交通燈控制邏輯電路設(shè)計

1、PAGE 數(shù)字電子技術(shù) 課 程 設(shè) 計 題 目 交通燈控制邏輯電路設(shè)計 系 (部) 信息工程系 班 級 11通信1班 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2013 年 7 月 1 日至 7 2013年 7課程設(shè)計成績評定表出勤情況出勤天數(shù) 缺勤天數(shù)成績評定出勤情況及設(shè)計過程表現(xiàn)（20分）課設(shè)答辯（20分）說明書（20分）設(shè)計成果（40分）總成績（100分）提問（答辯）問題情況綜合評定 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日課程設(shè)計說明書PAGE 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc360786228 1 引言 PAGEREF _Toc360786228 h 1 HYPERLINK

2、l _Toc360786229 1.1 功能要求 PAGEREF _Toc360786229 h 1 HYPERLINK l _Toc360786230 1.2總體方案設(shè)計 PAGEREF _Toc360786230 h 1 HYPERLINK l _Toc360786231 2 設(shè)計原理 PAGEREF _Toc360786231 h 2 HYPERLINK l _Toc360786232 2.1 白天工作模式 PAGEREF _Toc360786232 h 2 HYPERLINK l _Toc360786233 2.2 夜晚工作模式和總設(shè)計圖 PAGEREF _Toc360786233 h

3、 2 HYPERLINK l _Toc360786234 3 總體設(shè)計 PAGEREF _Toc360786234 h 3 HYPERLINK l _Toc360786235 3.1 單元電路 PAGEREF _Toc360786235 h 3 HYPERLINK l _Toc360786236 3.1.1 秒脈沖產(chǎn)生電路 PAGEREF _Toc360786236 h 3 HYPERLINK l _Toc360786237 3.1.2 信號燈轉(zhuǎn)化器 PAGEREF _Toc360786237 h 4 HYPERLINK l _Toc360786238 3.1.3 JK觸發(fā)器 PAGEREF

4、_Toc360786238 h 5 HYPERLINK l _Toc360786239 3.1.4 倒計時計數(shù)器 PAGEREF _Toc360786239 h 6 HYPERLINK l _Toc360786240 3.1.5 倒計時計數(shù)器與信號燈轉(zhuǎn)化器的連接 PAGEREF _Toc360786240 h 7 HYPERLINK l _Toc360786241 3.1.6 黃燈閃爍控制 PAGEREF _Toc360786241 h 8 HYPERLINK l _Toc360786242 3.1.7 白天夜間模式的轉(zhuǎn)換 PAGEREF _Toc360786242 h 9 HYPERLINK

5、 l _Toc360786243 3.2 時序仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc360786243 h 9 HYPERLINK l _Toc360786244 3.2.1 白天工作模式 PAGEREF _Toc360786244 h 9 HYPERLINK l _Toc360786245 3.2.2 夜間工作模式 PAGEREF _Toc360786245 h 10 HYPERLINK l _Toc360786246 4 仿真軟件簡介 PAGEREF _Toc360786246 h 12 HYPERLINK l _Toc360786247 5 設(shè)計總結(jié) PAGEREF _Toc36078624

6、7 h 13 HYPERLINK l _Toc360786248 6 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc360786248 h 14 HYPERLINK l _Toc360786249 7 附錄 PAGEREF _Toc360786249 h 15 PAGE 161 引言城市十字交叉路口為確保車輛、行人安全有序地通過，都設(shè)有指揮信號燈。交通信號燈的出現(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。因此如何采用合適的方法，使交通信號燈的控制與交通疏導(dǎo)有機結(jié)合，最大限度緩解主干道與匝道、城市同周邊地區(qū)的交通擁堵情況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門以待解決的

7、主要問題。以下就一個簡單的交通燈控制系統(tǒng)的電路原理、設(shè)計和仿真測試等問題來進(jìn)行具體分析。1.1 功能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序進(jìn)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(jìn)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(jìn)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?xí)r間可以在0-99秒內(nèi)任意設(shè)定)1.2總體方案設(shè)計 G Y G Y R白天工作模式夜間工作模式 G 夜間工作模式 G Y R 信號燈轉(zhuǎn)換器倒計時計數(shù)器秒脈沖

8、發(fā)生器圖1-1 交通信號燈的邏輯框圖2 設(shè)計原理南北方向綠燈亮，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。南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮，各20秒。南北方向紅燈亮4秒，東西方向黃燈閃亮4秒。2.1 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。南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮，各20秒。南北方向紅燈亮4秒，東西方向黃燈閃亮4秒。圖2-1 信號指示燈白天工作流程圖2.2 夜晚工作模式和總設(shè)計圖 南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其他燈不亮。因此總設(shè)計圖如下圖所示：東西信號燈東西信號燈南北信號燈組合邏輯電路計數(shù)器分頻器秒

9、脈沖產(chǎn)生電路系統(tǒng)電源工作方式控制開關(guān)圖2-2 總設(shè)計圖3 總體設(shè)計3.1 單元電路3.1.1 秒脈沖產(chǎn)生電路秒脈沖產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號，主要由振蕩器和分頻器組成。振蕩器是計時器的核心，振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的進(jìn)度決定了計時器的準(zhǔn)確度，可由石英晶體振蕩電路或555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(zhǔn)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=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2

10、)C,電源電壓為Vcc=12V，其中電路圖中C1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，R1=28.86M，根據(jù)振蕩周期計算，選擇電阻R2=57.72M。用multisim進(jìn)行仿真，仿真圖如圖所示：圖3-1 555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(jìn)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圖3-2 555定時器內(nèi)部邏輯電路3.1.2 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；南北方向車道的紅燈亮

11、，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(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)信號燈的轉(zhuǎn)換工作。若選用JK觸發(fā)器，則原理如下。3.

12、1.3 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31所示。表3-1狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸出Q0 Q1 0 0 0 1 1 1 1 0Q0* Q1* 0 1 1 1 1 0 0 0GA YA RA GB YB RB 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0可以得出信號燈狀態(tài)的邏輯表達(dá)式： GA =Q1Q0 YA =Q1 GB =Q1Q0 YB =Q1Q0 RB=QJK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

13、，觸發(fā)器1的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器0的次態(tài)相反，因此可以將觸發(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：圖3-3 JK觸發(fā)器連接的電路圖3.1.4 倒計時計數(shù)器十字路口要有數(shù)字顯示作為倒計時提示，以便人們更直觀的把握時間。具體工作方式為：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 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(jìn)制同步

14、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(jìn)制計數(shù)器，再根據(jù)線路連接的改變將其連接成24進(jìn)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CTEN D/U CLK LOADA B C D QA QB QC QD 0 A B C D 0 1 1 減計數(shù) 0 0 1 加計數(shù) 1 1 0 0 0 0 要實現(xiàn)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)7419

15、0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端。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 、QD起來接在十位數(shù)74190芯片的CLK端，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端接低電頻，加/減計數(shù)控制端D/U接高電頻實現(xiàn)減計數(shù)，預(yù)置端LOAD接高電頻時計數(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)，置完數(shù)后，LOAD變?yōu)?，計數(shù)器開始倒計時，當(dāng)?shù)褂嫊r減為00時，

16、LOAD又變?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：圖3-4 倒計時計數(shù)器電路3.1.5 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QA、QB、QC、QD分別用一個4輸入或非門連起來，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

17、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： 圖3-5交通燈信號控制器電路圖3.1.6 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。3.1.

18、7 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。由經(jīng)過修改之后的組合邏輯電路輸出與輸入的表達(dá)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： 圖3-6 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

19、樣當(dāng)天黑以后經(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。3.2 時序仿真結(jié)果3.2.1 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)

20、如下圖所示： 圖3-7 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：圖3-8 白天工作狀態(tài)3.2.2 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： 圖3-9 夜間工作狀態(tài)4 仿真軟件簡介NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進(jìn)行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。

21、與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。有如下特點：1通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計電路 ；2通過交互式SPICE仿真, 迅速了解電路行為； 3借助高級電路分析, 理解基本設(shè)計特征 ；4通過一個工具鏈, 無縫地集成電路設(shè)計和虛擬測試 ；5通過改進(jìn)、整合設(shè)計流程, 減少建模錯誤并縮短研發(fā)時間。5 設(shè)計總結(jié)通過本次課程設(shè)計，使我對數(shù)電知識有了更深更廣更深刻的理解和掌握。課設(shè)的學(xué)習(xí)不同于課本的學(xué)習(xí)，課設(shè)是真正要求一個人的思維能力的，課程設(shè)計中的每一步?jīng)]一個小小的細(xì)節(jié)都必須做到準(zhǔn)確無誤。這次課程設(shè)計更讓我

22、懂得了一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S是多么的重要。電路的連接，芯片和其它各種器件的放置，電路的檢查，都需要一個人的動手能力，對個人的能力提高很有幫助。時間很緊，這一周又在忙碌中過去了，經(jīng)過一周的數(shù)電課程設(shè)計，我從原先看見電路圖就一頭霧水到現(xiàn)在能夠設(shè)計復(fù)雜的數(shù)字鐘電路，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電路的仿真與實物板的制作與調(diào)試，之間的巨大變化著實令人吃驚。但是這種進(jìn)步來之不易，因為這期間我遇到了很多的困難，發(fā)現(xiàn)了很多的問題，正是在解決問題的期間我才慢慢地熟悉了數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)知識，才慢慢學(xué)會了如何去按照給定的要求設(shè)計出合適的電路，作出電路的實物并對電路進(jìn)行調(diào)試。本次課程設(shè)計主要是運用本學(xué)期所學(xué)到的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識來設(shè)計一個符合要求的數(shù)字鐘，本次設(shè)計不僅要求我們要掌握數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)知識，還要求我們對數(shù)字鐘的各個組成部分的原理，包括振蕩器的原理、計數(shù)器的原理、譯碼驅(qū)動原理都有深刻的理解和掌握，本次課程設(shè)計最重要的是要求我們能夠運用所學(xué)的知識將幾種單元電路組合起來，并且