電子技術(shù)課程設計交通信號燈控制電路的設計與仿真

1、唐 山 學 院電子技術(shù)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 10電氣自動化1班 姓 名 學 號 指導教師 2012年1月2日至 1月6 日 共1周2012年1月6日目 錄1 引言11.1設計目的11.2設計背景12 設計原理33 總體設計43.1 單元電路設計43.2 時序仿真結(jié)果124 設計總結(jié)15參考文獻16附錄1 器件明細表17附錄2 仿真電路圖18課程設計說明書1 引言1.1設計目的通過一個學期的電子技術(shù)的學習，對一些電氣原件有了初步的認識 ，這次的課程設計主要綜合了解與運用所學的知識，通過這次課程設計來檢查這一學期的學習狀況。通過制作

2、來了解交通燈控制系統(tǒng)，了解譯碼器、計數(shù)器、寄存器芯片的作用。交通燈控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)城市交叉路口紅綠燈的控制。在現(xiàn)代化的大城市中，十字交叉路口越來越多，在每一個交叉路口都需要有一個準確的時間間隔和轉(zhuǎn)換順序，這就需要一個安全、自動的系統(tǒng)對紅、黃、綠的轉(zhuǎn)化進行管理。本次的設計就是基于此目的進行的。設計交通信號控制燈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5：1：6。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

3、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。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(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。1.2設計背景隨著世界范圍內(nèi)城市化和機動化進程的加快，城市交通越來越成為一個全球化的問題。城市交通基礎設施供給滯后于高速機動化增長需求，道路堵塞日趨加重，交通事故頻繁，環(huán)境污染加劇等問題普遍存在。目前，全國大中城市普遍存在著道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象，交通事故頻發(fā)，這給人民的生命財產(chǎn)安全帶來了極大的損失。如何解決城市交通問題已成為全社會關(guān)注的焦

4、點和大眾的迫切呼聲。探究城市交通發(fā)展中存在問題的原因，無論是從宏觀上還是從微觀上分析，其根本原因在于城市交通系統(tǒng)的管理機制不適應。城市交通控制系統(tǒng)（utc ，urban traffic control system）是現(xiàn)代城市智能交通系統(tǒng)（idj ，intelligent transport system）的組成之一，主要用于城市道路交通的控制與管理。城市平交路口實現(xiàn)交通信號控制是城市交通管理現(xiàn)代化的基本標志之一，是提高交通管理效能的重要技術(shù)手段。路口信號控制器是控制交叉路口交通信號的設備，它是交通信號控制的重要組成部分。各種交通控制方案，最終都要由路口信號控制器來實現(xiàn)。為了確保十字路口的行人

5、和車輛順利、暢通地通過,往往采用電子控制的交通信號來進行指揮。伴隨著社會的發(fā)展以及人類生活水平的提高,汽車的數(shù)量在不斷增加。multisim10是一款知名的eda仿真軟件，由加拿大iit、公司于2007年推出最新版本。在windows環(huán)境下，multisim10軟件有一個完整的集成化設計環(huán)境，它將原理圖的創(chuàng)建、電路的測試分析、結(jié)的圖表顯示等全部集成到同一個電路窗口中。在搭建實際電路之前，采用multisim10仿真軟件進行虛擬測試，可使實驗方法和實驗手段現(xiàn)代化，擴展實驗容量，使實驗內(nèi)容更完備，提高了實驗效率，節(jié)省大量的實驗資源。multisim10軟件進行設計仿真分析的基本步驟為：設計創(chuàng)建仿真

6、電路原理圖電路圖選項的設置使用仿真儀器設定仿真分析方法啟動multisim10仿真。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(lián)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。2 設計原理設計交通信號控制燈要求白天的工作方式如圖2-1：圖2-1 信號指示燈白天點亮流程圖南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮 5t南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮 1tt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夜晚的工作方式是：南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其他

7、燈不亮，因此總的設計框圖如圖2-2：東西信號燈南北信號燈組合邏輯電路十二進制計數(shù)器四分頻器秒脈沖產(chǎn)生電路系統(tǒng)電源工作方式控制開關(guān)圖2-2 整體電路設計框圖根據(jù)交通燈的性能要求以及整體電路圖，設計本次課程設計的交通燈電路。3 總體設計3.1 單元電路設計3.1.1 秒脈沖產(chǎn)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產(chǎn)生電路。秒脈沖產(chǎn)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(diào)節(jié)振蕩周期方便，選擇用555定時器組成多諧振蕩器。555定時器原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1(a)

8、和(b)所示。(b)(a) 圖3-1 555定時器原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)振蕩周期與頻率的計算公式為：t=(r1+2r2)cln2=0.7(r1+2r2)c,電源電壓為vcc=5v，其中電路圖中c2的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響，一般選用0.01f的瓷片電容。再次課程設計中要求輸出t=1s，選取電容為c=1f，r1=360k，根據(jù)振蕩周期計算，選擇電阻r2=560k。當元件選取完成后，根據(jù)電路原理圖連接電路（如圖3-2所示）既可。在multisim中進行仿如圖3-3：圖3-2 仿真信號電路原理圖u2lm555cmgnd1dis7out3rst4vcc8thr6con5tri2r1360¦

9、¸r2560¦¸c21ufc310nfxsc1abext trig+_+_1圖3-3 555多諧振蕩器仿真圖經(jīng)計算可得：t=1.036s，這與要求相符。3.1.2 十二進制計數(shù)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(shù)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(shù)器，擬選用8位串入并出移位寄存器74ls164。用74ls164組成的12進制扭環(huán)型計數(shù)器電路 ，其電路圖如圖3-4所示。圖3-4 74ls164電路圖3.1.3 分頻器電路的設計上述十二進

10、制計數(shù)器的時間單位為4秒，即它的cp脈沖為4秒。為了使整體電路工作步調(diào)一致，4秒脈沖應該利用秒脈沖經(jīng)分頻獲得，這就需要設計一個4分頻器電路。秒脈沖經(jīng)4分頻后得到4秒脈沖，將其作為十二進制計數(shù)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。 74ls74是內(nèi)有兩個d觸發(fā)器的ttl集成電路，將每一觸發(fā)器接成觸發(fā)器，兩級串聯(lián)就實現(xiàn)4分頻，即輸入1s脈沖，輸出4s脈沖。在multisim中四分頻的電路原理圖3-5所示，4分頻電路輸出波形如圖3-6所示：圖3-5 四分頻的電路原理圖 圖3-6 4分頻器電路的輸出波形從圖中可以看出由555定時器組成的多諧振蕩器將1s脈沖輸送給2分頻d觸發(fā)器，兩

11、級串聯(lián)就實現(xiàn)4分頻，即輸入1s脈沖，輸出4s脈沖。由示波器得t=4.095s，這與要求相符。3.1.4 直流穩(wěn)壓電源信號燈采用三極管9031驅(qū)動，其額定電流與額定電壓應滿足三級管的驅(qū)動能力，直流穩(wěn)壓電源的任務是為整體電路提供直流電源。故穩(wěn)壓電源電路的輸出電壓值和輸出電流值應滿足整體電路的需要。電源電壓采用直流5v，通過變壓器將室電降壓到交流9v，在通過整流橋整流濾波和穩(wěn)壓塊7805得到直流5v電壓。直流穩(wěn)壓電源的設計電路如圖3-7所示。圖3-7 直流穩(wěn)壓電源原理圖1mf在multisim中進行仿真如圖3-8：t1d13n2501243c31mfu18lm7805ctlinevregcommon

12、voltagev1220 vrms 50 hz 0° xmm1xmm2 圖3-8 直流穩(wěn)壓電源的仿真圖如圖3-8所示通過變壓器將市電降壓到交流9.135v，在通過整流橋整流濾波和穩(wěn)壓塊7805得到直流4.979v電壓，在允許范圍與要求相符。3.1.5 信號燈驅(qū)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(qū)動，使其點亮。其設計電路如圖3-9所示：圖3-9 發(fā)光二極管進行驅(qū)動電路對此基本共射放大電路進行設計幾參數(shù)的選擇：電源電壓：vcc=5v；集電極直流負載電阻rc的計算與確定：電路的直流輸出回路電壓方程為：uce=vcc-icr1，發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓大概是0.7v

13、左右，一般發(fā)光管的驅(qū)動電流取，大功率白光二極管可以到300ma（1w）600ma（2a)。此次課設所用的二極管電流為10ma20ma，則選取uce=0.4v，根據(jù)電路的直流輸出回路電壓方程計算得：r1=260，其功率：wrc=r1urc=5.2mw則選取r1=260的電阻即可。rb的阻值計算與確定：ibq=icq/=20/80=0.25ma，確定rbvcc/ibq=5k為統(tǒng)一選取，則rb取r1=5k電阻。3.1.6白天夜間模式切換的設計為了使實驗在一次課時間內(nèi)完成，本設計中白天與夜間的轉(zhuǎn)換開關(guān)為手動開關(guān)。在實際應用中可以設計自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。用光敏電阻或光敏二極管、光敏三極管組成光亮度檢測電路，光

14、亮度檢測電路檢測的電信號送入滯回電壓比較器，滯回電壓比較器根據(jù)光亮度輸出高低電平信號，這個信號經(jīng)延時電路后（可用單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)），作為白天與夜間的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。這樣當天黑以后經(jīng)一段延時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)成夜間工作方式。第二天天量后經(jīng)一段延時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換成白天工作方式。在本次課程設計中選擇使用手動切換白天與夜晚模式的選擇。由經(jīng)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(zhuǎn)換由74ls164的rd引腳控制。當rd=1時為白天工作模式，rd=1時為夜晚工作模式。根據(jù)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。3.1.7交通燈邏輯控制電路邏輯控制電路是本設計的核心電路

15、，由它控制交通信號燈按要求方式點亮(一般經(jīng)驅(qū)動電路去控制信號燈)。根據(jù)白天信號燈的點亮要求，將時序邏輯電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(qū)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(xiàn).組合邏輯電路真值表如表3-1所示。表3-1 組合邏輯電路真值表計數(shù)器輸出南北信號東西信號qa0111111000000qb0011111100000qc0001111110000qd0000111111000qe0000011111100qf0000001111110nsg1111100000001nsy0000010000000nsr0000001111110

16、ewg0000001111100ewy0000000000010ewr1111110000001根據(jù)上圖真值表寫出組合邏輯電路輸出與輸入的表達式，經(jīng)化簡得： 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。因此非門選用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

17、停止循環(huán)工作，即通過開關(guān)將74ls164的接地，使74ls164的所有q端全部清零。白天為高電平，74ls164循環(huán)工作。由74ls164 組成的12進制計數(shù)器電路中的開關(guān)就是白天、夜間控制開關(guān)。在夜間由于使所有的74ls164的q端清零，因此會出現(xiàn)以下問題：(1) ，由于夜間q端均為低電平，則nsg為高電平，即南北綠燈點亮，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，即東西紅燈點亮，顯然這是不允許的，所以ewr的表達式需要修改；(3) 由于夜間 、均為低電平時，則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

18、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。那么在夜間由于，則，即夜間南北綠燈不點亮；在白天由于，則即南北綠燈按白天工作方式點亮(2) 在夜間由于,的解決方法：令，即將ewr與之間的連線改為額兩輸入的與門。那么，在夜間由于，則，即夜間東西紅燈不亮；而在白天，則，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。但為了對稱也將其修改為。(3)在夜間由于，使均為0的解決方法：使，即將原來德兩輸入與門改為在與門之后增加一級兩輸入或門，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

19、么在夜間由于，則，即南北和東西方向的黃燈點亮；而在白天由于，則，各方向的燈按白天工作方式點亮。經(jīng)過修改之后的組合邏輯電路輸出與輸入的表達式為： 在此次邏輯電路的設計過程中用到的芯片有：74ls04，74ls08，74ls32，74ls11。74ls04為六組輸入與門；74ls08為四組二輸入與門；74ls32為四組二輸入或門；74ls11為三組三輸入或門。各個芯片的驅(qū)動電壓均為+5v。根據(jù)各芯片外部引腳不，選擇合適位置的引腳，連接電路。其邏輯控制原理電路如圖3-10所示：nsrnsgnsy圖3-10 邏輯控制原理圖3.2 時序仿真結(jié)果1 白天工作方式交通燈從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：

20、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)光二極管模擬如圖3-11所示。r3220¸r4220r5220¦¸r6220¦¸r7220¦¸r8220¦¸ewgewyewrnsgnsynsrq1q2q3q4q5q6r95k¦¸r105k¦¸r115k¦¸r125k¦¸r135k¦¸r145

21、k¦¸u3a74ls11n&u4a74ls11n&u5a74ls08n&u6a74ls08n&u7a74ls08n&u8a74ls08n&圖3-11東西方向紅燈亮南北方向綠燈亮南北方向綠燈點亮20秒后黃燈點亮，如圖3-12所示：r3220¦¸r4220¦¸r5220¦¸r6220¦¸r7220¦¸r8220¦¸ewgewyewrnsgnsynsrq1q2q3q4q5q6r95k¦¸r105

22、k¦¸r115k¦¸r125k¦¸r135k¦¸r145k¦¸u3a74ls11n&u4a74ls11n&u5a74ls08n&u6a74ls08n&u7a74ls08n&u8a74ls08n&圖3-12東西方向紅燈亮南北方向黃燈亮南北方向黃燈點亮4秒后，紅燈亮。東西方向紅燈滅，綠燈亮。如圖3-13所示：r3220¦¸r4220¦¸r5220¦¸r6220¦¸r7220

23、¦¸r8220¦¸ewgewyewrnsgnsynsrq1q2q3q4q5q6r95k¦¸r105k¦¸r115k¦¸r125k¦¸r135k¦¸r145k¦¸u3a74ls11n&u4a74ls11n&u5a74ls08n&u6a74ls08n&u7a74ls08n&u8a74ls08n&圖3-13東西方向綠燈亮南北方向紅燈亮東西方向綠燈點亮20秒后黃燈點亮，如圖3-14所示：r3220

24、¦¸r4220¦¸r5220¦¸r6220¦¸r7220¦¸r8220¦¸ewgewyewrnsgnsynsrq1q2q3q4q5q6r95k¦¸r105k¦¸r115k¦¸r125k¦¸r135k¦¸r145k¦¸u3a74ls11n&u4a74ls11n&u5a74ls08n&u6a74ls08n&u7a74ls08n&a

25、mp;u8a74ls08n&圖3-14東西方向黃燈亮南北方向紅燈亮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，如圖3-15。設置一個手動開關(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。r3220¦¸r4220¦¸r5220¦¸r6220¦¸r7220¦¸r8220¦¸ewgewyewrnsgnsynsrq1q2q3q4q5q6r95k¦¸r105k¦¸r115k¦¸r125k¦¸r

26、135k¦¸r145k¦¸u3a74ls11n&u4a74ls11n&u5a74ls08n&u6a74ls08n&u7a74ls08n&u8a74ls08n&圖3-15交通燈夜晚工作圖4 設計總結(jié)一周的課程設計結(jié)束了，這次課程設計不僅檢驗了我所學習的知識，也使得我學會如何嚴謹?shù)淖龀鲭娐贰Ｔ谠O計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，我更是從中學會了合作，最終成功的完成了課程設計。開始設計電路時，由于對各種元件的不熟悉，致使實驗結(jié)果與要求結(jié)果不同，通過整體的檢查和局部電路線的整改，最終使得結(jié)果與課

27、程要求相同。雖然這只是一個簡單的課程設計，但是通過這個課設我們體會到了親自設計電路的過程，也切實了解到了設計中應當注意的問題。最重要的是在自己動手設計電路，設計的思想、過程、各設計環(huán)節(jié)以及電路中各個部分的實現(xiàn)過程，我們都能比較深入的了解到。我們學習電子技術(shù)，只是學習的一些理論的東西，通過這次課設使得理論和實際有了聯(lián)系，更明確是了以后的學習目標。課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程自己的親身設計，使我在多方面都有所提高。通過這次課程設計，綜合運用本專業(yè)所學課程的理論和生產(chǎn)實際知識進行一次紅綠燈設計工作的實際訓練從而培養(yǎng)和提高學生獨立工作能力，鞏固與擴充了數(shù)字電子課程所學的內(nèi)容，掌握各種基本的電子元件的配合使用，熟悉了規(guī)范和標準，同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復習，獨立思考的能力也有了提高。參考文獻1 付家才電子工程實踐技術(shù)北京：北京工業(yè)出版社，20032 畢滿清電子技術(shù)實驗與課程設計北京：機械工業(yè)出版社，20013 閻石數(shù)字電子技術(shù)基礎（第五版）北京：高等教育出版社，20094 丁潤濤電子工程手冊北京：機械工業(yè)出版社，1995附錄1 器件明細表器件明細