電路的真值表如圖所示： 圖 4-11 組合邏輯電路的真值表 根據上圖真值表寫出組合邏輯電路輸出與

19、輸入的表達式，經化簡得： feq qnsg feq qewg feq qnsy feq qewy f qnsr f qewr 由上述表達式可以看出，組合邏輯電路用到兩個非門，四個兩輸入與門。 建議非門選用 ttl 集成門 74ls04，與門選用 ttl 集成門 74ls08。 當然，以上僅是考慮白天工作方式時的情況。下面將介紹白天和夜間綜合 考慮的情況，綜合考慮后，表達式需要修改，則門電路也需要作響應的修改。 黃燈點亮的按秒閃動，將在下面考慮。 白天和夜間綜合考慮組合邏輯電路表達式和門電路的修改 按設計要求，夜間僅有南北和東西方向的黃燈點亮，而其它燈熄滅。為此， 在夜間應使 74ls164 停

20、止循環(huán)工作，即通過開關將 74ls164 的接地，使dr 74ls164 的所有 q 端全部清零。白天為高電平，74ls164 循環(huán)工作。dr 由 74ls164 組成的 12 進制扭環(huán)形計數器電路中的開關就是白天、夜 間控制開關。 在夜間由于使所有的 74ls164 的 q 端清零，因此會出現以下問0rd 題： (1)，由于夜間 q 端均為低電平，則 nsg 為高電平，即南北 feq qnsg 綠燈點亮，顯然這是不允許的，所以 nsg 的表達式需要修改； (2)，由于夜間 q 端均為低電平，則 ewr 為高電平，即東西紅 f qewr 燈點亮，顯然這是不允許的，所以 ewr 的表達式需要修改

21、； (3) 由于夜間 、均為低電平時，則 feq qnsy feq qewy e q f q nsy、ewy 為低電平，即南北和東西方向的黃燈不能點亮，顯然這是不允許的， 所以 nsy、ewy 的表達式需要修改。 上述三個問題不符合信號燈的點亮要求。解決辦法如下： (1)在夜間由于,將原兩輸入與門改為三輸入與門。那么在夜間由 ef q =q =0 于，則 nsg0，即夜間南北綠燈不點亮；在白天由于，則0rd1rd 即南北綠燈按白天工作方式點亮。d efef nsgr q q =q q (2)在夜間由于,的解決方法：令，即將 f q =0 f ewrq1ewrrq d f ewr 與之間的連線改

22、為額兩輸入的與門。那么，在夜間由于，則 f qdr0 ，即夜間東西紅燈紅燈不亮；而在白天，則，ewr=0dr1d ff ewrr q =q 即東西方向紅燈按白天工作方式點亮。 雖然，在夜間由于，則，即南北紅燈不亮。但為 f nsg=q f q0nsg0 了對稱也將其修改為。d f nsgr q (3)在夜間由于，使均為 0 的解決方法：使 ef q =q0 e nsyq q ，即將原來的兩輸入與門改為在與門之 fde nsyrq q edf ewyrq q 后增加一級兩輸入或門，其中一個輸入端為，即將經過一級非門后輸出，dr dr 另一個輸出端為原來兩輸入與門的輸出(的輸出或的輸出)。那么在

23、fe q q fe q q 夜間由于，則，即南北和東西方向的黃燈點亮；d d r1,r0nsyewy=1 而在白天由于，則，d d r0,r1d fe nwyrq q ，即各方向的燈按白天工作方式點亮。d eeff nwyrq q =q q 經過修改之后的組合邏輯電路輸出與輸入的表達式為： d ef nsgq q rd ef ewgq q r fed nsyq q +r efd ewyq q +r d f nsrq rd f ewrq r 其邏輯控制原理電路如下圖所示： 通過以上電路圖，根據芯片引腳位置，選擇合適位置的引腳連接電路可以 實現交通燈的點亮要求。 4.64.6 信信號燈驅動電路的設

24、計驅動電路的設計 本次課程設計選擇使用基本共射放大電路對發(fā)光二極管進行驅動，使其點 亮。其設計電路如下圖所示： 對此基本共射放大電路進行設計參數的選擇： 電源電壓：； cc v=5v 集電極直流負載電阻的計算與確定：發(fā)光二極管的驅動電流為 3 ma c r 20ma，發(fā)光二極管的驅動電壓大概是 1.7v 左右，其截止時不工作，正常工作 時處于飽和狀態(tài)，由于 uces=0.3v 可忽略，rc=(vcc-1.7)*1000/（320） ，即 rc 為 1651100，可取 rc=220，此時它的驅動電流為 15ma。因此 r1=220。 發(fā)光二極管飽和時 uce=0.7v,ibs15/100=0.

25、15 ma,因為 ibibs,可取 ib=1ma。高 電平時，rb=5k。因此 r2=5k。 4.74.7 白天夜間模式切換的設計白天夜間模式切換的設計 為了使實驗在一次課時間內完成，本設計中白天與夜間的轉換開關為手動 開關。在實際應用中可以設計自動轉換開關。 由經過修改之后的組合邏輯電路輸出與輸入的表達式可以看出，白天與夜 間模式的轉換由 74ls164 的引腳控制。當時為白天工作模式，drdr =1 時為夜晚工作模式。dr =0 根據此次電路設計要求，以上為所有基本電路的單元電路的詳細設計。 圖 4-13 發(fā)光二極管進行驅動電路 圖 4-12 邏輯控制電路 5 multisim 仿真電路圖

26、及其波形 5.1 仿真電路圖 由于信號燈采用三極管 9031 驅動，所以其仿真電路應如下圖所示： 5.2 仿真電路連接圖及其波形： 通過 multisim 仿真后： 1.5v 直流電源電壓仿真的電路連接圖： 圖 5-1 仿真電路圖 圖 5-2 直流電源仿真電路連接圖 仿真后變壓器降壓后變壓器副邊電壓以及穩(wěn)壓后的電源電壓如下圖： 2.分頻器的仿真電路連接圖： 為了體現分頻的效果，把分頻器與 555 輸出的秒脈沖進行對比： 圖 5-4 分頻器與秒脈沖電路仿真電路連接圖 圖 5-3 仿真后經變壓器降壓以及穩(wěn)壓后的電壓 仿真后波形： 圖 5-5 秒脈沖與分頻器仿真波形圖 其中波形由上到下分別代表：秒脈沖、分頻器。由圖可以看出秒脈沖與分 頻器周期之間關系是：1:4。 3.分頻器與紅黃綠燈采用四蹤示波器的仿真電路連接圖： 圖 5-6 分頻器與紅黃綠燈采用四蹤示波器的仿真電路連接圖 仿真后分頻器、紅黃綠燈的波形如下圖： 其中波形由上到下分別代表： 1. 分頻器輸出波形 2. 紅燈波形 3. 綠燈波形 4. 黃燈波形 圖 5-7 時序仿真白天模式分頻器與紅黃綠燈波形 圖 5-8 時序仿真夜晚模式分頻器與紅黃綠燈波形 6 設計總結 交通信號燈的控制電路的設計與仿真的課程設計終于完成了，在這次設計 中我學到了很多的東西，不僅鞏固以前所學過的知識，而且學到了很多在書本 上所沒有學到過的知識。通