交通燈設(shè)計數(shù)電課程設(shè)計報告(DOC25頁)

1、課程設(shè)計論文題 目：交通燈定時控制系統(tǒng)的設(shè)計、制作學 院：_ _專 業(yè)：_學 號：_姓 名：_指導(dǎo)教師：_完成日期： 設(shè)計任務(wù)書在城鎮(zhèn)街道的十字交叉路口，為了保證交通秩序和行人安全，一般在每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號燈，其中紅燈亮，表示該條道路禁止通行；黃燈亮表示該條道路上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行；綠燈亮表示該條道路允許通行。交通燈控制電路自動控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，指揮各種車輛和行人安全通行，實現(xiàn)十字路口交通管理的自動化。設(shè)計一個十字路口的交通燈定時控制系統(tǒng)，基本要求如下：（1）甲車道和乙車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設(shè)

2、為25秒。（2）每次綠燈變紅燈時，黃燈先亮5秒鐘，才能變換運行車道。（3）黃燈亮時，要求每秒鐘閃亮一次。選做擴展功能：（4）十字路口有數(shù)字顯示燈亮時間，要求燈亮時間以秒為單位作減計數(shù)；（5）要求通行時間和黃燈亮的時間均可在099s內(nèi)任意設(shè)定。目錄一、交通燈設(shè)計原理4二、單元電路的設(shè)計.81、秒脈沖發(fā)生器.82、定時器.93、控制器.114、譯碼器.145、顯示部分.166.整個交通燈控制系統(tǒng)的布局.17三、仿真過程與效果分析.17四、元器件清單.19五、體會總結(jié).20六、參考文獻.21七、附錄一交通燈設(shè)計原理交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等

3、部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該 系統(tǒng)中定時器和控制器的標準時鐘信號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時器和譯碼器的工作。圖中： TL: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間間隔。定時時間到，TL=1，否則，TL=0。TY：表示黃燈亮的時間間隔為5秒。定時時間到，TY=1，否則，TY=0。ST：表示定時器到了規(guī)定的時間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。 由它控制定時器開始下個工作狀態(tài)的定時。圖1 交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖兩方向車道的交通燈的運行狀態(tài)共有4種(因人行道的交通燈和車道的交通燈是同步的,所以不考慮)，如

4、表1所示表1信號燈狀態(tài)車道運行狀態(tài)甲綠，乙紅甲黃，乙紅甲紅，乙綠甲紅，乙黃甲車道通行，乙車道禁止通行甲車道緩行，乙車道禁止通行甲車道禁止通行，乙車道通行甲車道禁止通行，乙車道緩行一般十字路口的交通燈控制系統(tǒng)的工作過程如下：（1）圖甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（2）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（3）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲

5、車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行綠燈亮足規(guī)定的時間間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（4）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上位過縣停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。 交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器器進行控制的。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、11、10，并分別用S0、S1、S3、S2表示，則控制器的工作狀態(tài)及功能如表2所示表2控制工作狀態(tài)及其功能控制器狀態(tài)信號燈狀態(tài)車道運行狀態(tài)S0（00）S1（01）S2

6、（11）S3（10）甲綠，乙紅甲黃，乙紅甲紅，乙綠甲紅，乙黃甲車道通行，乙車道禁止通行甲車道緩行，乙車道禁止通行甲車道禁止通行，乙車道通行甲車禁止道通行，乙車道緩行控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見，把燈的代號和燈的驅(qū)動信號合二為一，并作如下規(guī)定： AG=1：甲車道綠燈亮；BG=1：乙車道綠燈亮；AY=1：甲車道黃燈亮；BY=1：乙車道黃燈亮；A R=1：甲車道紅燈亮； BY=1：乙車道紅燈亮；由此得到交通燈的ASM圖，如 圖2所示。設(shè)控制器的初始狀態(tài)為S0（用狀態(tài)框表示S0），當S0的持續(xù)時間小于25秒時，TL=0（用判斷框表示TL），控制器保持S0不變。只有當S0的持

7、續(xù)時間等于25秒時，TL=1，跳轉(zhuǎn)到S1，這時當S1持續(xù)時間小于5秒時TY=0，控制器保持S1不變，只有當持續(xù)時間等于5秒時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST（用條件輸出框表示ST），也就是說每跳轉(zhuǎn)一次持續(xù)總時長為30秒，然后轉(zhuǎn)換到下一個S2狀態(tài)，滿足條件又跳到S3的總時長30秒工作狀態(tài)。依此類推可以弄懂ASM圖所示表達的含義。AR BYSTAG BR01TYTL010011TLAR BGSTTYAY BR圖2畫出交通燈控制器的ASM三單元電路的設(shè)計（1）秒脈沖發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器用的是555定時器構(gòu)成多諧震蕩器，震蕩頻率為： f=1.43/(R1+2R2)C電路圖如下圖：圖3 秒脈沖產(chǎn)生器圖4 秒

8、脈沖產(chǎn)生器結(jié)果（2）定時器定時器由與系統(tǒng)秒脈沖（由上面時鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的計數(shù)器構(gòu)成，要求計數(shù)器在狀態(tài)信號ST作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從0開始進行加1計數(shù)，向控制器提供模5的定時信號TY和模25的定時信號TL。計數(shù)器選用集成電路74LS163進行設(shè)計較簡便。74LS163是4位二進制同步計數(shù)器，它具有同步清零、同步置數(shù)的功能。其功能表如表所示。表中，LD為置數(shù)端，RD為清除端，EP,ET為使能端。圖4則為兩片74LS163連接的定時電路圖。表3 74LS163功能表CLKRDLDEP ET工作狀態(tài)XXX0 1111X0111X XX X0 1X 01 1置零預(yù)

9、置數(shù)保持保持（C=0）計數(shù)圖5 74LS163組成定時器電路圖還可以用74LS160來實現(xiàn)這個定時器。但是由于該芯片不是二進制而為十進制計數(shù)器，在進行拓展是更加方便。其定時器電路圖如下：圖6 74LS160組成的定時器電路圖（3）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)則控制信號燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。從ASM圖可以列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表12、3所示。選用兩個D觸發(fā)器做為時序寄存器產(chǎn)生 4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為TL和TY，當控制器處于Q1n+1Q0n+1 00狀態(tài)時，如果TL 0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果，則控制器轉(zhuǎn)換到Q1n+1Q0n+1 01狀態(tài)。這兩種情況與條件

10、TY無關(guān)，所以用無關(guān)項X表示。其余情況依次類推，同時表中還列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST。表3 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 根據(jù)表12、3、可以推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號方程，其方法是：將Q1n+1、Q0n+1和 ST為1的項所對應(yīng)的輸人或狀態(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，然后將各與項相或，即可得到下面的方程：根據(jù)以上方程，選用數(shù)據(jù)選擇器 74LS153來實現(xiàn)每個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即可實現(xiàn)控制器的功能。控制器原理圖如圖7所示。由兩個雙多路轉(zhuǎn)換器74LS153和一個雙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

11、觸發(fā)器配合實現(xiàn)4種狀態(tài)的相互交換。 電路邏輯圖如下：圖 7控制器邏輯圖其原理為： CLK分別送給U7A和U7B的3和11的清零端。將TY接入U4的5和U5的4和5；TY非接入U4的4；TL接入U4的10和U5的3和6；TL非接入U4的13。如上圖所示：74LS74兩個D觸發(fā)器作為時序寄存器產(chǎn)生4種狀態(tài)。選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來實現(xiàn)每個D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的的現(xiàn)態(tài)值加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇端作為控制信號，即可實現(xiàn)控制器的功能。(4）譯碼器 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)，翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態(tài)?？刂破鞯臓顟B(tài)編碼與信號燈控制信號之間的

12、關(guān)系如表 4所示。表4控制器狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表Q1 Q0AG綠燈AY黃燈AR紅燈BG綠燈BY黃燈BR紅燈0 01000010 10100011 10011001 0001010通過與門來簡潔翻譯成兩路交通的亮滅，其中，黃燈的閃爍，是通過時鐘信號的高低電平和Q1，Q0的狀態(tài)控制其亮滅及閃爍。下圖為譯碼器及交通燈部分的電路圖：圖8 譯碼器及交通燈電路圖其原理為：將定時器輸出的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中會輸出高低變化的電平?？刂破髦械男盘栐谒徒o由芯片74LS08組成的譯碼器后再通過電路中的指示燈和200歐的電阻從而得到交通

13、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現(xiàn)。(5）顯示部分顯示部分由74LS48和共陰極七段數(shù)碼管組成，74LS48作為譯碼器，對74LS160的輸出信號進行譯碼，然后通過七段數(shù)碼管顯示出74LS160的計數(shù)。即交通燈需要顯示的時間。其設(shè)計如圖下：圖9 顯示部分電路圖(6)整個交通燈控制系統(tǒng)的布局四 仿真過程與效果分析1.系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果（1）組裝調(diào)試秒脈沖電路。（2）進行定時電路的組裝和調(diào)試。當輸人1Hz的時鐘脈沖信號時，要求電路能進行增計時，當增計時到25時，能輸電有效的定時時間到信號。（3）調(diào)試交通燈控制器以及顯示部分。 （4）判斷各部分電路之間的時序配合關(guān)系。然后檢查電路各

14、部分的功能，使其滿足設(shè)計要求。最終調(diào)試如下：接上電源,便可以進行交通燈控制系統(tǒng)的仿真，電路默認把通車時間設(shè)為25秒，甲車道方向綠燈亮，行人車輛都可自由通行；乙車道方向車道的紅燈亮，車輛禁止通行。時間顯示器從預(yù)置的0秒，以每秒增1，增到25到0時，甲道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，其余燈都不變。從增至5秒又到0后時甲車道的黃燈轉(zhuǎn)換為紅燈；乙車道的紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈。如此循環(huán)下去。2.實體電路仿真成功后，按照仿真圖進行實物連接及調(diào)試。調(diào)試過程如下：（注：調(diào)試的常用儀器有：萬用表、示波器、信號發(fā)生器。）電路通電前的檢查：電子安裝完畢，通常不宜急于通電，要形成這種習慣，先要仔細檢查。其檢查內(nèi)容包括：（1） 連線是否正

15、確按照實際線路來對照原理圖電路進行查線。以元件為中心進行查線。把每個元件引腳的線一次查清，檢查每個去處在電路圖上是否存在，防止出現(xiàn)錯線和少線，多線。同時對于已查過的線通常應(yīng)在電路圖上做出標記。 （2） 元器件的安裝情況 檢查元器件引腳之間有無短路和接觸不良，尤其是電源和地腳，發(fā)光二極管“+”、“-”極不要接反。以上檢查完畢后把經(jīng)過準確測量的電源接入電路。觀察有無異?，F(xiàn)象，包括有無元件發(fā)熱，甚至冒煙有異味電源是否有短路現(xiàn)象等；如有此現(xiàn)象，應(yīng)立即斷電源，待排除故障后才能通電。若無異常則直接通電。四元器件清單 集成電路 74LS74 1片 74LS48 2片 74LS163 2片（或74LS160

16、2片） 74LS04 1片 74LS08 2片 74LS153 2片 74LS00 1片 N555 1片 芯片座若干 電容 10F , 0.01F , 電阻 47K 兩個 發(fā)光二極管 6 個 （紅黃綠各2個） 五體會心得通過這次課程設(shè)計，不僅加深了我對數(shù)字邏輯電路的理解，而且加強了我獨立思考和合作交流及動手能力。通過每個模塊的設(shè)計加深了對理論知識的掌握，同時在焊接電路板時，真切的到實踐和理論并非同一回事，比如在TL和TL非的轉(zhuǎn)換是，我一開始采用的是與門和非門，結(jié)果需要給74LS163高電平信號才能進行循環(huán)，但是在仿真中卻能得出正確結(jié)論，經(jīng)過多次示波器檢測，發(fā)現(xiàn)TL和TL非處出現(xiàn)了不定態(tài)所導(dǎo)致，

17、最后將TL和TL非處的轉(zhuǎn)換變成與非門和非門的連接方式。從這次實踐中，深深的體會到了“實踐出真知”這句話的真正內(nèi)含。同時在這次實踐中，加強了對各種元器件的認識，比如電解電容引腳長的為正極，集成片該如何放置等，同時使更加熟練了焊接技術(shù)。還認識到多跟同學交流的重要性，這樣不僅可以是自己設(shè)計出更好更簡潔的電路，而且能使自己少走彎路，分享彼此在實踐中中的遇到的問題，還可以使自己學到更多，對問題理解的更加透徹。比如剛開始時自己設(shè)計的仿真電路出問題時，通過和他人討論發(fā)現(xiàn)問題出在74LS163的置數(shù)端沒有接高電平，并且我也幫別人檢查的仿真電路時知道了74LS153的輸入端口應(yīng)該注意順序。通過本次實踐，我也知道了耐心才能出成績，堅持才能達成目的。在第一遍仿真的時候，我發(fā)現(xiàn)自己的電路圖出不了答案，但是對自己的思路進行檢查發(fā)現(xiàn)沒有錯誤。為了防止是接線上的錯誤，我又做了第二遍，結(jié)果依然失敗。最終經(jīng)過四次仿真，多個問題的逐個解決才得到了正確數(shù)據(jù)。而在焊實際電路板時，我第一次的電路板出現(xiàn)了電源和地之間出現(xiàn)了部分短接，經(jīng)過多次排查依然查找不出原因。在這樣的沮喪下，我只好重新焊過，并且改進自己的方法，最終我才獲得了一塊成功的交通燈電路板。不得不說，如果不是這份和堅持我