數(shù)電交通燈課程設計

1、 目錄第1章 交通信號燈控制器的總方案及總設計框圖1 1.1 交通信號燈控制器的方案比較1 1.2 交通信號燈控制器的總方案選擇1 1.3 交通信號燈控制器的總設計框圖1第2章 單元電路設計2 2.1 秒脈沖發(fā)生器的設計2 2.1.1 秒脈沖發(fā)生器的功能及組成元件2 2.1.2 秒脈沖發(fā)生器的工作原理2 2.1.3 秒脈沖發(fā)生器電路所用芯片的管腳圖3 2.1.4 秒脈沖發(fā)生器電路元件參數(shù)的計算4 2.2 定時器電路的設計4 2.2.1 定時器的功能及組成元件4 2.2.2 定時器電路所用芯片的管腳圖及其功能表5 2.2.3 定時器電路工作原理7 2.3 控制器電路的設計8 2.3.1 控制器的

2、功能及組成元件8 2.3.2 控制器電路所用芯片的管腳圖及其功能表8 2.3.3 控制器電路工作原理9 2.4. 譯碼器電路的設計112.4.1 譯碼器的功能及組成元件112.4.2 譯碼器電路所用芯片的管腳圖112.4.3 譯碼器電路工作原理12第3章 交通信號燈控制器電路的仿真 13 3.1 ewb仿真軟件的介紹13 3.2 仿真波形13第4章 交通信號燈控制器的制作及調(diào)試16 4.1交通信號燈控制器的制作16 4.2交通信號燈控制器的調(diào)試16課程設計總結(jié)17參考文獻18 附錄a pcb原理圖19附錄b pcb板圖20附錄c 元器件明細清單21 第1章 交通信號燈控制器的總方案及總設計框圖

3、1.1 交通信號燈控制器的方案比較 方案1：采用max7000s系列的epm128lc-7芯片設計較少，但是采用的芯片比較貴，并且軟件的設計難度比較打，對軟件的設計要借助一定的工具，而實現(xiàn)這種邏輯編程的工具很貴。 方案2：采用at89c51單片機電路設計并制作。這種方案硬件少，基本上硬件設計沒有什么難度，都是常用的接法，軟件實現(xiàn)的難度不高，并且單片機電路電路也是常用的電路，芯片容易買到，價格有相對便宜。 方案3：采用傳統(tǒng)的數(shù)字電路設計制作方案。電路復雜，設計思維能力要求較高，調(diào)試起來也有一定的難度，而且電路需要的硬件多成本高制作方案。電路硬件比1.2 交通信號燈控制器的總方案選擇由于我們是在做

4、數(shù)字電路的課程設計，為了加深對數(shù)字電路知識的理解和掌握，所以本課題交通信號燈控制器選擇方案31.3 交通信號燈控制器的總設計框圖交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1-3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a車道或b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

5、：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。第2章 單元電路設計2.1 秒脈沖發(fā)生器的設計 2.1.1 秒脈沖發(fā)生器的功能及組成元件 秒脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生周期為1秒的的矩形波脈沖，其主要由ne555芯片組成的多諧振蕩器來實現(xiàn)。 2.1.2 秒脈沖發(fā)生器的工作原理 由555定時器構成的多諧振蕩器如圖2-1-2所示，r1，r2和c是外接定時元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到r2和c的連接處，將放電端（7腳）接到r1，r2的連接處。 由于接通電源瞬間，電容c來不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）vcc

6、，故高電平觸發(fā) 端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管vt截止。這時，電源經(jīng)r1，r2對電容c充電，使 電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當uc上升到（2/3）vcc時，輸出uo為低電平，放電管vt導通，把uc從（1/3）vcc 上升到（2/3）vcc這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間tph的長短與電容的充電時間有關 。充電時間常數(shù)t充=（r1r2）c。由于放電管vt導通，電容c通過電阻r2和放電管放電，電路進人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時間tpl的長短與電 容的放電時間有關，放電時間常數(shù)t放r2c隨著c的放電，uc下降，當uc下降到（1/3）vcc時，輸出uo。 為高電平，放電管vt

7、截止，vcc再次對電容c充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電 路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3）vcc 之間變化。圖2-1-2（b）所示為工作波形。 圖2-1-2 555定時器震蕩電路和工作波形圖 2.1.3 ne555芯片管腳圖及其功能表 ne555芯片管腳圖如下所示： 圖2-1-3 ne555芯片管腳圖 ne555的功能表如下所示：輸入輸出thtr/rd/outv狀態(tài)00導通2/31/3vcc10導通2/3vcc1/3vcc11截止1/3vcc1不變不變 表 2-1-3 ne555的功能表 2.1.4 秒脈沖發(fā)生

8、器電路的元件參數(shù)計算秒脈沖發(fā)生器電路原理圖如下所示：圖2-1-4 秒脈沖發(fā)生器電路原理圖根據(jù)圖2-1-2中uc的波形可以確定振蕩周期為 t=tph+tpltph對應的充電時間 tph=0.7(r1+r2)c (2-1-4-1)tpl對應的放電時間 tpl=0.7r2c (2-1-4-2)振蕩周期 t=tph+tpl=0.7(r1+2r2)c (2-1-4-3)振蕩頻率 f=1/t (2-1-4-4)取r2=47 k,r1=47 k,c1=10uf,代入(2-1-4-1)可得tph=0.7*(47+47)*10ms代入（2-1-4-2）可得tpl=(0.7*47)ms,將以上所得代入(2-1-4

9、-3) 可得t=tph+tpl=0.7(47+94)*10=987ms1s基本滿足設計要求，取濾波電容c2=0.01uf用以改善波形輸出，各元件參數(shù)如圖2-1-4所示2.2 定時電路的設計 2.2.1 定時器的功能及組成元件定時器的功能是實現(xiàn)精確定時，其電路組成元件由hd74hc11p.74ls04. 74ls163來實現(xiàn)hd74hc11p管腳圖如下圖所示: hd74hc11p 14 13 12 11 10 9 8 vcc 1c 1y 3c 3b 3a 3y 1a 2b 2a 2b 2c 2y gnd 1 2 3 4 5 6 7 圖2-2-1 hd74hc11p管腳圖 該芯片中有3個3輸入與門

10、，a.b.c為輸入，y為對應的輸出，在電路連接中，只要把a.b.c中其中的兩個接入，另一個懸空即可。 2.2.2 定時器電路所用芯片的管腳圖及其功能表74ls04管腳圖如下圖所示 74ls04 14 13 12 11 10 9 8 vcc 6q 6a 5q 5a 4q 4a 1a 1q 2a 2q 3a 3q gnd 1 2 3 4 5 6 7 圖2-2-2-1 圖 2-2-2-1 74ls04管腳圖該芯片中有6個非門，a為輸入，相對應的q為輸出74ls163管腳圖如下圖所示:圖2-2-2-2 74ls163管腳圖74ls163的功能表如下所示：輸 入 輸 出 ctp ctt cp d0 d1

11、 d2 d3q0 q1 q2 q30 1 o d0 d1 d2 d31 1 1 1 1 1 0 1 l o o 0 o od0 d1 d2 d3計 數(shù)保 持保 持表2-2-2-1 74ls163的功能表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。74ls163的引腳圖如圖2-2-2-1所示，其功能表如表2-2-2所示。圖中， 是低電平有效的同步清零輸入端，是低電平有效的同步并行置數(shù)控制端，ctp、ctt是計數(shù)控制端，co是進位輸出端，d0d3是并行數(shù)據(jù)輸入端，q0q 3是數(shù)據(jù)輸出端。由兩片74ls163級聯(lián)組成的定時器電路如圖2-2-3-2所示。 2.2.3 定時器電

12、路工作原理定時器電路原理圖如下所示：圖2-2-3-1 定時器電路原理圖其簡化圖如下所示：圖2-2-3-2 簡化圖74ls163是4位二進制同步計數(shù)器，它具有異步置0功能，同步并行置數(shù)功能和保持功能。電路的工作原理如下：當電路剛開始工作時左邊的高位片ctp=0,ctt=0,=1，右邊的低位片ctp=1,ctt=1,=1，來自編碼器的控制信號st=0,即 =1，在輸入時鐘脈沖cp上升沿的作用下，并行輸入的數(shù)據(jù)d0d3被置入計數(shù)器，即q3q2q1q0=d3d2d1d0=0000,同時右邊的低位片開始計數(shù)，當它計數(shù)到0100時，st=1, =0，計數(shù)器被置0，即q3q2q1q0=0，然后低位片又從0開

13、始計數(shù)，當?shù)臀黄嫈?shù)到q3q2q1q0=1111時，向左邊的高位片進1，當計數(shù)器計數(shù)到q7q6q5q4 q3q2q1q0=00011000時，控制信號st=1，=0，計數(shù)器又被置0，接著計數(shù)器有重復以上過程。2.3 控制器電路的設計 2.3.1 控制器的功能及組成元件控制器的功能是按預定的時間控制著每個交通燈的亮和滅。其電路由74ls153芯片和74ls74芯片來實現(xiàn)。 2.3.2 控制器電路所用芯片的引腳圖及其功能表74ls153 引腳圖如下所示： 圖 2-3-2 74ls153 引腳圖74ls153芯片功能表：輸入輸出1st/a1 a01d3 1d2 1d1 1d0 1y10000x x0

14、 00 11 01 1x x x xx x x 1d0x x 1d1 xx 1d2 x x1d3 x x x01d01d11d21d3 表 2-3-2 74ls153芯片功能表 2.3.3 控制器電路工作原理 畫出交通燈控制器的asm圖（1）a干道綠燈亮，b干道紅燈亮。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）a干道黃燈亮，b干道紅燈亮。表示甲干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，b干道禁止通行。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）a干道紅燈亮，b干道黃

15、燈亮。表示a干道禁止通行，b干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）a干道紅燈亮b干道黃燈亮。表示a干道禁止通行b干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12、1所示，控制器應送出a、b干道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見，把燈的代號

16、和燈的驅(qū)動信號合二為一，并作如下規(guī)定： ag=1：a干道綠燈亮；bg=1：b干道綠燈亮；ay=1：a干道黃燈亮；by=1：b干道黃燈亮；ar=1：a干道紅燈亮；by=1：b干道紅燈亮；控制器工作狀態(tài)及功能如下所示：控制狀態(tài)信號燈狀態(tài)車道運行狀態(tài)s0（00）a綠，b紅a干道通行，b干道禁止通行s1（01）a黃，b紅a干道緩行，b干道禁止通行s3 ( 11 )a紅，b綠a干道禁止通行，a干道通行s2（10）a紅，b黃a干道禁止通行，a干道緩行 表 2-3-3-1 控制器工作狀態(tài)及功能 設控制器的初始狀態(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

17、持s0不變。只有當s0的持續(xù)時間等于25秒時，tl=1，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號st（用條件輸出框表示st），并轉(zhuǎn)換到下一個工作狀態(tài)?？刂破鳡顟B(tài)轉(zhuǎn)換圖如下所示： 圖 2-3-3 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖控制器電路工作原理： 控制器是交通管理的核心，它應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。從算法狀態(tài)可以列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表4所示。選用兩個d觸發(fā)器ff1、ffo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ty無關，所以

18、用無關項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?？刂破鳡顟B(tài)轉(zhuǎn)換表如下所示：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q1nq0ntltyq1n+1q0n+1st000x000001x01101x001001x1111110x110111x10110x010010x1001 表 2-3-3-2 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 根據(jù)表2-3-3-2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

19、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?？刂破鞯倪壿媹D如圖2-3-3-2所示 圖2-3-3-2 控制器邏輯圖2.4. 譯碼器電路的設計2.4.1 譯碼器的功能及組成元件 譯碼器輸入為二進制代碼，輸出為與輸入代碼對應的特定信息，它可以是脈沖，也可以是電平，根據(jù)需要而定。此電路中譯碼器由三輸入與門hd74hc11p來實現(xiàn)2.4.2 譯碼器電路所用芯片的管腳圖譯碼器電路中用到了3輸入與門74hc11p芯片。該芯片中有3個3輸入與門，a.b.c為輸入，y為對應的輸出，在電路連接中，只要把a.b.c中其中的兩個接入，另一個懸空即可。hd74h

20、c11p管腳圖如下圖所示: 1a 2b 2a 2b 2c 2y gnd 1 2 3 4 5 6 7 hd74hc11p 14 13 12 11 10 9 8 vcc 1c 1y 3c 3b 3a 3y 圖2-4-2-1 hd74hc11p管腳圖該芯片中有3個3輸入與門，a.b.c為輸入，y為對應的輸出，在電路連接中，只要把a.b.c中其中的兩個接入，另一個懸空即可。2.4.3譯碼器電路工作原理譯碼器電路原理圖如下所示：圖2-4-2譯碼器電路原理圖原理圖上的6個交通燈中，上面的3個是a車道的，從上到下依次為綠.黃.紅燈，下面的3個是b車道的，從上到下也依次為綠.黃.紅燈，在原理圖中將控制器中74

21、ls74的輸出 q1、q0分別與74hc11p中相對應的四個與門的輸入相連。譯碼器的主要任務是將控制器的輸出 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)。在下表中用ag.ay.ar分別表示a車道的綠.黃.紅燈，用bg.by.br分別表示b車道的綠.黃.紅燈,控制器的狀態(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關系如表2-4-3所示。狀態(tài)ag ay arbg by br00100001010100011100110010001010表2-4-2控制器的狀態(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關系表第3章 交通信號燈控制器電路的仿真3.1 ewb仿真軟件的介紹 ewb的英文全名是electroni

22、cs workbench(電子工作臺)，它虛擬了一個可以對模擬電子電路和數(shù)字電子電路進行模擬仿真的工作臺，具有較完善的各種元器件模型庫和幾種常用的分析儀器。能進行電子電路設計，并能對電子電路進行較詳細的分析，包括靜態(tài)分析.動態(tài)分析.時域分析.頻域分析.噪聲分析.失真分析和器件的線性與非線性分析，還能進行離散傅里葉分析.零極點分析等多種高級分析。能將設計好的電路文件直接輸出到常用的一些電子電路排版軟件，如protel等，排出印刷電路板圖，為實現(xiàn)電子電路的設計提供了很大的方便。 3.2 仿真波形 將ewb中的示波器與仿真圖中555芯片3腳的輸出口相接得到秒脈沖波形秒脈沖電路仿真波形如下所示： 圖3

23、-2-1 秒脈沖波形仿真圖將邏輯分析儀logic analyzer與仿真圖中l(wèi)ed燈的6個輸入口相接，在圖中為上面6個連續(xù)的輸入口，同時將74ls74的兩個輸出口1q.2q也接入邏輯分析儀中，在圖中為下面的兩個輸入口當1q2q=00時，a干道綠燈亮，b干道紅燈亮，波形如下： 圖3-2-2 時序圖1當1q2q=01時，a車道黃燈亮，b車道紅燈亮，波形如下： 圖3-2-3 時序圖2當1q2q=11時，a干道紅燈亮，b干道綠燈亮，波形如下： 圖 3-2-4 時序圖3當1q2q=10時，a干道紅燈亮，b干道黃燈亮，波形如下 圖3-2-4 時序圖 4 第4章 交通信號燈控制器的制作及調(diào)試4.1交通信號燈

24、控制器的制作 首先，用protel99軟件畫出pcb原理圖，接著在pcb中布局.布線，布好線后再把布線圖紙用油印紙打印出來，緊接著用熨斗把油印紙上的電路圖印到銅制的pcb板子上，然后用鉆孔機把焊孔打穿，打完后把板子放到60攝氏度左右的腐蝕液中將沒有鋪線的銅腐蝕掉，板子完全腐蝕好后用清水清洗干凈，最后就是元器件的焊接了，在進行焊接前，首先要用萬用表對導線進行檢查，以確保導線沒有斷裂，然后對電烙鐵進行預熱處理，弄清元器件的引腳，當烙鐵頭達到一定溫度后，對照pcb布線圖進行元器件的焊接，直至把所有的元器件都認真的焊接完。4.2交通信號燈控制器的調(diào)試 整個電路焊接完之后，就可以對該電路進行調(diào)試和檢測了

25、，以發(fā)現(xiàn)和糾正設計方案的不足之處。在進行調(diào)試和測試之前，首先要對電路進行檢查。對照原理圖按順序一一檢查，以免產(chǎn)生遺漏。以元件作為中心進行檢查，把每個元器件的引腳依次檢查，看是否有接錯線或者漏接等問題，為了防止出現(xiàn)錯誤，最好對已經(jīng)檢查好的線路在原理圖上做好標記，倘若線路檢查有誤，則加以改正，倘若線路檢查無誤，則可以對線路進行調(diào)試和測試了。 用萬用表適當?shù)臋n位對線路進行測試，看線路是否有短路或者斷路等問題，如果出現(xiàn)錯誤，就立即進行改進，修改再進行調(diào)試。 在檢查無誤后就可以進行通電調(diào)試了，把+5v的電壓接入電路的電源入口，打開電源通電開關，led燈并沒有按設計的方案變化，一段漫長艱辛的調(diào)試工作就這樣

26、開始了，首先，我用萬用表的電壓檔位測量秒脈沖發(fā)生器的輸出，發(fā)現(xiàn)有秒脈沖的輸出，緊接著我檢查了芯片的時鐘輸入端，結(jié)果顯示時鐘輸入都正確無誤，然后我從頭到尾用電壓表測量了導線的通斷情況，發(fā)現(xiàn)導線都處于導通狀態(tài)，最后，我測量了led燈的輸入電壓的變化，發(fā)現(xiàn)有兩個led燈的電壓輸入沒有變化，有兩個led燈電壓有高低電壓的變化，但燈并沒有閃亮，我絞盡腦汁思考，但終因能力有限，沒能把實物調(diào)試出來。 課程設計總結(jié)該設計電路基本能滿足交通信號燈控制器的設計要求，通過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，能夠?qū)崿F(xiàn)交通十字路口管理的自動化控制。該電路設計相對來說比較簡單，實用。但設計中存在很多的不足之處，比如說該秒