交通燈課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 目錄第一章 系統(tǒng)概述31.1 系統(tǒng)概述31.2 交通燈邏輯分析31.3總體設(shè)計(jì)方案3第二章 單元電路設(shè)計(jì)與分析62.1秒脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)62.2定時(shí)器的設(shè)計(jì)72.3 控制器的設(shè)計(jì)82.4 顯示電路的設(shè)計(jì)11第三章 結(jié)束語(yǔ)143.1 系統(tǒng)綜述：143.2 總結(jié)及心得體會(huì)143.3 芯片介紹15 3.4 總體電路圖 見(jiàn)附圖173.5 元器件明細(xì)表18鳴謝19參考文獻(xiàn)19評(píng)語(yǔ)20摘要：交通信號(hào)燈常用于交叉路口，用來(lái)控制車的流量，提高交叉口車輛的通行能力，減少交通事故。交通燈控制器主要由控制器、秒脈沖發(fā)生器、定時(shí)器、譯碼顯示電路及信號(hào)燈組成?？刂破饔?4LS153與74LS7

2、4來(lái)實(shí)現(xiàn)，脈沖發(fā)生器用晶體震蕩器產(chǎn)生，計(jì)數(shù)器采用兩個(gè)74161來(lái)實(shí)現(xiàn)，顯示電路經(jīng)過(guò)74LS192的倒計(jì)數(shù)、七段顯示譯碼器7447及七段數(shù)碼顯示器連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂破魍ㄟ^(guò)RT對(duì)定時(shí)器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字的顯示及綠、黃、紅燈的轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵字：交通燈、控制器、秒脈沖發(fā)生器、定時(shí)器、譯碼顯示電路、狀態(tài)、轉(zhuǎn)換、主支干道。設(shè)計(jì)要求： 1.定周控制：主干道綠燈45秒，支干道綠燈25秒; 2.每次由綠燈變?yōu)榧t燈時(shí)，應(yīng)有5秒黃燈亮作為過(guò)渡； 3.分別用紅、黃、綠發(fā)光二極管表示信號(hào)燈； 4.設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)顯示電路。第一章 系統(tǒng)概述1.1系統(tǒng)概述： 系統(tǒng)由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、定時(shí)器、控制器、譯碼顯示器、信號(hào)燈顯示器五大部分

3、組成。其中秒脈沖信號(hào)發(fā)生器用于給各個(gè)組成部分提供脈沖信號(hào)，通過(guò)定時(shí)器向控制器發(fā)出三種定時(shí)信號(hào)，使相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光。譯碼顯示器在控制器的控制下，改變交通燈信號(hào)，分別產(chǎn)生三種倒計(jì)時(shí)時(shí)間顯示，控制器根據(jù)定時(shí)器的信號(hào)，進(jìn)行狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，使顯示器的顯示發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)變。1.2交通燈邏輯分析： 圖1表示位于主干道和支干道的十字路口交通燈系統(tǒng)，每條道路設(shè)一組信號(hào)燈，每組信號(hào)燈由紅、黃、綠3個(gè)燈組成，綠燈表示允許車輛通行，紅燈表示禁止通行，黃燈為過(guò)渡燈，表示該車道上已過(guò)停車線的車輛繼續(xù)通行，未過(guò)停車線的車輛禁止通行。1.3總體設(shè)計(jì)方案： 圖1為交通燈的一個(gè)整體設(shè)計(jì)框圖。系統(tǒng)主要由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、定時(shí)器、控制

4、器、譯碼器、信號(hào)燈顯示器組成。其中控制器是核心部分，由它控制定時(shí)器和譯碼器的工作，秒脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生定時(shí)器和控制器所需的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，譯碼器輸出兩路信號(hào)燈的控制信號(hào)。 圖中TL、TS、TY為定時(shí)器的輸出信號(hào)，ST為控制器的輸出信號(hào)。MG、MY、MR分別表示主干道綠、  黃、紅三色燈，NG、NY、NR分別表示支干道綠、黃、紅三色燈。當(dāng)某車道綠燈亮?xí)r，允許車輛通行，同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到指定時(shí)間時(shí)，TL輸出為，否則TL輸出為；當(dāng)某車道黃燈亮后，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到秒時(shí)，TY輸出為，否則TY；當(dāng)某車道紅燈亮?xí)r，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到指定時(shí)間時(shí)，TS輸出為，否則TS。

5、圖1 交通燈系統(tǒng)框圖 因此，用定時(shí)器分別產(chǎn)生三個(gè)時(shí)間間隔后，向控制器發(fā)出“時(shí)間已到”的信號(hào)，控制器根據(jù)定時(shí)器的信號(hào)，決定是否進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。如果肯定，則控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，定時(shí)器開(kāi)始清零，準(zhǔn)備重新計(jì)時(shí)。交通燈控制器的控制過(guò)程分為四個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的輸出有四種狀態(tài)，分別用S0、S1、S2、S3表示。S0狀態(tài)：主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，此時(shí)主干道允許車輛通行，主干道禁止車輛通行。當(dāng)主干道綠燈亮夠規(guī)定的時(shí)間后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。S1狀態(tài)：主干道黃燈亮，主干道紅燈亮，此時(shí)主干道允許超過(guò)停車線的車輛繼續(xù)通行，而未超過(guò)停車線的車輛禁止通行，支干道禁止車輛通行。當(dāng)主干道黃燈亮夠

6、規(guī)定時(shí)間后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。S2狀態(tài)：主干道紅燈亮，支干道綠燈亮。此時(shí)主干道禁止車輛通行，支干道允許車輛通行，當(dāng)支干道綠燈亮夠規(guī)定時(shí)間后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。S3狀態(tài)：支干道紅燈亮，支干道黃燈亮。此時(shí)主干道禁止車輛通行，支干道允許超過(guò)停車線的車輛通行，而未超過(guò)停車線的車輛禁止通行。當(dāng)支干道紅燈亮夠規(guī)定的時(shí)間后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)-S0狀態(tài)。S0、S1、S2、S3狀態(tài)分別分配狀態(tài)編碼為00、01、11、10，由此得到控制器的狀態(tài)，如表1，表2所示。 表1.狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)主干道支干道時(shí)間（s）S0綠燈亮，允許通行紅燈亮，禁

7、止通行45S1黃燈亮，停車紅燈亮，禁止通行5S2紅燈亮，禁止通行綠燈亮，允許通行25S3紅燈亮，禁止通行黃燈亮，停車5 圖2畫出了控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，其中TL、 TS、TY為控制器的輸入信號(hào)，ST為控制器的輸出信號(hào)。第二章 單元電路設(shè)計(jì)與分析2.1.秒脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)：方案一： 本實(shí)驗(yàn)采用555定時(shí)器組成秒脈沖信號(hào)發(fā)生器。因?yàn)樵撾娐返妮敵雒}沖的周期T0.7(R1+2R2)·C,若T=1s，令C=10f，R1=39K,那么R251K。取一固定電阻47K與一個(gè)5K的電位器想串聯(lián)代替電阻R2。在調(diào)試電路時(shí)，調(diào)節(jié)電位器RP ,使輸出脈沖周期為1s。如圖3.1所示 圖3.1秒脈沖

8、信號(hào)發(fā)生器方案二： 用石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成秒脈沖信號(hào)發(fā)生器,如圖3.2。 先用石英晶體振蕩器和若干電阻電容組成頻率為32768Hz的信號(hào)發(fā)生器，再用十四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4060 14進(jìn)行14分頻使其成為2Hz的信號(hào)，最后用D觸發(fā)器進(jìn)行2分頻，使其成為頻率為1Hz的秒脈沖信號(hào)。 圖3.2 石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成秒脈沖信號(hào)發(fā)生器 方案選擇：本設(shè)計(jì)中由于用秒脈沖信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)脈沖，其精度會(huì)影響計(jì)數(shù)器的精度，進(jìn)而影響控制系統(tǒng)的精度，因此要求秒脈沖信號(hào)具有比較高的精度，為提高精度可先做一個(gè)頻率比較高的矩形波振蕩器，然后將其輸出信號(hào)分頻，就可以得到頻率較低而精度比較高的脈沖信號(hào)發(fā)生器。用

9、石英晶體構(gòu)成秒脈沖信號(hào)發(fā)生器不需要外加輸入信號(hào)，而且其脈沖頻率很穩(wěn)定，起振快、時(shí)基精度高，它的工作頻率僅決定于石英晶體的振蕩頻率，而與電路中的R、C的數(shù)值無(wú)關(guān)。 綜上考慮，在實(shí)際應(yīng)用中秒脈沖信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)選用石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成秒脈沖信號(hào)發(fā)生器。但由于本次設(shè)計(jì)是基于multisim10.1軟件的，而multisim10.1上不支持石英晶體振蕩器，所以在仿真過(guò)程中可以使用555定時(shí)器構(gòu)成的秒脈沖觸發(fā)器代替。在仿真精度不高的前提下，也可以使用RC多諧振蕩器構(gòu)成的電路來(lái)提供秒脈沖。 2.2、定時(shí)器的設(shè)計(jì)： 方案一： 用74LS193直接構(gòu)成減計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，在控制信號(hào)ST的作用

10、下，計(jì)數(shù)器以減計(jì)數(shù)向控制器提供M5、M25、M45的信號(hào)，即TY、TS、TL的時(shí)間信號(hào)。方案二： 定時(shí)器由與系統(tǒng)秒脈沖同步的計(jì)數(shù)器74161構(gòu)成，時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，在控制信號(hào)ST作用下，計(jì)數(shù)器從零開(kāi)始計(jì)數(shù)，并向控制器提供M5、M25、M45信號(hào)，即TY、TS、TL的時(shí)間信號(hào)。方案選擇：74LS193是雙時(shí)鐘同步二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，用它進(jìn)行減計(jì)數(shù)與數(shù)字顯示倒計(jì)時(shí)相符合。然而必須在輸入端輸入數(shù)字，因此向控制器提供M5、M25、M45的信號(hào)需要5片74LS193。而用74161可以級(jí)聯(lián)，只需要2片即可向控制器提供M5、M25、M45的信號(hào)，倒計(jì)數(shù)可在數(shù)字顯示電路中實(shí)現(xiàn)。用74161節(jié)省材料，節(jié)約成

11、本，而且由于經(jīng)常應(yīng)用，因而使用起來(lái)較方便。因而選擇方案（）。當(dāng)系統(tǒng)處于S0狀態(tài)為滿足支干道綠燈亮夠45秒，要將M45的輸出端反饋到使能端EP、ET，使它記到44時(shí)停止計(jì)數(shù)，然后轉(zhuǎn)換到S1狀態(tài)。而且要求計(jì)數(shù)器在狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST的作用下，首先清零，然后開(kāi)始計(jì)數(shù)，電路如圖4所示。 2.3.控制器的設(shè)計(jì)： 列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如圖所示。選用兩個(gè)觸發(fā)器作為時(shí)序寄存器產(chǎn)生四種狀態(tài)，控制器的轉(zhuǎn)換條件為TL、TY及TS，當(dāng)控制器處于Q1nQ0n = 00 狀態(tài)時(shí)，如果TL=0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果TL=1，則控制器轉(zhuǎn)換到Q1n+1Q0n+1=01狀態(tài)。這兩種情況與條件TY和TS無(wú)關(guān)，所以無(wú)關(guān)項(xiàng)用“

12、5;”表示。其余情況依次類推，同時(shí)列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST。 表2邏輯賦值后的狀態(tài)表Q1nQ2nTLTSTYQ1n+1Q2n+1說(shuō)明00×××00維持S0，000××00001××01由S0 S1 01××001維持S101××110由S1 S210×0×10維持S210×1×11由S2 S311××011維持S311××100由S3 S0表 2 控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表輸入輸出現(xiàn)態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件次態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)Q1n

13、Q0nTL TY TSQ1n+1 Q0n+1ST0 00 00 10 11 11 11 01 00 × ×1 × ×× 0 ×× 1 ×× × 0× × 1× 0 ×× 1 ×0 00 10 11 11 11 01 00 001010101根據(jù)表2，寫出狀態(tài)方程和狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)方程為：用四選一數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，設(shè)A1A0 = Q1nQ0n ，其他變量通過(guò)數(shù)據(jù)輸入端輸入。數(shù)據(jù)選擇器用74LS153，觸發(fā)器用74LS74。設(shè)計(jì)中將觸發(fā)

14、器的輸出看作邏輯變量，將TL、 TS、TY看作輸入信號(hào)，按照由數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)邏輯函數(shù)，并將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值加到數(shù)據(jù)選擇器的選擇變量端，數(shù)據(jù)選擇器的輸入端信號(hào)可以根據(jù)狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號(hào)方程得出。就可得到控制器的原理圖，觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端輸入秒脈沖。系統(tǒng)的輸出是在Q1Q0驅(qū)動(dòng)下的六個(gè)發(fā)光二極管，各狀態(tài)與信號(hào)燈的關(guān)系由表2給出，因此，得到二極管信號(hào)與控制器狀態(tài)變量的關(guān)系為：主干道： MR= Q1支干道：NG= Q1Q0 電路如圖5所示。表3信號(hào)燈與控制器狀態(tài)編碼表狀態(tài)MG MY MR NG NY NRS0S1S2S31 0 0 0 0 10 1 0 0 0 10 0

15、 1 1 0 00 0 1 0 1 02.4、顯示電路的設(shè)計(jì)：交通燈的數(shù)字顯示采用倒計(jì)時(shí)，因而應(yīng)采用減計(jì)數(shù)器。方案（）：采用74LS193進(jìn)行減計(jì)數(shù)，然后將輸出接到七段顯示譯碼器上。方案（）：采用74LS192進(jìn)行減計(jì)數(shù)，然后將輸出接到七段顯示譯碼器上。 74LS193是二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而74LS192是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。由于顯示的是由個(gè)、十位構(gòu)成的數(shù)，因而用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器較好，選擇方案（）。 每個(gè)干道需要兩位數(shù)字顯示，由于用減計(jì)數(shù)器，因而每個(gè)干道需要5片74LS 192，由表3可看出主干道74LS192 應(yīng)該向七段顯示譯碼器提供 M45（S0狀態(tài)）、M5（S1狀態(tài)）、M30（S2、S3狀態(tài)）的倒計(jì)數(shù)

16、，而支干道74LS192應(yīng)該向七段顯示譯碼器提供M50（S0. S1狀態(tài)）、M25（S2狀態(tài)）、M5（S3狀態(tài)）的倒計(jì)數(shù)。74LS192的RD、LD端由Q1、Q0來(lái)控制，根據(jù)S0S3狀態(tài)改變Q1、Q0從而控制RD、LD端，使它們進(jìn)行減計(jì)數(shù)和清零。CPD端輸入秒脈沖信號(hào)，而CPU端輸入高電平。電路如圖6、7所示。第三章 結(jié)束語(yǔ)3.1 系統(tǒng)綜述：通過(guò)分析交通燈控制系統(tǒng)的要求可知，整個(gè)系統(tǒng)主要由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、定時(shí)器、控制器、譯碼顯示器構(gòu)成。其中，秒脈沖信號(hào)發(fā)生器由石英晶體振蕩器及由14分頻器CD4060芯片和一個(gè)D觸發(fā)器共同構(gòu)成的分頻電路組成；定時(shí)器由兩片異步四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161芯片、

17、三片D觸發(fā)器及若干與非門、非門、與門共同組成；控制器由三片數(shù)據(jù)選擇器74LS153及兩片D觸發(fā)器芯片構(gòu)成；譯碼顯示器由十片74LS192、四片譯碼管驅(qū)動(dòng)芯片7447和四個(gè)七段數(shù)碼管構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路的工作。主控制器和定時(shí)計(jì)數(shù)器必須使用同一脈沖信號(hào)，譯碼電路輸出兩組信號(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。控制電路是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時(shí)計(jì)數(shù)電路和譯碼驅(qū)動(dòng)電路的工作能夠?qū)崿F(xiàn)交通燈四種狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。3.2總結(jié)及心得體會(huì)： 這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)整整一個(gè)星期。通過(guò)這一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識(shí)的很多漏洞，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還急需提高。在課程

18、設(shè)計(jì)過(guò)程中，光有理論知識(shí)是不夠的，還必須懂一些實(shí)踐中的知識(shí)。這次的課程設(shè)計(jì)也讓我看到了團(tuán)隊(duì)的力量，我認(rèn)為我們的工作是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作，團(tuán)隊(duì)需要個(gè)人，個(gè)人也離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。剛開(kāi)始的時(shí)候，我們就分配好了各自的任務(wù)，我主要負(fù)責(zé)定時(shí)器及數(shù)字顯示器的設(shè)計(jì)，李世彥同學(xué)主要負(fù)責(zé)秒脈沖信號(hào)發(fā)生器及控制器的設(shè)計(jì)。然后我們積極查詢相關(guān)資料，并且經(jīng)常聚在一起討論各個(gè)方案的可行性。在課程設(shè)計(jì)中只有一個(gè)人知道原理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須讓每個(gè)人都知道，否則一個(gè)人的錯(cuò)誤，就有可能導(dǎo)致整個(gè)工作失敗。團(tuán)結(jié)協(xié)作是我們成功的一項(xiàng)非常重要的保證。而這次設(shè)計(jì)也正好鍛煉我們這一點(diǎn)，這也是非常寶貴的。本次課程設(shè)計(jì)也鞏固和加深了我對(duì)電子線路基本知識(shí)和理解，提高了綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，增強(qiáng)了根據(jù)課程需要選學(xué)參考資料，查閱手冊(cè)、圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力。然后深入研究，提出方案，對(duì)比后得出最終的可行方案。同時(shí)我也初步學(xué)習(xí)到了關(guān)于課程設(shè)計(jì)的基本方法、步驟和撰寫設(shè)計(jì)論文的格式。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我想