課程設計（論文）交通燈控制電路設計

1、目錄一、引言 1二、設計任務及指標 2三、交通燈控制電路設計1.交通燈運行狀態(tài)分析 32.電路工作總體框圖 43.方案分析比較 54.單元電路的設計 4.1 電源電路設計 5 4.2 脈沖電路設計 6 4.3分頻電路設計 8 4.4 倒計時電路設計 10 4.5 控制電路設計 12 4.6 燈顯示電路設計 135.總體電路圖 156. 實驗數(shù)據(jù)和誤差分析 177. 體會總結 18四、致謝 19五、參考文獻 19引言當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術在19世紀就已出現(xiàn)了。1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍兩色的機械扳手式信號

2、燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩個以旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年始安裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示 “通行”。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按

3、一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長 一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國道路交通和道路標志信號協(xié)定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，

4、但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。設計任務要求一、 設計內容：設計十字路口的交通燈控制電路，要求交通燈變化次序為： 南北向 東西向1 綠燈30s 紅燈30s2 黃燈3s 紅黃燈3s3 紅燈20s 綠燈20s4 紅黃燈3s 黃燈3s5 綠燈30s 紅燈30s二、 基本原理多諧振蕩器、計數(shù)器、觸發(fā)器、門電路以及相關的模擬電路、數(shù)字電路知識。三、 功能描述：為方便描述及設計電路，將控制電路分為三層子電路。1. 時鐘信號發(fā)生層：產(chǎn)生方波作為時鐘信號。555定時器或運放2. 計時層：提供各狀態(tài)的變更觸發(fā)信號。集成同（異）步計數(shù)器3. 狀態(tài)層：鎖存控制交通燈狀態(tài)。jk觸發(fā)器交通燈控制

5、電路設計1、交通燈運行狀態(tài)分析交通燈控制電路，要求每個方向有三盞燈，分別為紅、黃、綠配以時間倒計時顯示。一個方向綠燈、黃燈亮時，另一個方向紅燈亮。每盞燈順序點亮，循環(huán)往復，每個方向順序為綠燈、黃燈、紅燈。交通燈的運行狀態(tài)共有四種，如圖1所示：北圖1 交通燈運行狀態(tài)分析圖狀態(tài)0支干道綠燈亮狀態(tài)1支干道黃燈亮狀態(tài)2主干道綠燈亮狀態(tài)3主干道黃燈亮十字路口的交通燈控制系統(tǒng)的工作過程如下：狀態(tài)0：東西方向車道的綠燈亮，車道通行；南北方向車道的紅燈亮，車道禁止通行。 狀態(tài)1：東西方向車道的黃燈亮，車道緩行；南北方向車道的紅燈亮，車道禁止通行； 狀態(tài)2：東西方向車道的紅燈亮，車道禁止通行；南北方向車道的綠燈

6、亮，車道通行； 狀態(tài)3：東西方向車道的紅燈亮，車道禁止通行；南北方向車道的黃燈亮，車道緩行；4種狀態(tài)循環(huán)往復，并且紅燈的倒計初始值為綠燈的倒計初始值和黃燈的倒計初始值之和。   交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉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)及功能如下表1所示?？刂破鳡顟B(tài)信號燈狀態(tài)車道運行狀態(tài)s0（00）s1（01）s2（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，乙車道緩行表1

7、 控制器工作狀態(tài)及其功能 2、電路工作總體框圖交通燈控制電路主要由以下幾部分構成，如圖2所示，有電源電路，脈沖電路，分頻電路，倒計時電路，(交通燈)狀態(tài)控制電路，燈顯示電路。脈沖電路分頻電路倒計時電路顯示器狀態(tài)控制電路燈顯示電路電路電源電路供電圖2 交通燈控制電路功能模塊框圖3、方案分析比較從交通燈控制電路功能模塊框圖可知在倒計時電路，狀態(tài)控制電路，燈顯示電路這三塊電路產(chǎn)生設計分歧。所以實現(xiàn)交通燈控制電路可以有2種方案：(1)先設計出讓交通燈按4種狀態(tài)循環(huán)變換的燈顯示電路，再通過燈的狀態(tài)控制倒計時顯示器的顯示的功能；(2)先設計讓倒計時顯示器按規(guī)律運行的電路，再通過倒計時電路的信號來控制交通燈

8、按4種狀態(tài)循環(huán)變換；方案1，2均符合設計的要求，但通過具體實踐和分析方案1顯示電路需要比較多的芯片，其電路不是太復雜，但是過程比較繁瑣。而方案2讓顯示電路來控制燈的發(fā)亮，這樣顯示電路就不受其他信號的影響，并且通過顯示電路來控制交通燈的狀態(tài)變換比較容易。綜上所述，選擇方案2來設計具體的電路。4、單元電路的設計4.1 電源電路電源電路主要由整流、濾波、穩(wěn)壓三部分組成，用于供給數(shù)字電路的工作電源。整流部分由變壓器與整流橋kbp210g組成。220v、50hz的交流輸入經(jīng)過變壓器之后，輸出9v、50hz的交流電壓。該電壓輸入整流橋，整流橋由四只整流二極管接成電橋的形式組成。整流橋輸出8.1v的直流電壓

9、。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，由1mf的電容組成電容濾波電路。電容濾波電路簡單，負載直流電壓較高，紋波也較小，適合負載電壓較高，負載變動不大的場合。穩(wěn)壓電路用于穩(wěn)定電壓的輸出，由三端集成穩(wěn)壓器l7805和電容組成。c2、c3用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，c4用于減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。multisim截圖如下：圖3：電源電壓電路4.2 脈沖電路利用555定時器為主組成多諧振蕩器，輸出4hz的矩型方波，實現(xiàn)脈沖電路功能。555定時器的原理圖如圖4所示，功能表如表2所示：圖4 555定時器原理圖表2 555定時器功能表輸入輸出閥

10、值輸入()觸發(fā)輸入()復位()輸出()放電管t00導通11截止10導通1不變不變組成的脈沖電路如圖 5所示：r2r1圖5 脈沖電路根據(jù)功能表和電路圖計算如下：取r1=10kw，r2=10 kw，c=1.6uf。即可實現(xiàn)輸出4hz的矩型方波。值得注意的是，在輸出端接上了一個開關，可以控制系統(tǒng)工作的開始和暫停。4.3 分頻電路分頻電路利用計數(shù)器74ls193來實現(xiàn)。圖6 74ls193原理圖：功能表：清零 預置 時鐘 預置數(shù)據(jù)輸入 輸出 rd ld cpu cpd a b c d qa qb qc qd h × × × × × ×

11、; × l l l l l l × × a b c d a b c d l h h × × × × 加計數(shù) l h h × × × × 減計數(shù)圖7 管腳：根據(jù)上面計算取4分頻，即輸出為端，電路如圖8所示：時間脈沖圖8分頻電路4.4 倒計時電路十字路口要有數(shù)字顯示，作為倒計時提示，以便人們更直觀地把握時間。具體為：當某方向綠燈亮時，置顯示器為某值，然后以每s減1的計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為3和0，十字路口綠、黃、紅燈變換，一次工作循環(huán)結束，而進入下一步某方向的工作循環(huán)。根據(jù)題目的要求南北

12、方向（主干道）車道和東西方向（支干道）車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，主干道每次通行時間都設為30s、支干道每次通行時間為20s。也就是一個循環(huán)是50s，如此先顯示30s后顯示20s倒計時，然后再顯示30s倒計時，以此類推。設計時采用兩塊74ls193，一塊是顯示十位，一塊是顯示個位。個位接成十進制，從9開始倒計時，當?shù)竭_0時，向高位發(fā)出一個借位信號，再繼續(xù)從9倒計時。一開始使十位數(shù)置數(shù)為3，二進制為0011，個位數(shù)為0，二進制為0000，此時個位產(chǎn)生一個借位信號給十位的脈沖輸入端，十位的74ls193芯片倒計時一次，結合個位的設置，電路從30開始倒計時。當主車道綠燈亮了27s，倒計時也已經(jīng)

13、數(shù)到了3了，此時，個位顯示3，十位顯示0，主車道的綠燈熄滅，主車道的黃燈開始倒計時閃亮3s，當?shù)褂嫊r到0后，個位芯片74ls193發(fā)出一個借位信號，向高位借數(shù)，但是高位已經(jīng)是0了，按照要求此時十位應該是從0翻轉2，即二進制0010，為了實現(xiàn)這功能，通過研究十位的二進制數(shù)發(fā)現(xiàn)，十位的二進制是從0011、0010、0001到0000計數(shù)完，翻轉為二進制0010，然后從0010、0001到0000倒計時，當?shù)?000后就結束一個循環(huán)，又從0011開始新的一個循環(huán)。從二進制0011和0010兩個不同的預置數(shù)，發(fā)現(xiàn)可以用1個d觸發(fā)器74ls74接成t觸發(fā)器并把q端接至十位倒計時的最低位來完成這個功能。高

14、位產(chǎn)生借位信號時將q端的信號置入，當這個借位信號（低電平）消失后，產(chǎn)生一個上升沿的脈沖信號，使t觸發(fā)器翻轉然后保持，下一個借位信號來時就把此時的q值置入（此時q值為原來的非，即由0變1或由1變0），然后翻轉。通過以上置數(shù)方式可實現(xiàn)0011和0010的交替置入。另外，通過在特定時刻（倒計時高位由0000變?yōu)?010后）對t觸發(fā)器進行清零，可實現(xiàn)主次干道通行時間的調整。最后將電路的倒計時接到譯碼器74hc4511，再接到共陰極數(shù)碼顯示管上顯示十進制數(shù)字。據(jù)此畫出倒計時電路如圖9所示：圖9 倒計時電路4.5 狀態(tài)控制電路如圖1，用倒計時控制燈的變化，先將圖示狀態(tài)0、1、2、3編碼為00、01、10、

15、11，當?shù)褂嫊r為30、20、3的時候產(chǎn)生一個信號給狀態(tài)轉換的電路，而這個信號是電平信號的話就很難實現(xiàn)，所以又用了邊沿觸發(fā)，此時用計數(shù)器表示狀態(tài)，取其低兩位的計數(shù)態(tài)00、01、10、11為燈的狀態(tài)，這樣的話，來一個邊沿信號就能使計數(shù)器加一，實現(xiàn)上述四狀態(tài)轉換。畫出狀態(tài)控制電路信號轉換表如表2所示：表3 狀態(tài)控制電路信號轉換表高位低位狀態(tài)轉換信號cp（）001100000010000000000101由表得出cp（）的表達式：電路圖如圖10：4.6 燈顯示電路首先要把控制的脈沖接入計數(shù)器74ls193的非減數(shù)的脈沖端，因為脈沖主要有四個，四個為一個循環(huán)，只取計數(shù)器的低位兩位即可，除了讓計數(shù)器工作的

16、接入端需要接電平外，其他端都不用接，再將計數(shù)器的低兩位接入譯碼器74ls138的低位兩端，從譯碼器輸出四位、信號，低電平有效，每一種低電平表示一種狀態(tài)，用、表示主干道的綠燈、黃燈、紅燈，用、表示支干道的綠燈、黃燈、紅燈，得出狀態(tài)表如表4所示。表4 燈顯示電路狀態(tài)表狀態(tài)譯碼信號主車道支車道 0011101 0 00 0 10111010 1 00 0 11010110 0 11 0 01101110 0 10 1 0由表得個各個燈的表達式：= = = = =為了讓黃燈能每s閃亮一次，可以在黃燈那里加入一個與門，把黃燈發(fā)亮的信號當成是與門的開通信號，與門的另一端接入時間脈沖，那么黃燈就可以實現(xiàn)每秒

17、閃亮一次的功能了。畫出燈顯示電路如圖11所示：圖11 燈顯示電路5、總體電路圖根據(jù)上面各功能電路的設計整合，用multisim仿真軟件畫出分層電路圖如下所示：接口6與下圖接口41相連接接口40與下圖接口24相連接口25與下圖接口18相連接6、實驗數(shù)據(jù)和誤差分析（1）電源電路：表5 電源電路誤差分析表理想值實驗值誤差電壓輸出5v5.04v0.8%結論：與理想值相差微小，原因為元器件本身問題，符合設計要求。（2） 十字路口交通燈轉換數(shù)據(jù)統(tǒng)計:表6 交通燈轉換數(shù)據(jù)統(tǒng)計表次數(shù)主干道支干道20次綠黃黃紅紅綠綠黃黃紅紅綠正確正確正確正確正確正確結論：干道交通燈轉換無問題。（3） 調試中發(fā)現(xiàn)倒計時的過程中，

18、從20倒計時至00，再變?yōu)?0或是從30倒計時至00，再變?yōu)?0，都有一瞬間有短暫的加快計數(shù)狀態(tài)，本來是一秒倒計一次，但實際上可能是0.7s左右。結論：這樣的誤差很小，不影響整個系統(tǒng)的功能。7、體會總結這次課程設計，加強了我動手、思考和解決問題的能力。電路原理和連接，和芯片上的選擇，也略懂。鞏固數(shù)字邏輯電路的理論知識，對計數(shù)器更加了解，懂得它的功能與其它芯片替換等.使dj觸發(fā)器從書本上的理論知識聯(lián)系到實際，讓我更加了解它的功能.還有如何利用555芯片產(chǎn)生脈沖.計數(shù)器的工作原理。 更重要的是如何將邏輯電路靈活運用于實際生活，同時也加強了對multisim仿真軟件的掌握。在做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時看課本，這次看了，下次就忘了，主要是因為沒有動手實踐過吧！認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。故一個小小的課程設計，對我們的作用是如此之大。致謝感謝學校給我們鍛煉的機會，感謝老師們的指導，在同學們的互相幫助，互相啟示，最終設計出電路來，非常感謝在過程中幫助過我們的每一個人！ 在電路設計和論文寫作的過程中，得到了許多同學的寶貴建議，同時還得到他