課程設(shè)計--交通信號燈的控制電路

1、.數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計課 題：交通信號燈的控制電路班 級：學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 目 錄前言.3課程設(shè)計的要求和主要內(nèi)容.4主控制器電路的設(shè)計.6計時器的設(shè)計.12譯碼驅(qū)動電路的設(shè)計.14采用的原件.15附錄 前 言紅綠燈（交通信號燈）系以規(guī)定之時間上交互更迭之光色訊號，設(shè)置于交岔路口或其他特殊地點，用以將道路通行權(quán)指定給車輛駕駛?cè)伺c行人，管制其行止及轉(zhuǎn)向之交通管制設(shè)施。為一由電力運轉(zhuǎn)之交通管制設(shè)施，以紅、黃、綠三色燈號或輔以音響，指示車輛及行人停止、注意與行進，設(shè)于交岔路口或其他必要地點。 誕生19世紀(jì)初，在英國中部的約克城，紅、綠裝分別代表女性的不同身份。其中，著紅裝的女人表示我

2、已結(jié)婚，而著綠裝的女人則是未婚者。后來，英國倫敦威斯敏斯會議大樓前經(jīng)常發(fā)生馬車軋人的事故，于是人們受到紅綠裝啟發(fā)，1868年12月10日，信號燈家族的第一個成員就在倫敦議會大廈的廣場上誕生了，由當(dāng)時英國鐵路信號工程師德·哈特設(shè)計、制造的燈柱高7米，身上掛著一盞紅、綠兩色的提燈-煤氣交通信號燈，這是第一盞信號燈。在燈的腳下，一名手持長桿的警察隨心所欲地牽動皮帶轉(zhuǎn)換提燈的顏色。后來在信號燈的中心裝上煤氣燈罩，它的前面有兩塊紅、綠玻璃交替遮擋。不幸的是只面世23天的煤氣燈突然爆炸自滅，使一位正在值勤的警察也因此斷送了性命。 從此，城市的交通信號燈被取締了。直到1914年，在美國的克利夫蘭市

3、才率先恢復(fù)了紅綠燈，不過，這時已是“電氣信號燈”。稍后又在紐約和芝加哥等城市，相繼重新出現(xiàn)了交通信號燈。 隨著各種交通工具的發(fā)展和交通指揮的需要，第一盞名副其實的三色燈(紅、黃、綠三種標(biāo)志)于1918年誕生。它是三色圓形四面投影器，被安裝在紐約市五號街的一座高塔上，它的誕生，使城市交通大為改善。 電子技術(shù)課程設(shè)計一、設(shè)計指標(biāo)及要求題目：交通信號燈控制電路的設(shè)計要求：1.主干道經(jīng)常通行; 2.支干道有車才通行： 3.主、支干道均有車時，兩者交替通行，并要求主干道每次至少放行30秒，支干道每次至多放行20秒； 4.每次綠燈變紅燈時，要求黃燈先亮5秒鐘（此時原紅燈不變）。 電路方框原理圖 本設(shè)計重點

4、要求是設(shè)計出主控制器、計時器。傳感器信號可以用邏輯開關(guān)代替，信號燈可以采用發(fā)光二級管，“秒”信號脈沖可以用1Hz脈沖信號代替。2、 課程設(shè)計說明書的主要內(nèi)容（字?jǐn)?shù)；40005000字）： 1、設(shè)計任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)和要求； 2、個單元電路的詳細(xì)設(shè)計計算，元器件選擇，電路圖等； 3、整體電路的工作原理說明； 4、用EWB或Multisim繪制原理圖，仿真。主控制器的設(shè)計從所給的題目可知，本實驗電路的設(shè)計師關(guān)于交通信號燈電路的控制，其中要求中提到支道有才通行，主道是要經(jīng)常通行，則此時主道應(yīng)該為綠燈，支道應(yīng)該為紅燈。當(dāng)支道和主道都有車要通行時，則主道和支道交替通行，且當(dāng)綠燈變紅燈需經(jīng)過黃燈，二紅燈變

5、綠燈則不需要。根據(jù)題目要求可分為4種情況：1. 主道為綠燈時，支道為紅燈；2. 主道為黃燈時，支道為紅燈；3. 主道為紅燈時，支道為綠燈；4. 主道繼續(xù)為紅燈時，支道轉(zhuǎn)為黃燈；按照這4個狀態(tài)循環(huán)一、狀態(tài)分析 由于有四種狀態(tài)2n=4,則n=2。我們可以確定主控制器中必須有兩個觸發(fā)器。本實驗中選擇的是74109的JK觸發(fā)器。 接下來設(shè)計具體的電路，按以下幾個步驟：把主道為紅，支道為綠,記為狀態(tài)S0；把主道為黃，支道為紅,記為狀態(tài)S1；把主道為紅，支道為綠,記為狀態(tài)S2；把主道為紅，支道為黃,記為狀態(tài)S3；二、狀態(tài)表S0用“00”表示，S1用“01”，S2用“10”，S3用“11”，則可列出下表 主

6、支狀態(tài)記為綠紅S000黃紅S101紅綠S210紅黃S311 表 1結(jié)合題目分析上表可知，1.當(dāng)電路處于S0有兩種可能：主干道有車支干道無車；主干道和支干道都有車但是沒過30'。2.當(dāng)電路處于S1時，沒過5'。3.當(dāng)電路處于S2時也有兩種可能：支干道有車，主干道無車；主、支干道都有車但是沒過20'。4.當(dāng)電路處在S3時，沒過5'。5.當(dāng)由S0轉(zhuǎn)換為S1時的條件是：主干道無車，支干道有車；主干道和支干道都有車但是過了30'。6.當(dāng)由S1轉(zhuǎn)換為S2時的條件是過了5'。7.當(dāng)由S2裝換為S3時的條件是：支路無車，主干道有；主支都有但是過了20'。

7、8.當(dāng)由S3裝換為S0時的條件是：過了5'。三狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 根據(jù)上訴4種狀態(tài)可以列出下面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖： 圖2四、邏輯抽象1.對主干道與支干道有無車進行抽象，令主干道有車時記為A=1，無車時記為A=0;支干道有車時記為B=1，無車時記為B=0；有車無車主（A）10支 (B )10 表22. 對30'，20'，5'是否到來進行抽象，令30到來時記為L=1，沒到記為L=0; 20'到來時記為S=1，沒來記為S=0； 5'到來時記為P=1，沒來記為P=0;到來未到30'（L）1020'（S）105'（P）10 表3則圖二可以轉(zhuǎn)換為：

8、 圖三五、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表由圖三可以列出相應(yīng)的狀態(tài)裝換表，如下所示：ABLSPQ2Q1Q2*Q1*X0XXX0000110XX000001XXX0001111XX0001XXXX00101XXXX1011001XXX101011X0X101010XXX101111X1X1011XXXX01111XXXX11100 表四六、列出邏輯函數(shù)式運用Multisimz中的邏輯轉(zhuǎn)換功能（Logic Converter）可以分別計算出Q2*，Q1*的最簡邏輯式如圖四，圖五所示：Q1*的化簡結(jié)果： （圖四）Q2*的化簡結(jié)果： （圖五） 由上圖可知Q1*=A'BFG'+AB'FG'+E

9、'G+BCF'G'+ADFG'=A'BQ2Q1+AB'Q2Q1'+P'Q1+BLQ2'Q1'+ASQ2Q1'Q2*=AFG'+E'FG+EF'G+BFG'=AQ2Q1'+P'Q2Q1+PQ2'Q1+BQ2Q1' Q1*，Q2*為主控制器的輸出，因為輸出方程式驅(qū)動方程帶入JK觸發(fā)器的特性方程得出的，所以可以分離出JK觸發(fā)器的驅(qū)動方程：JK觸發(fā)器的特性方程為：J=JQ'+K'Q,則：Q1*=A'BFG'+AB'

10、;FG'+E'G+BCF'G'+ADFG'=A'BQ2Q1+AB'Q2Q1'+P'Q1+BLQ2'Q1'+ASQ2Q1'=(A'BQ2+AB'Q2+ASQ2+BLQ2')Q1'+P'Q1Q2*=AFG'+E'FG+EF'G+BFG'=AQ2Q1'+P'Q2Q1+PQ2'Q1+BQ2Q1'=PQ1Q2'+(AQ1 +P'Q1+BQ1')Q2從上式中可得：J1=A'BQ

11、2+AB'Q2+ASQ2+BLQ2' K1'=P' J2=PQ1 K2'=AQ1 +P'Q1+BQ1'七、選用芯片，按要求連接電路選用74109JK觸發(fā)器，將J1，K1所表示的電路接入第一塊芯片的1J與1K'，J2，K2接入第二片的2J,2K'上，兩塊芯片的CLR'不接，VCC接高電平，GND接地，時鐘信號接同步的脈沖信號，信號脈沖頻率為1Hz.上從上述驅(qū)動方程可以連接出以下電路圖： （圖6） 計時器電路的設(shè)計本實驗的及時器有3種類型，30'，20'，10'計時，而且每個計時器響應(yīng)時相應(yīng)的條

12、件也不相同，所以需要3種不同的及時器記錄三種時間，本實驗選用的是74160二進制計時器。Q2'Q1'一、計時條件 當(dāng)電路進行及時時需要在一定的條件下進行： 當(dāng)進行30'記時條件是主干道和支干道均有車且處在So的狀態(tài) 當(dāng)進行20'記時條件是主干道和支干道均有車且處在S2的狀態(tài) 當(dāng)進行5'記時條件是主干道和支干道均有車且處在S1或者S3的狀態(tài) 對應(yīng)上述條件可列出計時的時候，不同時間的電路所需的邏輯條件： 進行30'計時時，邏輯條件為ABQ2'Q1' 進行20'計時時，邏輯條件為ABQ2Q1' 進行5'計時時，邏

13、輯條件為ABQ2'Q1+ABQ2Q12、 芯片選擇 由于每一種邏輯條件下只能讓一個計時器工作，所以這里用到的是74HC138（3線-8線譯碼器）當(dāng)輸入一種狀態(tài)，輸出只有與之對應(yīng)的輸出端輸出低電平，下圖為條件控制的電路 （圖7）將Y4反向后端接入30'計時的EP,ET,將Y6反向接入20'計時的EP,ET.將Y5與Y7反向后經(jīng)過一個與門接入5'計時的EP,ET上，即完成主控制器對計時器的選擇。在計時器的電路方面，由于選用的是74160，則應(yīng)把邏輯條件作為計時器的控制端，接與EP,ET上，當(dāng)邏輯條件為“1”時，EP=ET=1，芯片工作。時鐘信號選用同步時鐘與主電路選

14、用相同脈沖信號，此處用的是同步置零的方法，當(dāng)要設(shè)計一個30'時，須從29的狀態(tài)經(jīng)過一個反向接入同步置數(shù)端，當(dāng)要接一個20'時須從19的狀態(tài)經(jīng)過一個反向接入同步置數(shù)端，當(dāng)要接5'時須從4的狀態(tài)經(jīng)過一個反向接入同步置數(shù)端.，輸入信號統(tǒng)一接地，各個電路的進位輸出作為時鐘型號是否到來的標(biāo)志接入主控制器。具體的，在30'計時器中，第二塊芯片的Q1，與第一塊芯片的Q3，Q0共同接入一個與非門，經(jīng)過一次與非接入LD'中，輸出信號為置零信號取反作為30'計時標(biāo)志，接入主控制器，記為“L”。在20'計時器中，第二塊芯片的Q0，與第一塊芯片的Q3，Q0共同接

15、入一個與非門，經(jīng)過一次與非接入LD'中，輸出信號為置零信號取反作為20'計時標(biāo)志，接入主控制器，記為“S”。在5'計時器中，將Q2接入非門接入LD'中，輸出信號為置零信號取反作為20'計時標(biāo)志，接入主控制器，記為“P”。電路如圖所示： （圖8）譯碼器電路的設(shè)計1、 邏輯轉(zhuǎn)換將主干道的紅，綠，黃分別設(shè)為R,Y,G。將支干道的紅，綠，黃分別設(shè)為r,y,g.2、 信號譯碼器的真值表由于是主控制器的Q1，Q2控制燈的明暗，由主控制器的轉(zhuǎn)換圖可以知道： 當(dāng)主干道為紅，支干道為綠，電路處在S0狀態(tài),此時Q1=0，Q2=0;當(dāng)主干道是黃，支干道為紅，電路處在S1狀態(tài),

16、此時Q1=1，Q2=0;當(dāng)主干道是紅，支干道是綠，電路處在S2狀態(tài),此時Q1=0，Q2=1;當(dāng)主干道是綠，支干道是黃，電路處在S3狀態(tài),此時Q1=1，Q2=1.Q1Q2010101103、 列出卡洛圖Q1Q201001100R的卡洛圖，化簡得：R=Q1'Q2 r的卡洛圖，化簡得；r=Q1'Q2'+Q1Q2'Q1Q201000110Q1Q201000101 Y的卡洛圖，化簡得：Y=Q1Q2' y的卡洛圖，化簡得：y=Q1Q2 Q1Q201010101Q1Q201000110G的卡洛圖，化簡得；G=Q1'Q2'+Q1Q2 g的卡洛圖，化簡得；

17、g=Q1'Q2根據(jù)上述邏輯式可設(shè)計出譯碼器電路圖，如下圖所示； 將上訴三種電路按步驟連接起來就得到最后的交通信號燈的控制電路，此電路以同一的脈沖為1Hz的信號為時鐘信號，主控制器采用兩片JK觸發(fā)器，輸入信號為傳感器的輸出A,B和時間控制信號L,S,P.輸出為Q1，Q2作為譯碼器電路的輸入信號，計時器采用了個74138（3線-8線譯碼器）對輸入條件進行控制，當(dāng)一個條件到來時，只會有一個時間進行相應(yīng)。計時器才用的是74160二進制計時器，才用同步置零的方法對時間進行控制。（整體電路圖鑒附錄一） 采用的元器件有：74138譯碼器兩個74109JK觸發(fā)器，五個74160計時器，若干與非門，導(dǎo)線

18、若干，脈沖輸入信號器。6個指示燈，5個數(shù)字顯示器。 課程設(shè)計總結(jié)與體會經(jīng)過緊張而有辛苦的二周的課程設(shè)計結(jié)束了通過此次課程設(shè)計，自己也學(xué)到的很多。不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識，在和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)的過程中也學(xué)會了合作，也學(xué)會了做人與處世。通過設(shè)計實踐，樹立了正確的設(shè)計思想，增強創(chuàng)新意思和競爭意識，熟悉掌握了課程設(shè)計的一般規(guī)律，也培養(yǎng)了分析和解決問題的能力。在具體做的過程中，從設(shè)計到計算，從分析到繪圖，讓我更進一步的明白了作為一個設(shè)計人員要有清晰的頭腦和整體的布局，要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和不厭其煩的細(xì)心，要有精益求精、追求完美的一種精神。說實話，課程設(shè)計真的有點累然而，當(dāng)我一著手清理自己的設(shè)計成果，漫漫回味這2周的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使倦意頓悟 通過課程設(shè)計，使我深深體會到，干任何事都必須耐心，細(xì)致課程設(shè)計過程中，許多計算有時不免令我感到有些心煩意亂：有2次因為不小心我計算出錯，只能重來 這次課程設(shè)計使我在工作作風(fēng)上得到了一次難得的磨練 短短2周是課程設(shè)計，使我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識是真正如此的缺乏，自己綜合應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)知識能力是如此的不足。在這