電子技術課程設計(交通燈)

1、湖南文理學院課程設計報告課程名稱： 電子技術課程設計 教學院部： 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 完成時間： 報告成績： 評閱意見： 評閱教師 日期 目錄一、引言 3二、設計題目 3三、設計任務與要求 3四、方案選擇與論證 3五、單元電路設計 4 1、脈沖發(fā)生器 2、定時器 3、控制器 4、譯碼器 5、交通信號燈 六、總電路圖及其原理說明 9七、仿真過程與效果分析 11 八、實驗儀器設備及元器件清單 12 九、心得體會與總結 13 十、參考文獻 13 一、引言： 數(shù)字電路技術基礎是高等學校弱點類各專業(yè)的一門重要的技術基礎課程。這門課程發(fā)展迅速、實用性和應用性強，側重于邏輯行為的認知和驗證。

2、隨著社會經濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關注。人、車、路三者關系的協(xié)調，已經成為交通管理部門亟待需要解決的問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代化城市交通監(jiān)測指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。同時也隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京、長沙等大城市都出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況。因此，自80年代后期這些城市紛紛修建城市高速公路，在高速公路建成完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮預期的作用。而城市高速道路在構造上的特點，也決定

3、了城市高速道路的交通道路必然受高速與普通道路耦合處交通住哪個科的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的問題。為此，本次設計完成的就是交通燈設計。以下就是城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)的電路原理圖、設計計算和實驗調試等問題來具體分析討論。二、設計題目：交通燈控制器設計三、設計任務與要求：設計一個十字路口的交通信號燈控制器，控制A、B兩條交叉道路上的車輛通行，具體要求如下：(1)每條道路設一組信號燈，每組信號燈有紅、綠、黃三個燈組成，綠燈表示允許通行，紅燈表示禁止通行，黃燈表示該車道

4、上已過停車線的車輛繼續(xù)通行，未過停車線的車輛停止通行。(2)要求甲車道和乙車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設為25秒； (3)每次交換通行車道之前，要求黃燈先亮5秒，才能變換運行車道； (4)黃燈亮時，要求每秒鐘閃亮一次 。 四、方案選擇與論證： 1 ）電源提供方案為使模塊穩(wěn)定工作，須有可靠電源，我們考慮了兩種電源方案方案一： 采用獨立的穩(wěn)壓電源，此方案的優(yōu)點是穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點是各模塊都采用獨立，會使系統(tǒng)復雜，且可能影響電路電平。方案二： 采用單片機控制模塊提供電源，改方案的優(yōu)點是系統(tǒng)簡明扼要。節(jié)約成本；缺點是輸出功率不高。綜上所述，我們選擇第二種方案。

5、2 ) 顯示界面方案該系統(tǒng)要求完成倒計時、狀態(tài)燈等功能，基于上述原因，我們考慮了三種方案；方案一： 完全采用數(shù)碼管顯示，這種方案只顯示有限的符號和數(shù)碼字符，無法勝任題目要求。方案二： 完全采用點陣式LED顯示。這種方案實現(xiàn)復雜，且須完成大量的軟件工作,但功能強大，可方便的顯示各種英文字符、漢字、圖形等。方案三： 采用數(shù)碼管與點陣LED相結合的方法因為設計既要求倒計時數(shù)字輸出，又要求有狀態(tài)燈輸出等。為方便觀看并考慮到現(xiàn)實情況測探數(shù)碼管與LED燈分別顯示時間與提示信息，這種方案既滿足系統(tǒng)功能要求，又減少了系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度。權衡利弊。第三種方案可互補一二方案的公優(yōu)缺，我們決定采用方案三以實現(xiàn)系統(tǒng)的顯

6、示功能。3）輸入方案： 題目要求系統(tǒng)能手動設燈亮時間、緊急情況處理，我們討論了兩種方案：方案一： 采用8155擴展I/O口及鍵盤，顯示等。該方案的優(yōu)點是：使用靈活可編程，并且有RAM,及計數(shù)器。若用該方案，可提供較多I/O口，但操作起來稍顯復雜。方案二： 直接在I/O口線上接上按鍵開關。因為設計時精簡和優(yōu)化了電路，所以剩余的口資源還比較多，我們使用四個按鍵，分別是K1、K2、K3、K4。由于該系統(tǒng)對于交通燈及數(shù)碼管的控制，只用單片機本身的I/O口就可實現(xiàn)，且本身的計數(shù)器及RAM已經夠用，估選擇方案二。五、單元設計 (1)脈沖發(fā)生器 脈沖信號發(fā)生器用的是555定時器構成多諧振蕩器，振蕩頻率為：

7、F=1.43/(R1+2R2)C電路圖如下圖1：圖1（2）定時器 定時器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時鐘脈沖產生器提供）同步的計數(shù)器構成，要求計數(shù)器在狀態(tài)信號ST作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從零開始進行增1計數(shù)，向控制器提供模5的定時信號TY和模25的定時信號TL。 計數(shù)器選用集成電路74LS163進行設計較簡便。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的外引線排列圖如圖2所示，其功能表如表1所示。圖2中CR是低電平有效的同步清零輸入端， LD是高電平有效才同步并行置數(shù)控制端，CTP、CTT是交通燈的ASM圖數(shù)控制端，CO是進位輸出端，

8、D0D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q0Q3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3所示。 圖2 74LS163的外引線排列圖表1 74LS163功能表（3）控制器 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)的轉換。從ASM圖可以列出控制器的狀態(tài)轉換表，如表1所示。選用兩個D觸發(fā)器FF1、FFO做為時序寄存器產生 4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉換的條件為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，則控制器轉換到Q1n+1Q0n+1 01狀態(tài)。這兩種情況與條件TY無關，所以用無關項"X"表示

9、。其余情況依次類推，同時表中還列出了狀態(tài)轉換信號ST。 圖3定時器電路圖表2 控制器狀態(tài)轉換表根據(jù)表2可以推出狀態(tài)方程和轉換信號方程，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。控制器的邏輯圖如圖4所示。圖中R、C構成上電復位電路 。 圖4 控制器邏輯圖（4）譯碼器 譯

10、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)?？刂破鞯臓顟B(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關系表3控制器的狀態(tài)編碼與信號燈控制信號關系圖5 交通信號燈圖（六個發(fā)光二極管，注意二極管的極性。）六、總電路圖及其原理說明：交通燈控制系統(tǒng)的原理圖如圖6所示。它主要有控制器、定時器、譯碼器和脈沖信號發(fā)生器等部分組成。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，經驅動電路后驅動信號燈工作，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6中：TL：表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間

11、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：表示定時器到了規(guī)定的時間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號。由它控制定時器開始下個工作狀態(tài)的定時。 兩方向車道的交通燈的運行狀態(tài)共有四種（因人行道的交通燈和車道的交通燈是同步的，所以不考慮），如圖6所示設計原理與參考電路：1 分析系統(tǒng)的邏輯功能，畫出其框圖 圖6 系統(tǒng)邏輯框圖交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖7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，經驅動電路后驅動信號燈

12、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7中： TL: 表示甲車道或乙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：表示定時器到了規(guī)定的時間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號。由它控制定時器開始下個工作狀態(tài)的定時。 圖7 交通燈控制系統(tǒng)原理框圖2畫出交通燈控制器的ASM（Algorithmic State Machine，算法狀態(tài)機） （1）圖甲車道綠燈亮，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)定的時間隔TL時，控制器發(fā)

13、出狀態(tài)信號ST，轉到下一工作狀態(tài)。 （2）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車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，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號ST，轉到下一工作狀態(tài)。 （3）甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮。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)定的時間間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號ST，轉到下一工作狀態(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)轉換信號ST，系統(tǒng)又轉換到第（1）

14、種工作狀態(tài)。 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)及功能如表4所示，控制器應送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見，把燈的代號和燈的驅動信號合二為一，并作如下規(guī)定： 表4 控制器工作狀態(tài)及功能控制狀態(tài)信號燈狀態(tài)車道運行狀態(tài)S0（00）甲綠，乙紅甲車道通行，乙車道禁止通行S1（01）甲黃，乙紅甲車道緩行，乙車道禁止通行S3（11）甲紅，乙綠甲車道禁止通行，甲車道通行S2（10）甲紅，乙黃甲車道禁止通行，甲車道緩行電路的AG=1：甲車道綠燈亮； BG=1：乙車道綠燈亮；A

15、Y=1：甲車道黃燈亮； BY=1：乙車道黃燈亮；AR=1：甲車道紅燈亮； BY=1：乙車道紅燈亮；由此得到交通燈的ASM圖，如表四所示。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)轉換信號ST（用條件輸出框表示ST），并轉換到下一個工作狀態(tài)。依此類推可以弄懂ASM圖所表達的含義。 七、仿真過程與效果分析1設計、組裝譯碼器電路，其輸出接甲、乙車道上的6只信號燈（實驗時用發(fā)光二極管代替），驗證電路的邏輯功能。 2設計、組裝秒脈沖產生電路得出時序波形圖。 圖8

16、時序波形圖3組裝、調試定時電路。當 CP信號為 1Hz正方波時，畫出CP、 Q0、 Q1、 Q2、Q3、Q4、TL、TY的波形，并注意它們之間一的時序關系。 4組裝、調試控制器電路。5完成交通燈控制電路的聯(lián)調，并測試其功能。 表5 交通燈校驗時間表八、實驗儀器設備及元器件清單 1 數(shù)字電路實驗箱 2 集成電路74LS74 1片，74LS10 1片，74LS00 2片，74LS153 2片，74LS163 3片，N555 1片 3 電阻47K 2個1K 1個 4 電容 10F 0.01F 1F 0.1F 各一個5 其它 發(fā)光二極管 6個九、實驗心得與體會 經過這次課程設計，讓我明白了“知識就是力量”這一深刻的道理。同時，此次設計加強了我的動手、思考和解決問題的能力。對電路原理圖畫法和連接及芯片的選擇上也懂