交通燈控制邏輯電路設(shè)計

1、黑龍江工業(yè)學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計報告院系：電氣與信息工程系專業(yè)班級：14 電氣本八姓名：耿振學(xué)號：04991408005指導(dǎo)教師：黃睿 報告成績：1 .設(shè)計目的為了確保十字路口的車輛順利、 暢通地通過，往往都采用自動控制的交通信 號燈來進行指揮。其中紅燈（R）亮表示該條道路禁止通行；黃燈（Y）亮表示停 車；綠燈（G）亮表示允許通行。設(shè)計一個十字路口的交通燈控制電路， 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(shè)為 25秒；要求黃燈先亮5秒，才能變換運 行車道；黃燈亮?xí)r，要求每秒鐘閃亮一次2 .設(shè)計任務(wù)要求要求東西方向的紅、黃、綠燈和南北方向的紅、黃、綠燈按照上面的工作時

2、序進行工作，黃燈亮?xí)r應(yīng)為閃爍狀態(tài)；1）南北和東西車輛交替進行，各通行時間 24秒2）每次綠燈變紅燈時，黃燈先閃爍 4秒，才可以變換運行方向3）十字路口要有數(shù)字顯示作為時間提示，以倒計時按照時序要求進行顯示；4）可以手動調(diào)整和自動控制，夜間為黃燈閃耀狀態(tài) （選作：通行時間和黃燈閃亮 時間可以在0-99秒內(nèi)任意設(shè)）倒計時計數(shù)器 器是該系統(tǒng)中3 .設(shè)計方案選取與論證依據(jù)功能要求，交通燈控制系統(tǒng)應(yīng)主要由秒脈沖信號發(fā)生器、電路和信號燈轉(zhuǎn)換器組成，原理框圖如圖1所示。秒脈沖信號發(fā)生倒計時計數(shù)電路和黃燈閃爍點控制電路的標準時鐘信號源。倒計時計數(shù)器輸出兩組驅(qū)動信號T5和T0,分別為黃燈閃爍和變換為紅燈的控制信

3、號，這兩個信號經(jīng) 信號燈轉(zhuǎn)換器控制信號燈工作。倒計時計數(shù)電路是系統(tǒng)的主要部分，由它控制信 號燈轉(zhuǎn)換器的工作。白天工作模式秒脈沖發(fā)生命倒計時 計數(shù)器信號燈轉(zhuǎn) 換器燈的邏輯框夜間工作模式（D白天工作模式南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，各20秒。南北方向黃燈閃亮 4秒，東西方向紅燈亮 4秒。南北方向紅心張悻程%秒。南北方向紅燈亮4杪，東西方向黃燈閃亮4秒。(2)儀晚工作模式且每秒閃動一次，其他燈不亮。因此總設(shè)計圖如下東西南北各方向黃燈亮, 圖所示：南北信號燈 * t東西信號燈秒脈沖產(chǎn)生電路系統(tǒng)電源成。振蕩器是計時器的核心，振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的進度決定了計時器的準確度，可由石英晶體振蕩電路或 555

4、定時器與RC組成的多諧振蕩器構(gòu)成。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時的精度就越高，但耗電量將增大，故在設(shè)計時，一定根據(jù)需要設(shè)計出最佳電路。石英晶體振蕩器具有頻率準確、振蕩穩(wěn)定、溫度系數(shù)小的特點，但如果精度要求不高的時候可以采用555構(gòu)成的多諧振蕩器。振蕩周期與頻率的計算公式為：T=(R+2R)Cln2=0.7(R i+2R)C,電源電壓為VDDVcc=12V,其中電路圖中G的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響，課程設(shè)計 中要求輸出T=1S,選取電容為C=10nF R=28.86MQ,根據(jù)振蕩周期計算，選擇 電阻R=57.72MQ。用multisim 進行仿真，仿真圖如圖所示：12VVsVDD28

5、.86M| ?之16162 57.72Mr7 R263VCCRST OUTDISTHRTRICONGND64100|?Rl555_VIRTUAL字 10nFC10nFTimerCf555 構(gòu)成的多諧振蕩器 此電路就可以產(chǎn)生脈沖頻率為1赫茲的脈沖。以下對555定時器進行簡介：NE555是一種應(yīng)用特別廣泛作用很大的的集成電路，屬于小規(guī)模集成電路，在很多電子產(chǎn)品中都有應(yīng)用。NE555的作用是用內(nèi)部的定時器來構(gòu)成時基電路，給其 他的電路提供時序脈沖。控制電好踹而觸發(fā)端低觸發(fā)給放電端接地端555定時器內(nèi)部邏輯電路信號燈轉(zhuǎn)化器信號燈狀態(tài)與車道運行狀態(tài)如下：S0:東西方向車道的綠燈亮，車道通行；南北方向車道

6、的紅燈亮，車道禁止 通行；S1：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；S2: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亮，車道 通行；S3: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。用以下6個符號來分別代表東西（A）、南北（B）方向上個燈的狀態(tài)：GA=1:東西方向車道綠燈亮；YA=1:東西方向車道黃燈亮；RA=1東西方向車道紅燈亮；GB=1南北方向車道綠燈亮；YB=1:南北方向車道黃燈亮；RB=1南北方向車道紅燈亮。實現(xiàn)信號燈的轉(zhuǎn)換有多種方法，現(xiàn)采用比較典型的方法進行設(shè)計，實現(xiàn)信號 燈的轉(zhuǎn)換工作。若選用JK觸發(fā)器，則原理如

7、下。JK觸發(fā)器設(shè)狀態(tài)編碼為S0=00,S1=01,S2=11,S3=10，其輸出為Q1, Q2,則其與信號燈 狀態(tài)關(guān)系如表3 1所小。狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表次態(tài)Q0Q0*GAYARAQ1Q1*GBYBRB0010001001010101100111001101001000100010可以得出信號燈狀態(tài)的邏輯表達式：GA =Q1' Q0 YA =Q1 ' Q0 RA =Q1GB =Q1Q0 YB =Q1Q0' RB=Q1 'JK觸發(fā)器的輸出狀態(tài)是與J輸入端的狀態(tài)相同的，同時分析表3-1 ,觸發(fā)器 0的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器1的次態(tài)相同，觸發(fā)器1的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器0的次態(tài)相反，因

8、此 可以將觸發(fā)器0的輸出端Q Q （現(xiàn)態(tài)）分別接觸發(fā)器1的J、K輸入端（次態(tài)）， 觸發(fā)器1的輸出端Q Q'（現(xiàn)態(tài)）分別接觸發(fā)器0的K、J端（次態(tài)），取觸發(fā) 器0為、觸發(fā)器1為，連接后的電路如下圖所示：Ga1Ya1Ra1JK觸發(fā)器連接的電路倒計時計數(shù)器具體十字路口要有數(shù)字顯示作為倒計時提示， 以便人們更直觀的把握時間。工作方式為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置顯示器為某值，然后以每秒減1,計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)位“ 4”和“0"。十字路口綠、黃、紅燈變換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進入下一步某方向的工作循環(huán)。 在倒計時過程中計數(shù)器還向信號燈轉(zhuǎn)換 器供模4的定時信號T4和模0的定時信號T0,用

9、以控制黃燈的閃爍和黃燈向紅 燈的變換。倒計時顯示采用七段數(shù)碼管作為顯示， 它由計數(shù)器驅(qū)動并顯示計數(shù)器的輸出 值。根據(jù)要求，采用兩片74190芯片構(gòu)成計數(shù)器，因為74190是十進制同步可逆 計數(shù)器，它具有異步并行置數(shù)功能、保持功能。采用兩片 74190芯片可設(shè)計成 0099的百進制計數(shù)器，再根據(jù)線路連接的改變將其連接成 24進制計數(shù)器。74190 沒有專用的清零輸入端，但可以借助 QD QC QB、QA的輸出數(shù)據(jù) 間接實現(xiàn)清零功能。其功能表如下圖所示：表3-2 74190的功能表CTENCLK LOAD A B CD QAQBQCD/UQD0ABCD0111減計數(shù)00t 1加計數(shù)11000要實現(xiàn)

10、24s的倒計時，需選用兩個74190芯片級聯(lián)成一個從99到00的計數(shù) 器,其中作為個位數(shù)的74190芯片的CLK接秒脈沖發(fā)生器，再把個位數(shù)74190芯 片輸出端QD用一個與門連起來,再接在十位數(shù) 74190芯片的CLK®。當(dāng)個位數(shù)減到0時，再減1就會變成9, 0 (0000)和9 (1001)之間的QA、QD同時由0 變?yōu)?,把QA、Q就來接在十位數(shù)74190芯片的CLK®,此時會給十位數(shù)74190 芯片一個脈沖數(shù)字減1,相當(dāng)于借位。則又74190芯片的功能性質(zhì)可知，當(dāng)個位 數(shù)74190的C管腳和十位數(shù)74190的B管腳同時置1, CTEN®接低電頻，力口/減 計

11、數(shù)控制端D/U接高電頻實現(xiàn)減計數(shù)，預(yù)置端 LOADS高電頻時計數(shù)，接低電頻時預(yù)置數(shù)。因此，工作開始時，LOAD為0,計數(shù)器預(yù)置數(shù)，置算數(shù)后，LOA位為1,計數(shù)器開始倒計時，當(dāng)?shù)褂嫊r減為 00時，LOACR變?yōu)?,計數(shù)器又預(yù)置數(shù)，如此循環(huán)下去。則連接后的電路如下圖所示:U7U5U23U24)CD HEX YELLOWREDDHEX DIG REDU25AU10AVCC7404NU8BU3131474190N30U4A3229U12A7432NA B C DQA QBQC QDVCC47173267CTENLOADU/D RCOMAX/MINbCLK15 110倒計時計數(shù)器電路3267U8A74L

12、S21NU4D4002BD 5V4002BD 5V15r .r 匚L -bA B C DQA QB QCQD7408N CLK14CTENLOADU/D RCOMAX/MIN74190N7408NU9A 7400NU11A 4001BD5V倒計時計數(shù)器與信號燈轉(zhuǎn)化器的連接 倒計時計數(shù)器向信號燈轉(zhuǎn)換器提供定時信號 T4和定時信號T0以實現(xiàn)信號燈的轉(zhuǎn)換。TO表示倒計時減到數(shù)“ 00”時(即綠燈的預(yù)置時間，因為到“ 00”時，計 數(shù)器重新置數(shù))，此時給信號燈轉(zhuǎn)換器一個脈沖，使信號燈發(fā)生轉(zhuǎn)換，一個方向 的綠燈亮，另一個方向的紅燈亮。接法為：把個位、十位計數(shù)器的輸出端QAQB QC QD分別用一個4輸入

13、或非門連起來，再把這兩個 4輸入或非門的輸出用一個與門連起來。T4表示倒計時減到數(shù)“04”時，給信號燈轉(zhuǎn)換器一個脈沖， 使信號燈發(fā)生轉(zhuǎn)換，綠燈的變?yōu)辄S燈，紅燈不變。接法為：當(dāng)減到數(shù)為“04”(0000 0100)時，把十位計數(shù)器的輸出端 QA QB QC QD用一個4輸入或非門連起來， 個位計數(shù)器的輸出端QB QD用一個兩輸入或非門連起來，再把這兩個或非門與個位計數(shù)器的的輸出端 QA QC用一個4輸入與門連接起來。最后將 T4和T0 兩個定時信號用或門連接接入信號燈轉(zhuǎn)換器的時鐘端。則連接圖如下圖所示：U8A4002BD_5V74190N30AQA3_BQB2"CQC匚DQD7CTEN

14、LOADU/D RCO J3MAX/MIN 12-CLK3233 333U4AU23U24REDDHEXDIG REDU25AU10A74LS21NU8BU4D4002BD5V7408N2425U12A7432NIGa1Ya1Ra1o2.5 V2.5 V2.5 V37VCCR15k|?U26A 7408NU19A 7408NU14B 7408NJ15A 7432NU11A 4001BD5VVCCVCC口 5VAQABQBCQCDQDCTENLOADU/D RCO MAX/MIN,CLKVCC5V151TQVCC-1CLR12 U1AU13A7404N39U1B1Q1Q二一7473N7473N2

15、Q2Q2J 2CLK 2K2CLRU9A 7400N38I、U4B7408NU2A37408NU2BGb17408N2.5 V7408N401U16AU2D7408N|, a7432NJ)U4C 7408NRb12.5 V43一、.U17B| 7408NYb12.5 V46廣、,U18A7408N10交通燈信號控制器電路圖黃燈閃爍控制要求黃燈為閃爍狀態(tài)，即黃燈0.5秒亮,0.5秒滅，故用一個頻率為1赫茲的脈沖與控制黃燈的輸出信號用一個與門連接至黃燈在3.1.1中已用555定時器連接成了頻率為1赫茲的多諧振蕩器。白天夜間模式的轉(zhuǎn)換根據(jù)任務(wù)書的要求，要用一個手動開關(guān)來控制白天模式與晚上模式的改變。

16、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)換由單刀雙擲開關(guān)與與門或或門控制。當(dāng)開關(guān)接上邊時為白天工作模式，開 關(guān)接地時為夜晚工作模式。則電路連接如下圖 3-5所示：47VCC5VJ9u = Space gndXGNDVCCR15k|?白天夜間的切換開關(guān)在實際生活中，手動開關(guān)電路畢竟不方便，因此實際應(yīng)用中可設(shè)計自動開關(guān) 電路。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(dāng)天黑以

17、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(shè)計中選擇使用 手動切換白天與夜晚模式的選擇。四.仿真過程及仿真結(jié)果白天工作模式交通燈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?xí)r， 東 西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西 方向綠燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。信號燈采用紅、綠、黃發(fā)光 二燈模擬。在實際電路中，開關(guān)J2和J7閉合，使個位74190的C管腳接高電平，A、B、 D接低電平；十位74190的B管腳接高電平，A、C、D接低電平，并且白天夜間 的切換開關(guān)不接地。計數(shù)器的開關(guān)如下

18、圖所示：置數(shù)法的開關(guān)連接方法白天的工作狀態(tài)結(jié)果如下圖3-7所示:夜間工作模式南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其它燈不亮，將設(shè)置的手動開關(guān), 撥動到接地狀態(tài)。電路圖工作結(jié)果如下圖 3-7所示：U7U5U23U24OWCD_HEX_YELLOW邊CD_HEX_DIG_REDU25AU10A74LS21N4002BD_5V7408N2474190N253229U12A1RST61DISTHR62TRICON63555.VIRTUALTimer2.5 V2.5 VVCCU13A397404Nr-1172QK2QGb12CLR2.5 V2.5 V7408N7473N46U2C8117408NU2D

19、7432N1079dcd_mU26A 7408NU14B7408N2J 2CLK2KU15A 7432NU9A 7400N，10nF CfQBQCQD10nF C100|? Rl_L°?u = SpaceGN4128.86M|? R157.72M|? R2r U18A 7408NU4B 7408N2.5 VR1.GND - 5k?4002BD_5VA B C DQAQB QC QDCTENLOAD U/DRCOMAX/MIN CLKCLK74190NCTEN LOADU/D50-RCOMAX/MINU2A4-D7408NI U2BU11A 4001BD5V2.5 VU19A 7408NU16A夜間工作狀態(tài)、U4C 7408NVDD12VVsTHRTRICON51 57.72M?1R