交通燈課程設計

1、電子技術(shù)課程設計報告 指導教師（簽字） 前言在現(xiàn)代城市中，人口和汽車日益增長，市區(qū)交通也日益擁擠，人們的安全問題也日益重要。因此，紅綠交通信號燈成為交管部門管理交通的重要工具之一。交通信號燈常用與交叉路口，用來控制車的流量，提高交叉口車輛的通行能力，減少交通事故。有了交通燈人們的安全出行有了很大的保障。 自從交通燈誕生以來，其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)就不斷的被改進，設計方法也開始多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化、科學化、簡便化。尤其是近幾年來，隨著電子與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路分析和設計方法有了很大的改進，電子設計自動化也已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不可缺少的工具和手段，這些為交通燈控制電路的設

2、計提供了一定的技術(shù)基礎。本設計通過采用數(shù)字電路對交通燈控制電路的設計,提出使交通燈控制電路用數(shù)字信號自動字電路的能力，掌握交通信號燈控制電路的設計方法。設計要求：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，應有5秒黃燈亮作為過渡；3.分別用紅、黃、綠發(fā)光二極控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法,指揮各種車輛和行人安全通行,實現(xiàn)十字路口交通管理的自動化。因此，在本次課程設計里，將以傳統(tǒng)的設計方法為基礎來實現(xiàn)設計交通控制信號燈。本實驗設計目的是培養(yǎng)數(shù)管表示信號燈；4.設計計時顯示電路。本設計由王為達，魏偉龍，趙立三位同學完成由于所學知識有限，設計中難免出

3、現(xiàn)錯誤，請老師批評指正。 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總體設計方案3第二章 單元電路設計與分析62.1秒脈沖信號發(fā)生器的設計62.2定時器的設計72.3 控制器的設計82.4 顯示電路的設計11第三章 結(jié)束語143.1 系統(tǒng)綜述：143.2 總結(jié)及心得體會143.3 芯片介紹15 3.4 總體電路圖 見附圖173.5 元器件明細表18鳴謝19參考文獻19評語20摘要：交通信號燈常用于交叉路口，用來控制車的流量，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、定時器、譯碼顯示電路及信號燈組成?？刂破饔?4LS153與74L

4、S74來實現(xiàn)，脈沖發(fā)生器用晶體震蕩器產(chǎn)生，計數(shù)器采用兩個74161來實現(xiàn)，顯示電路經(jīng)過74LS192的倒計數(shù)、七段顯示譯碼器7447及七段數(shù)碼顯示器連接起來實現(xiàn)?？刂破魍ㄟ^RT對定時器進行控制，從而實現(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、定時器、譯碼顯示電路、狀態(tài)、轉(zhuǎn)換、主支干道。設計要求： 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，應有5秒黃燈亮作為過渡； 3.分別用紅、黃、綠發(fā)光二極管表示信號燈； 4.設計計時顯示電路。第一章 系統(tǒng)概述1.1系統(tǒng)概述： 系統(tǒng)由秒脈沖信號發(fā)生器、定時器、控制器、譯碼顯示器、信號燈顯示器五大

5、部分組成。其中秒脈沖信號發(fā)生器用于給各個組成部分提供脈沖信號，通過定時器向控制器發(fā)出三種定時信號，使相應的發(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，分別產(chǎn)生三種倒計時時間顯示，控制器根據(jù)定時器的信號，進行狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，使顯示器的顯示發(fā)生相應轉(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)，每條道路設一組信號燈，每組信號燈由紅、黃、綠3個燈組成，綠燈表示允許車輛通行，紅燈表示禁止通行，黃燈為過渡燈，表示該車道上已過停車線的車輛繼續(xù)通行，未過停車線的車輛禁止通行。1.3總體設計方案： 圖1為交通燈的一個整體設計框圖。系統(tǒng)主要由秒脈沖信號發(fā)生器、定時器、

6、控制器、譯碼器、信號燈顯示器組成。其中控制器是核心部分，由它控制定時器和譯碼器的工作，秒脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生定時器和控制器所需的標準時鐘信號，譯碼器輸出兩路信號燈的控制信號。 圖中TL、TS、TY為定時器的輸出信號，ST為控制器的輸出信號。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。當某車道綠燈亮時，允許車輛通行，同時定時器開始計時，當達到指定時間時，TL輸出為，否則TL輸出為；當某車道黃燈亮后，定時器開始計時，當計時到秒時，TY輸出為，否則TY；當某車道紅燈亮時，定時器開始計時，當計時到指定時間時，TS輸出為，否則TS。 圖1 交通燈系統(tǒng)框圖

7、 因此，用定時器分別產(chǎn)生三個時間間隔后，向控制器發(fā)出“時間已到”的信號，控制器根據(jù)定時器的信號，決定是否進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。如果肯定，則控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，定時器開始清零，準備重新計時。交通燈控制器的控制過程分為四個階段，對應的輸出有四種狀態(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，此時主干道允許車輛通行，主干道禁止車輛通行。當主干道綠燈亮夠規(guī)定的時間后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)。S1狀態(tài)：主干道黃燈亮，主干道紅燈亮，此時主干道允許超過停車線的車輛繼續(xù)通行，而未超過停車線的車輛禁止通行，支干道禁止車輛通行。當主干道黃燈亮夠規(guī)定時間后，控制器發(fā)

8、出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)。S2狀態(tài)：主干道紅燈亮，支干道綠燈亮。此時主干道禁止車輛通行，支干道允許車輛通行，當支干道綠燈亮夠規(guī)定時間后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)。S3狀態(tài)：支干道紅燈亮，支干道黃燈亮。此時主干道禁止車輛通行，支干道允許超過停車線的車輛通行，而未超過停車線的車輛禁止通行。當支干道紅燈亮夠規(guī)定的時間后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，系統(tǒng)進入下一個狀態(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)主干道支干道時間（s）S0綠燈亮，允許通行紅燈亮，禁止通行45S1黃燈亮

9、，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，ST為控制器的輸出信號。第二章 單元電路設計與分析電源電路的設計直流穩(wěn)壓電源是電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其作用是為電子系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能。本實驗通過將輸入220v，50Hz的市電，輸出為穩(wěn)定的5V的直流電，來為沖信號發(fā)生器提供電源。 穩(wěn)定直流源設計的一般思路是讓輸入電壓先通過電壓變壓器，再通過整流網(wǎng)絡，然后經(jīng)過濾波網(wǎng)絡最后經(jīng)過穩(wěn)壓網(wǎng)絡。方案1.我們可以采用以橋式整流電路實現(xiàn)整流的目的，以大電容作為濾波電路，然后接負載。但是這樣做有

10、以下不足之處，如負載的影響很大，電壓不可調(diào)以及沒有保護電路等一下列問題。我們采用某些芯片，可以解決以上的問題。方案2.以全波整流電路作為整流網(wǎng)絡，以極性電容作為濾波網(wǎng)絡，采用固定式三端集成穩(wěn)壓電路7805設計制作連續(xù)可調(diào)的雙極型直流穩(wěn)壓電源。如下圖1所示，220V（幅值311V）50Hz市電經(jīng)變壓器220:25輸出兩組獨立的25V交流，經(jīng)橋堆整流、大電容濾波后經(jīng)過集成穩(wěn)壓塊LM7805C作用得到+5V的直流輸出。穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成，如圖1所示。 圖1 直流電源系統(tǒng)方框圖電源變壓器：將電網(wǎng)提供的220V交流電壓轉(zhuǎn)換為各種電路設備所需的交流電壓。整流電路：利用單向?qū)щ?/p>

11、器件將交流電轉(zhuǎn)換成脈動直流電路。濾波電路：利用儲能元件（電感或電容）把脈動直流電轉(zhuǎn)換成比較平坦的直流電。穩(wěn)壓電路：利用電路的調(diào)整作用使輸出電壓穩(wěn)定的過程稱為穩(wěn)壓。具體電路如下：表1 LM7805的主要參數(shù)表電壓調(diào)整率電流調(diào)整率工作溫度靜態(tài)電流耗散功率最大輸出電流輸出電壓偏差輸出電壓360mV360mV01258MA12W1A0.6920.748V17.318.7V(T(j)=25)2.1.秒脈沖信號發(fā)生器的設計：方案一： 本實驗采用555定時器組成秒脈沖信號發(fā)生器。因為該電路的輸出脈沖的周期T0.7(R1+2R2)C,若T=1s，令C=10f，R1=39K,那么R251K。取一固定電阻47K與

12、一個5K的電位器想串聯(lián)代替電阻R2。在調(diào)試電路時，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秒脈沖信號發(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的信號發(fā)生器，再用十四位二進制計數(shù)器CD4060 14進行14分頻使其成為2Hz的信號，最后用D觸發(fā)器進行2分頻，使其成為頻率為1Hz的秒脈沖信號。 圖3.2 石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成秒脈沖信號發(fā)生器 方案選擇：本設計中由于用秒脈沖信號作為計數(shù)器的計時脈沖，其精度會影響計數(shù)器的精度，進而影響控制系統(tǒng)的精度，因此要求秒脈沖信號具有比較高的精度

13、，為提高精度可先做一個頻率比較高的矩形波振蕩器，然后將其輸出信號分頻，就可以得到頻率較低而精度比較高的脈沖信號發(fā)生器。用石英晶體構(gòu)成秒脈沖信號發(fā)生器不需要外加輸入信號，而且其脈沖頻率很穩(wěn)定，起振快、時基精度高，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)值無關(guān)。 綜上考慮，在實際應用中秒脈沖信號發(fā)生器的設計選用石英晶體振蕩器和分頻器構(gòu)成秒脈沖信號發(fā)生器。但由于本次設計是基于multisim10.1軟件的，而multisim10.1上不支持石英晶體振蕩器，所以在仿真過程中可以使用555定時器構(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)成的電路來提供

14、秒脈沖。 2.2、定時器的設計： 方案一： 用74LS193直接構(gòu)成減計數(shù)器，時鐘脈沖上升沿到來時，在控制信號ST的作用下，計數(shù)器以減計數(shù)向控制器提供M5、M25、M45的信號，即TY、TS、TL的時間信號。方案二： 定時器由與系統(tǒng)秒脈沖同步的計數(shù)器74161構(gòu)成，時鐘脈沖上升沿到來時，在控制信號ST作用下，計數(shù)器從零開始計數(shù)，并向控制器提供M5、M25、M45信號，即TY、TS、TL的時間信號。方案選擇：74LS193是雙時鐘同步二進制可逆計數(shù)器，用它進行減計數(shù)與數(shù)字顯示倒計時相符合。然而必須在輸入端輸入數(shù)字，因此向控制器提供M5、M25、M45的信號需要5片74LS193。而用74161可

15、以級聯(lián)，只需要2片即可向控制器提供M5、M25、M45的信號，倒計數(shù)可在數(shù)字顯示電路中實現(xiàn)。用74161節(jié)省材料，節(jié)約成本，而且由于經(jīng)常應用，因而使用起來較方便。因而選擇方案（）。當系統(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時停止計數(shù)，然后轉(zhuǎn)換到S1狀態(tài)。而且要求計數(shù)器在狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST的作用下，首先清零，然后開始計數(shù)，電路如圖4所示。 2.3.控制器的設計： 列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如圖所示。選用兩個觸發(fā)器作為時序寄存器產(chǎn)生四種狀態(tài)，控制器的轉(zhuǎn)換條件為TL、TY及TS，當控制器處于Q1nQ0n = 00 狀態(tài)時，如果TL=0，則控制器保持在00

16、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無關(guān)，所以無關(guān)項用“”表示。其余情況依次類推，同時列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST。 表2邏輯賦值后的狀態(tài)表Q1nQ2nTLTSTYQ1n+1Q2n+1說明0000維持S0，0000000101由S0 S1 01001維持S101110由S1 S210010維持S210111由S2 S311011維持S311100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Q1nQ0nTL TY TSQ1n+1 Q0n+1ST0 00 00 10 11 11 11 01 00 1 0 1 0 1

17、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)換信號方程為：用四選一數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器實現(xiàn)，設A1A0 = Q1nQ0n ，其他變量通過數(shù)據(jù)輸入端輸入。數(shù)據(jù)選擇器用74LS153，觸發(fā)器用74LS74。設計中將觸發(fā)器的輸出看作邏輯變量，將TL、TS、TY看作輸入信號，按照由數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)邏輯函數(shù)的方法實現(xiàn)以上三個邏輯函數(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可以根據(jù)狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號方程得出。就可得到控制器的原理圖，觸發(fā)器的時鐘輸入端輸入秒脈沖。系統(tǒng)的輸出是在Q1Q0驅(qū)動下的六個發(fā)光二極管，各狀態(tài)與信號燈

18、的關(guān)系由表2給出，因此，得到二極管信號與控制器狀態(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 1 1 0 00 0 1 0 1 02.4、顯示電路的設計：交通燈的數(shù)字顯示采用倒計時，因而應采用減計數(shù)器。方案（）：采用74LS193進行減計數(shù)，然后將輸出接到七段顯示譯碼器上。方案（）：采用74LS192進行減計數(shù)，然后將輸出接到七段顯示譯碼器上。 74LS193是二進制計數(shù)器，而74LS192是十進制計數(shù)器。由于顯示的是由個、十位

19、構(gòu)成的數(shù)，因而用十進制計數(shù)器較好，選擇方案（）。 每個干道需要兩位數(shù)字顯示，由于用減計數(shù)器，因而每個干道需要5片74LS 192，由表3可看出主干道74LS192 應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)）的倒計數(shù)，而支干道74LS192應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)）的倒計數(shù)。74LS192的RD、LD端由Q1、Q0來控制，根據(jù)S0S3狀態(tài)改變Q1、Q0從而控制RD、LD端，使它們進行減計數(shù)和清零。CPD端輸入秒脈沖信號，而CPU端輸入高電平。電路如圖6、7所示。第三章 結(jié)束語3.1 系統(tǒng)綜

20、述：通過分析交通燈控制系統(tǒng)的要求可知，整個系統(tǒng)主要由秒脈沖信號發(fā)生器、定時器、控制器、譯碼顯示器構(gòu)成。其中，秒脈沖信號發(fā)生器由石英晶體振蕩器及由14分頻器CD4060芯片和一個D觸發(fā)器共同構(gòu)成的分頻電路組成；定時器由兩片異步四位二進制計數(shù)器74LS161芯片、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)動芯片7447和四個七段數(shù)碼管構(gòu)成。驅(qū)動電路的工作。主控制器和定時計數(shù)器必須使用同一脈沖信號，譯碼電路輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作。控制電路是系統(tǒng)的主要部分，由它控制

21、定時計數(shù)電路和譯碼驅(qū)動電路的工作能夠?qū)崿F(xiàn)交通燈四種狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。3.2總結(jié)及心得體會： 這次課程設計歷時整整一個星期。通過這一個星期的課程設計，我發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實際的能力還急需提高。在課程設計過程中，光有理論知識是不夠的，還必須懂一些實踐中的知識。這次的課程設計也讓我看到了團隊的力量，我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發(fā)揚團結(jié)協(xié)作的精神。剛開始的時候，我們就分配好了各自的任務，我主要負責定時器及數(shù)字顯示器的設計，李世彥同學主要負責秒脈沖信號發(fā)生器及控制器的設計。然后我們積極查詢相關(guān)資料，

22、并且經(jīng)常聚在一起討論各個方案的可行性。在課程設計中只有一個人知道原理是遠遠不夠的，必須讓每個人都知道，否則一個人的錯誤，就有可能導致整個工作失敗。團結(jié)協(xié)作是我們成功的一項非常重要的保證。而這次設計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。本次課程設計也鞏固和加深了我對電子線路基本知識和理解，提高了綜合運用所學知識的能力，增強了根據(jù)課程需要選學參考資料，查閱手冊、圖表和文獻資料的自學能力。然后深入研究，提出方案，對比后得出最終的可行方案。同時我也初步學習到了關(guān)于課程設計的基本方法、步驟和撰寫設計論文的格式。通過這次課程設計，我想說：為完成這次課程設計我們確實很辛苦，但苦中仍有樂。和團隊人員這七天的

23、一起工作的日子，我們相互幫助、默契配合。對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。讓我知道了學無止境的道理。我們每一個人永遠不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次課程設計必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！51-論文-網(wǎng)-歡迎您3.3 芯片介紹：1、74LS192芯片。74LS192為加減可逆十進制計數(shù)器，CPU端是加計數(shù)器時鐘信號，CPD是減計數(shù)時鐘信號RD=1時無論時鐘脈沖狀態(tài)如何，直接完成清零功能。RD=0，LD=0時，無論時鐘脈沖狀態(tài)如何，輸入信號將立即被送入計數(shù)器的輸出端，完成預置數(shù)功能。其功能表如下表所示:表 5 74LS192功能表CPU CPD RD L