交通燈控制器的設(shè)計

1、交通燈控制器PAGE PAGE 22電子課程設(shè)計報告 題目名稱： 交通燈控制器 姓 名： 專 業(yè)： 班級學(xué)號： 同 組 人： 指導(dǎo)老師： 南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院2013年09月20日 數(shù)字電路 課程設(shè)計任務(wù)書20 1320 14 學(xué)年 第 1 學(xué)期第 2 周 3 周 題目交通燈控制器內(nèi)容及要求基本要求 1)增加自動夜間開關(guān)功能，黃燈亮(使用光敏三極管)；2)增加手動功能，方便盲人通過；提高要求1)要求顯示剩余時間；2)增加拐彎時序。進(jìn)度安排2013.9.7-2013.9.8：查閱資料，方案分析與設(shè)計；2013.9.9-2013.9.10：電路仿真、畫PCB線路板圖；2013.9.11-201

2、3.9.16：完成系統(tǒng)的制作、焊接、調(diào)試；2013.9.17-2013.9.18：設(shè)計結(jié)果檢查。學(xué)生姓名：指導(dǎo)時間：周二、周三、周五指導(dǎo)地點：實驗大樓南509室任務(wù)下達(dá)2013 年9月10日任務(wù)完成2013年9月18日考核方式1.評閱 eq oac(,) 2.答辯 3.實際操作 eq oac(,) 4.其它指導(dǎo)教師系（部）主任摘 要目 錄前言 05第一章 設(shè)計要求 06第二章 系統(tǒng)的組成及工作原理 072.1 系統(tǒng)的組成 072.2 工作原理 07第三章 電路方案設(shè)計 083.1 秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計083.2 計數(shù)器及譯碼器的設(shè)計103.2.1 計數(shù)器的設(shè)計103.2.2 七段譯碼器的設(shè)計 1

3、2第四章 實驗調(diào)試與排故調(diào)試 14第五章 實驗結(jié)論及小結(jié) 155.1 本次設(shè)計的優(yōu)點與不足之處155.2 實驗總結(jié)16參考文獻(xiàn)17附錄18前 言信號燈的出現(xiàn)使交通得以有效管制對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力、減少交通事故有明顯效果。交通燈在安全行車過程中起著十分重要的作用。交通燈是城市交通中的重要指揮系統(tǒng)，與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)?，F(xiàn)在交通燈控制系統(tǒng)除具有一般的紅綠燈顯示功能外，還具有倒計時時間顯示功能，以方便人們的出行。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(jìn)，設(shè)計方法也開始多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化。尤其是近幾年來，隨著電子與計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路分析和設(shè)計

4、方法有了很大的改進(jìn)，電子設(shè)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(shè)計提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。這要求在現(xiàn)有道路條件下，提高交通控制和管理水平，合理使用現(xiàn)有交通設(shè)施，充分發(fā)揮其能力，更加靈活有效地提高道路的利用率。目前大部分城市的十字路口交通控制燈通常的做法是:事先經(jīng)過車輛流量的調(diào)查運用統(tǒng)計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預(yù)先設(shè)置好。然而實際上車輛流量的變化往往是不確定的有的路口在不同的時段甚至可能產(chǎn)生很大的差異。即使是經(jīng)過長期運行、較適用的方案仍然會發(fā)生這樣的現(xiàn)象:綠燈方向幾乎沒有什么車輛而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準(zhǔn)確模型的統(tǒng)計的

5、方法已不能適應(yīng)迅猛發(fā)展的交通現(xiàn)狀更為現(xiàn)實的需要是能有一種能夠根據(jù)流量變化情況自適應(yīng)控制的交通燈。交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機(jī)綜合管理系統(tǒng)。它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。第一章 設(shè)計要求基本要求用數(shù)字電路實現(xiàn)下面功能南北向綠燈亮，東西向紅燈亮30S南北向綠燈亮，東西向紅燈亮30S南北向黃燈亮，東西向紅燈亮6S南北向黃燈亮，東西向紅燈亮6S南北向紅燈亮，東西向綠燈亮30S南北向紅燈亮，東西向綠燈亮30S南北向紅燈亮，東西向黃燈亮6S南北向紅燈亮，東西向黃燈亮6S圖1.1 交通燈時序要求：1)增加自動夜間開關(guān)功能，黃燈亮(使用光敏三極管)2)增加手動功能，方便盲人通過提高要求1

6、)要求顯示剩余時間2)增加拐彎時序圖1.2 交通燈狀態(tài)第二章 系統(tǒng)的組成及工作原理2.1 系統(tǒng)的組成本系統(tǒng)主要由觸發(fā)脈沖電路、顯示計數(shù)電路、彩燈顯示控制電路組成。通過脈沖來控制亮燈狀態(tài)，并通過發(fā)光二極管來顯示亮燈狀態(tài)。1、顯示計數(shù)電路由于需要進(jìn)行減計數(shù)，選用74LS190作為減計數(shù)芯片，190芯片是十進(jìn)制加減計數(shù)器，具有同步計數(shù)和異步置數(shù)的功能。首先要將190芯片置數(shù)為30，要有兩位數(shù)計數(shù)，要用兩片190級聯(lián)才能實現(xiàn)兩位十進(jìn)制的倒計時。2、觸發(fā)脈沖電路紅綠黃燈亮的時間比為6：5：1，所以，通過計數(shù)器將秒脈沖變成30s脈沖和6s脈沖，由D觸發(fā)器組成的觸發(fā)電路，通過2個D發(fā)器實現(xiàn)將秒脈沖變?yōu)榧t綠黃

7、燈狀態(tài)信號，通過計數(shù)器的進(jìn)位脈沖給D觸發(fā)器提供CP來完成燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。3、倒計時顯示電路將計數(shù)器的輸出計數(shù)值通過BCD-七段譯碼器74ls248接至七段共陰數(shù)碼管，從而實現(xiàn)剩余時間的顯示。2.2 工作原理 電路由秒脈沖給計數(shù)電路，計數(shù)電路通過74LS190進(jìn)行減法計數(shù)，并通過數(shù)碼管顯示出來。再由計數(shù)器電路產(chǎn)生30s、6s定時通過進(jìn)位信號傳給D觸發(fā)器電路，即傳給74ls74芯片使其工作，再將交通燈的狀態(tài)反饋給計數(shù)器產(chǎn)生不同的初值，從而控制各狀態(tài)的持續(xù)時間，整個電路達(dá)到時間上的一致性，即燈亮就開始計數(shù)，并給確定下一個狀態(tài)的定時初值。整個的、系統(tǒng)框圖如下圖：數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路秒脈沖產(chǎn)生電路

8、計數(shù)定時電路顯示譯碼電路 CP秒脈沖產(chǎn)生電路計數(shù)定時電路顯示譯碼電路 置脈沖觸發(fā)電路紅綠燈驅(qū)動電路 數(shù) 脈沖觸發(fā)電路紅綠燈驅(qū)動電路圖2.1 系統(tǒng)整體框圖第三章 電路方案設(shè)計課題中要求控制兩組紅黃綠燈的亮滅時序而且每種狀態(tài)的時間都需要準(zhǔn)確控制，因此，首先需要秒時鐘信號控制計數(shù)器產(chǎn)生30s、6s的計數(shù)周期，再次需要彩燈控制電路控制紅綠燈的亮滅并與規(guī)定的時間同步，最后，因為需要顯示剩余時間，所以要有數(shù)碼管顯示電路。3.1 秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計針對時鐘信號生成模塊我設(shè)計了以下兩種方案。方案一：采用NE555的多諧振蕩電路多諧振蕩器的周期為兩個暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，T=T1+T2 公式3.1 其中 T1為高電

9、平時間、T2為低電平時間T1=0.693*（RA+RB）*C 公式3.2 T2=0.693*RB*C 公式3.3圖3.1 NE555多諧振蕩電路只要使T=1s芯片的輸出就為秒信號。經(jīng)計算取C=10uF、RA=50k、RB=47k。此時T1=0.693*（47+50）*10-3*10*10-6=672.21msT2=0.693*47*10-3*10*10-6=325.71msT=T1+T2=997.72ms1sMultisim仿真如下圖：圖3.2 NE555秒脈沖產(chǎn)生電路以及電容縮小1000倍后輸出波形由仿真可以看出，該電路能實現(xiàn)產(chǎn)生秒脈沖的功能。方案二：采用CD4060及晶體振蕩器CD4060

10、由一振蕩器和14級二進(jìn)制串行計數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路。由晶振和CD4060構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器電路如下：圖3.3 CD4046秒脈沖發(fā)生電路脈沖發(fā)生器是數(shù)字鐘的核心部分，它的精度和穩(wěn)定度決定了數(shù)字鐘的質(zhì)量，通常用晶體振蕩器發(fā)出的脈沖經(jīng)過整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。如晶振為32768 Hz，通過15次二分頻后可獲得1Hz的脈沖輸出。通過對比兩種方案可以發(fā)現(xiàn)，方案一簡單且常用、使用的元件較少，所以，最終決定采用方案一。3.2 計數(shù)器及譯碼器的設(shè)計3.2.1 計數(shù)器的設(shè)計通過查閱資料，可以知道常用的TTL計數(shù)器有以幾種芯片：74160 TTL 可預(yù)置BCD異步清除計數(shù)器7416

11、1 TTL 可預(yù)置四位二進(jìn)制異步清除計數(shù)器74162 TTL 可預(yù)置BCD同步清除計數(shù)器74163 TTL 可預(yù)置四位二進(jìn)制同步清除計數(shù)器74190 TTL BCD同步加/減計數(shù)器74191 TTL 二進(jìn)制同步可逆計數(shù)器74192 TTL 可預(yù)置BCD雙時鐘可逆計數(shù)器74193 TTL 可預(yù)置四位二進(jìn)制雙時鐘可逆計數(shù)器74196 TTL 十進(jìn)制/二-十進(jìn)制可預(yù)置計數(shù)鎖存器由于設(shè)計要求中，需要十進(jìn)制倒計時顯示，所以選擇BCD同步加/減計數(shù)器74LS190。74LS190具有同步計數(shù)和異步置數(shù)功能。74LS190功能表如圖所示： 圖3.4 74ls190功能表設(shè)計中需要用計數(shù)器產(chǎn)生一個30s和一個

12、6s的定時，所以需要兩片十進(jìn)制計數(shù)器擴(kuò)展成兩位十進(jìn)制計數(shù)。采用進(jìn)位的方法來級聯(lián)兩個計數(shù)器，即將計數(shù)器1的RCO接計數(shù)器2的CP，因為每次減計數(shù)到0時，74ls190會產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，利用次負(fù)脈沖作為計數(shù)器2的時鐘便可實現(xiàn)兩位十進(jìn)制計數(shù)，計數(shù)器1為低位，計數(shù)器2為高位。 圖3.5 計數(shù)器電路根據(jù)課題要求，需要能夠手動控制，方便盲人通過，只需在NE555的輸出端與計數(shù)器的CP端之間加一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時，電路導(dǎo)通，計數(shù)器得到CP開始計數(shù)，開關(guān)斷開是，沒有CP給計數(shù)器，暫停計數(shù)，由于計數(shù)器暫停計數(shù)，D觸發(fā)器也無法得到脈沖信號，所以保持燈的狀態(tài)不變，從而實現(xiàn)手動控制。電路如下圖：圖3.6 手動控制電

13、路3.2.2 七段譯碼器的設(shè)計實驗中選用共陰極七段數(shù)碼管來顯示剩余計數(shù)時間，所以需要一個驅(qū)動共陰極數(shù)碼管的譯碼器，TTL系列中比較常用的為74ls248，其內(nèi)部自帶上拉電阻，可以直接驅(qū)動數(shù)碼管，使用較為方便，只需要在譯碼器輸出與數(shù)碼管之間加一個限流電阻便可直接使用。而且74ls248帶消隱端LT和使能端BI，可以利用使能端，在夜間黃燈亮的時候讓數(shù)碼管不工作，節(jié)省能源。74ls248功能表如下：圖3.6 74ls248功能表74LS248譯碼電路如下圖：圖3.7 譯碼電路第四章 實驗調(diào)試與排故調(diào)試最終焊接排版如下圖：調(diào)試時，先測試NE555秒脈沖信號，因為秒脈沖用肉眼能直接識別，所以測試時通過簡

14、易的測試電路如下圖：圖4.1 秒脈沖測試工具將LED正極接555輸出，負(fù)極串聯(lián)電阻之后接地，如果LED閃爍的頻率為1HZ者測試通過，555輸出為秒脈沖。對于計數(shù)器，譯碼器，數(shù)碼管的測試：第一步將測試節(jié)點1的跳冒連接，斷開計數(shù)器1與計數(shù)器2的連接，使得只有低位計數(shù)，觀察到數(shù)碼管的數(shù)字依次從9到0再循環(huán)，說明低位計數(shù)器、譯碼芯片及其數(shù)碼管連接無誤，測試通過。第二步，用函數(shù)信號發(fā)生器給計數(shù)器2的CP端測試高位計數(shù)器、譯碼器和數(shù)碼管是否正常工作，測試方法同第一步。實際測試時計數(shù)器能正常工作，數(shù)碼管能正常顯示，高位片測試通過。第三步將低位的進(jìn)位與高位的CP相連，能夠組合計數(shù)，以1HZ的從99減值00再循

15、環(huán)表明測試通過。然而，在電路的整體調(diào)試時，當(dāng)計數(shù)器進(jìn)位接上置數(shù)端實現(xiàn)置數(shù)功能時，出現(xiàn)高位0無法顯示的問題，即計數(shù)值顯示值從30到10之后就直接置數(shù)成06，缺失了09至00，仔細(xì)查閱74ls190的datasheet之后，發(fā)現(xiàn)74ls190的置數(shù)端是異步的，即只要有低電平就會置數(shù)，不需要CP的同步。而進(jìn)位端RCO是當(dāng)輸出為0000的時候就會輸出低電平，所以當(dāng)高位減至0時立即就被置數(shù)成下一狀態(tài)的值，導(dǎo)致09至00無法顯示，最后，將9作為置數(shù)信號，當(dāng)0再減一時會變成9這個時候再異步置數(shù)就解決了這個問題。最終的置數(shù)電路如下圖：圖4.2 計數(shù)器置數(shù)電路第五章 實驗結(jié)論及小結(jié)5.1 本次設(shè)計的優(yōu)點與不足之

16、處本次設(shè)計最終能夠?qū)崿F(xiàn)基本要求，紅綠燈能按找規(guī)定的方式亮滅，并且具有夜間開關(guān)功能、手動功能，提高要求實現(xiàn)了顯示剩余時間，不足之處在于未能實現(xiàn)第二點提高要求增加拐彎時序，只設(shè)計出了大致的方案，是由于該方案需要增加幾個芯片，考慮到復(fù)雜度，因為在數(shù)字電路的設(shè)計中，觸發(fā)器的數(shù)量與狀態(tài)的數(shù)量滿足 公式5.1（其中：N為觸發(fā)器的個數(shù)，Q為狀態(tài)數(shù)）對于基本要求，只有四個狀態(tài)，N=2就能滿足設(shè)計要求，即用兩個D觸發(fā)器就能實現(xiàn)，如果要增加拐外狀態(tài)則N必須大于2，就需要使用更多的觸發(fā)器以及各類門，加大了電路的復(fù)雜程度，所以決定放棄執(zhí)行此方案。而其設(shè)計原理與基本原理類似：先寫出各狀態(tài)的狀態(tài)圖，狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表，然后用

17、過狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表以及各類觸發(fā)器的激勵表寫出觸發(fā)器的關(guān)系、LED與觸發(fā)器輸出的關(guān)系從而實現(xiàn)相應(yīng)的功能。5.2 實驗總結(jié)兩周的課程設(shè)計將從課本上的知識應(yīng)用于實際中，學(xué)以致用，有些知識和問題只有在實際操作的時候才能發(fā)現(xiàn)，只有通過實踐才能更深的理解理論知識。數(shù)字電路課程設(shè)計就是很好的實踐。在交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計中，充分的體現(xiàn)了動手能力和對課本知識的掌握程度。而設(shè)計過程又存在著許多的問題，由于面包板的地方有限，所以必須先合理的規(guī)劃每個模塊的位置，其次，芯片周圍的布線也得小心處理，粗心大意的代價就是局部短路。實習(xí)中更是將各個芯片的功能狀態(tài)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了一遍，熟練地用它們實現(xiàn)所需的功能。不過在所遇到的問題處理過程中有成功也有失敗，但這確實加強(qiáng)了自己的動手能力，最終我還是體會到成功的喜悅。參考文獻(xiàn)1.彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo).北京：高等教育出版社19972.彭軍.數(shù)字電路設(shè)計與制作.北京：科學(xué)出版社.20053.閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，20064.華成英. 模擬電子技術(shù)基本教程.北京：清華大學(xué)出版社，2006 5.張瑾.電路設(shè)計與制版Protel 99SE 入門與提高.北京：人民郵電出版社，20076.黃繼昌.數(shù)字集成電路應(yīng)用300例.北京：人民郵電出版社，20077.趙柯. 脈沖與數(shù)字電路實驗指導(dǎo)書.南昌：南昌航空大學(xué)出版社,2012附錄1 電路原理圖圖