交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)方案

1、南陽(yáng)理工學(xué)院數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課題名稱 交通燈控制電路 姓 名 馬鈺欣 系 部 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 專 業(yè) 15物聯(lián)網(wǎng)班 指導(dǎo)教師 徐國(guó)清 2016年12月18日目 錄1 設(shè)計(jì)目的.32 設(shè)計(jì)思路.33 設(shè)計(jì)過(guò)程.3 3.1 設(shè)計(jì)方案.4 3.2 電路設(shè)計(jì).5 3.2.1 秒脈沖發(fā)生器.6 3.2.2 定時(shí)器.6 3.2.3 控制器.8 3.2.4 譯碼電路.10 3.2.5 顯示部分.11 3.2.6 總原理圖.124 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果.125 主要元件.136 結(jié)論.137 設(shè)計(jì)心得體會(huì).148 附錄.14 8.1 總原理圖.149 參考文獻(xiàn).15交通燈控制電路摘要：交通信號(hào)燈常用于交

2、叉路口，用來(lái)控制車輛的流量，提高交叉口車輛的通行能力，減少交通事故。本交通燈設(shè)計(jì)主要由秒脈沖發(fā)生器、定時(shí)器、控制器、譯碼顯示電路組成。秒脈沖發(fā)生器由LMC555CH產(chǎn)生脈沖，定時(shí)器由74LS160實(shí)現(xiàn)，控制器由74LS153和74LS74組成，譯碼電路采用74LS48和七段數(shù)碼管來(lái)顯示?？刂破魍ㄟ^(guò)ST信號(hào)對(duì)定時(shí)器進(jìn)行控制，從而顯示紅黃綠燈的轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵字：交通燈 控制器 秒脈沖發(fā)生器 定時(shí)器 譯碼器1、 設(shè)計(jì)目的（1） 熟悉集成電路的引腳安排（2） 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法（3） 了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法（4） 了解數(shù)字交通燈控制電路的組成及工作原理（5） 學(xué)會(huì)用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)

3、行仿真（6） 熟悉數(shù)字交通燈控制電路的設(shè)計(jì)與制作2、 設(shè)計(jì)思路（1） 設(shè)計(jì)秒脈沖發(fā)生器（2） 設(shè)計(jì)交通燈定時(shí)電路（3） 設(shè)計(jì)交通燈控制電路（4） 設(shè)計(jì)交通燈譯碼電路（5） 設(shè)計(jì)交通燈顯示時(shí)間電路3、 設(shè)計(jì)過(guò)程3.1 設(shè)計(jì)方案用數(shù)字電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)交通燈控制 交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3-1所示 它主要由控制器、定時(shí)器、譯碼器和秒脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時(shí)器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時(shí)器和譯碼器的工作。 TL：表示甲車道或乙車道綠燈亮的時(shí)間間隔為25秒，即車輛正常通行的時(shí)間間隔

4、。定時(shí)時(shí)間到，TL=1，否則，TL=0。 TY：表示黃燈亮的時(shí)間間隔為5秒。定時(shí)時(shí)間到，TY=1，否則，TY=0。SY：表示定時(shí)器到了規(guī)定的時(shí)間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)。由它控制定時(shí)器開始下個(gè)狀態(tài)的定時(shí)。3-1系統(tǒng)的原理圖 （1）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(shí)間間隔TL時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作態(tài)。 （2）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過(guò)停車線的車輛停止通行，已過(guò)停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔TY時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （3）甲車道紅燈亮，乙車道綠燈

5、亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行，綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔TL時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)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，乙車道上未過(guò)停車線的車輛停止通行，已過(guò)停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔TY時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)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)換是由控制器進(jìn)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1-1所示，控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號(hào)。為簡(jiǎn)便起見，把燈的代號(hào)和燈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)合二為一，并做

6、如下表1-1規(guī)定：表1-13.2 單元電路的設(shè)計(jì)3.2.1 秒脈沖發(fā)生器秒脈沖發(fā)生器由LMC555CH電路及其外圍電路組成，其中R2=10k，R3=68k，C3=300nf的電阻電容值決定了脈沖寬度。T=（R2+2R3）C2ln2，當(dāng)T=1秒時(shí)，即可湊出R2、R3、C3，其中C3=300nf是為了保持輸出的波形穩(wěn)定。如圖3-2所示，R2=10k、C3=300nF組成一個(gè)串聯(lián)RC充放電電路，在LMC555CH的DIS管腳上輸出一個(gè)方波信號(hào)，C3上得到一個(gè)三角波，此三角形波送到LMC555CH的TRI管腳輸入端，由LMC555CH內(nèi)部的比較器和門電路共同作用，維持DIS腳上的方波信號(hào)和OUT管腳上

7、的輸出方波。3-2 秒脈沖發(fā)生器原理圖秒脈沖還可以由芯片CD4060和74LS74及其外圍電路構(gòu)成，該電路選用石英晶體結(jié)構(gòu)制成振蕩器，在經(jīng)過(guò)分頻電路得到秒脈沖。振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。如果精度要求不高也可以采用集成邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器以及集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。因此，該設(shè)計(jì)選著由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生秒脈沖。3.2.2 定時(shí)器定時(shí)器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，要求計(jì)數(shù)器在狀態(tài)信號(hào)ST作用下，首先清零，然后在時(shí)鐘脈沖上升沿作用下，計(jì)時(shí)器從零開始進(jìn)行增1計(jì)數(shù)，向控制器提供模5的定時(shí)信號(hào)TY和模25的定時(shí)信號(hào)

8、TL。計(jì)數(shù)器選用集成電路74LS160進(jìn)行設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)便。74LS160是10進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，它具有異步清零、同步置數(shù)的功能。74LS160功能表如表1-2所示：表1-2表示RD是低電平有效的同步清零輸入端，LD'是低電平有效的同步并行置數(shù)控制端，EP、ET是設(shè)計(jì)交通燈的圖數(shù)控制端，CO是進(jìn)位輸出端，D0D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q0Q3是數(shù)據(jù)輸出端。設(shè)計(jì)圖如3-3所示：圖3-3 交通燈定時(shí)器其工作原理為：由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖CLK分別送給兩個(gè)74LS160的清零端9處。如圖所示：輸入端3、4、5、6分別接地。U1的7和10由U2的11、14經(jīng)過(guò)與門相與后相連。即只有當(dāng)11、14處

9、產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖時(shí)才能觸發(fā)U1中的14產(chǎn)生脈沖。當(dāng)U13C74LS04的ST信號(hào)分別送給U1和U2的LOAD，就可以得到TY和TY非是秒脈沖的5倍；TL和TL非得結(jié)果是秒脈沖的25倍。除此，還可以用74LS163來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)定時(shí)器，但是由于該芯片不是十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，因此在進(jìn)位時(shí)要加上一個(gè)與門，設(shè)計(jì)如下圖3-4，因?yàn)樵撾娐放c圖3-3的定時(shí)電路多用了一個(gè)與門，因此不選用。圖3-4 由74LS193構(gòu)成的定時(shí)電路3.2.3 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)定控制信號(hào)燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表1-3所示： 表1-3 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表根據(jù)上表刻意推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)

10、換信號(hào)方程，其方法是：將Q1n+1，Qnn+1和ST為1的項(xiàng)所對(duì)應(yīng)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，然后將各項(xiàng)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(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)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)選擇器輸入端作為控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)控制器的功能。控制器原理圖如圖3-5所示。圖中R、C構(gòu)成復(fù)位電路。由兩個(gè)雙多路轉(zhuǎn)換器74LS153和一個(gè)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)換器與觸發(fā)器配合實(shí)現(xiàn)4種狀態(tài)的相互交換。圖3-5交通燈控制器 其原理為：CLK分別送給U6A和U6B的3和11的清

11、零端。將TY接入U(xiǎn)4的5和U5的4和5；TY非接入U(xiǎn)4的4。如上圖所示：74LS74兩個(gè)D觸發(fā)器作為時(shí)序寄存器產(chǎn)生四種狀態(tài)。選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)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)選擇端作為控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)控制器的功能。 3.2.4 譯碼電路譯碼器的主要任務(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(gè)信號(hào)燈的工作狀態(tài)?？刂破鞯臓顟B(tài)編碼與信號(hào)燈控制信號(hào)之間的關(guān)系如表1-4所示。表中A、B代表甲、乙車道。表1-4 控制器狀態(tài)編碼與信號(hào)燈關(guān)系 由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的周期性變化的CLK脈沖，一部分送給了定時(shí)器的74LS160芯片，另一部分送

12、給了控制器的74LS74芯片。在脈沖ST同時(shí)加到定時(shí)器74LS160芯片的情況下，通過(guò)芯片74LS160將會(huì)輸出TY、TY非；TL、TL非。即TY和TY非放大的結(jié)果是秒脈沖的5倍；TL和TL非放大結(jié)果是秒脈沖的25倍。前者輸出的信號(hào)是后者的1/5。將定時(shí)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(huì)輸出高低變換的電平?？刂破髦械男盘?hào)再送給由芯片74LS08組成的譯碼器后再通過(guò)電路中的指示燈和200歐的電阻從而得到交通燈的邏輯電路，這種電路的結(jié)果最終通過(guò)小燈的正常閃爍來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路圖設(shè)計(jì)如下：圖3-6 譯碼器部分原理圖3.2.5 顯

13、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(duì)74LS160的輸出信號(hào)進(jìn)行譯碼，然后通過(guò)七段數(shù)碼管顯示出74LS160的計(jì)數(shù)。即交通燈需要顯示的時(shí)間。其設(shè)計(jì)如圖3-7所示：圖3-7 由74LS48和數(shù)碼管組成的電路3.2.6 總原理圖4、 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果（1） 組裝調(diào)試秒脈沖電路。（2） 進(jìn)行定時(shí)電路的組裝和調(diào)試。當(dāng)輸入1Hz的始終脈沖信號(hào)時(shí)，要求電路能進(jìn)行增計(jì)時(shí)，當(dāng)增計(jì)時(shí)到25時(shí)，能輸出有效的定時(shí)時(shí)間信號(hào)。（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(shí)序配合關(guān)系。然后檢查電路各部分的功能，使其滿足設(shè)計(jì)要求。最終調(diào)試如下： 接上電源，便可

14、以進(jìn)行交通燈控制系統(tǒng)的仿真，電路默認(rèn)把通車時(shí)間設(shè)為25秒，甲車道方向綠燈亮，行人、車輛都可以自由通行；乙車道方向車道的紅燈亮，車輛禁止通行。時(shí)間顯示器從預(yù)置的0秒，以每秒增加1，增加到25到0時(shí)，甲道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，其余等都不變。從增至5秒又到0時(shí)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。5、 主要原件集成電路：LMC555CH1片74LS1602片 74LS084片 74LS043片 74LS1532片 74LS742片 74LS482片 74LS001片 74LS101片 SEVEN_SEG_COM_A_BLUE2片電阻：200歐姆7個(gè) 10K歐姆1個(gè) 68K歐姆1個(gè)

15、電容：10f1個(gè) 300nf1個(gè) 10nf1個(gè)其他：LED燈6個(gè)6、 結(jié)論1、 能實(shí)現(xiàn)的功能交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和計(jì)時(shí)時(shí)間的顯示，基本能實(shí)現(xiàn)甲、乙道路直行和轉(zhuǎn)彎燈的顯示功能。2、 不足之處交通燈中沒(méi)有右轉(zhuǎn)燈，用的芯片太多；應(yīng)在十字路口設(shè)置兩組顯示器，分別顯示計(jì)時(shí)；應(yīng)選用減法計(jì)數(shù)器，方便行人、車輛作出判斷。7、 設(shè)計(jì)心得體會(huì)我覺得做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問(wèn)題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問(wèn)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(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐讓我對(duì)各個(gè)元件映象深刻。認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我受益頗多。雖然花了很多時(shí)間，但是學(xué)到了很多東西，在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我想了很多種方案，對(duì)同一個(gè)問(wèn)題（像計(jì)數(shù)器的解法）都想了很多種不同的接法，運(yùn)用不同的芯片進(jìn)行了比較，最后還是采用了上面的方法進(jìn)行連接。我了解到課程實(shí)習(xí)設(shè)計(jì)是開端，連接是關(guān)鍵，測(cè)試是必須。這次動(dòng)手設(shè)計(jì)既鞏固了課堂