交通燈控制邏輯電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告

交通燈控制邏輯電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告福州大學(xué)陽(yáng)光學(xué)院題目：交通燈邏輯控制電路設(shè)計(jì)系別：電子信息工程系班級(jí)：2011級(jí)通信（二）班學(xué)號(hào)：241199196姓名：蔣聯(lián)水指導(dǎo)老師：楊XX目錄1、設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)(1)設(shè)計(jì)的目的(1)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求(1)擴(kuò)展的要求(2)2、電路設(shè)計(jì)總方案及原理框圖(2)電路設(shè)計(jì)總方案(2)原理框圖(3)內(nèi)容摘要(3)3、各單元電路的工作原理(3)秒脈沖產(chǎn)生電路(3)倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器以及顯示電路的設(shè)計(jì)(6)倒計(jì)時(shí)電路(6)顯示電路(7)3.3信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換方法(8)四分頻電路(8)信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換電路(9)3.4倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器與信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器的連接(10)3.5白天夜間模式切換的設(shè)計(jì)(10)3.6模擬汽車行駛電路設(shè)計(jì)(11)4、總設(shè)計(jì)電路圖(11)5、電路的安裝及調(diào)試(12)6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)(12)7、總結(jié)及心得體會(huì)(13)參考文獻(xiàn)(14)附錄1器件明細(xì)表(14)1、設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)1.1設(shè)計(jì)的目的這次的數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)主要綜合了解與運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)來(lái)檢查2012—2013上半期的學(xué)習(xí)狀況。通過(guò)制作來(lái)了解交通燈控制系統(tǒng)，了解555多諧振蕩器、D觸發(fā)器、移位寄存器、加減法計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管以及各種門電路芯片的作用等。交通燈控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)城市交叉路口紅綠燈的控制。在現(xiàn)代化的大城市中，十字交叉路口越來(lái)越多，在每一個(gè)交叉路口都需要有一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間間隔和轉(zhuǎn)換順序，這就需要一個(gè)安全、自動(dòng)的系統(tǒng)對(duì)紅、黃、綠的轉(zhuǎn)化進(jìn)行管理。本次的設(shè)計(jì)就是基于此目的進(jìn)行的。1.2設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求、滿足圖1-1順序工作流程。圖中設(shè)南北方向的紅、黃、綠燈分別為NSR、NSY、NSG，東西方向的紅、黃、綠燈分別為EWR、EWY、EWG。它們的工作方式有些必須是并行進(jìn)行的，即南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向黃紅燈亮。、應(yīng)滿足兩個(gè)方向的工作時(shí)序：即東西方向亮紅燈時(shí)間應(yīng)等于南北方向亮黃、綠燈時(shí)間之和，南北方向亮紅燈時(shí)間應(yīng)等于東西方向亮黃、綠燈時(shí)間之和。時(shí)序工作流程圖1-2所示。圖2中，假設(shè)每個(gè)單位時(shí)間為4秒，則南北、東西方向綠、黃、紅燈亮?xí)r間分別20秒、4秒、24秒，一次循環(huán)為48秒。其中紅燈亮的時(shí)間為綠燈、黃燈亮的時(shí)間之和。南北打向綠燈亮，東西方向紅燈亮祐七)1甫北方向黃燈鵲京西方向紅燈売牡)r南北庁向紅燈兜，東西輝掾燈嶷缶祐1甫北方向就燈亮，東西方向黃燈亮讓七)圖1-1、交通燈順序工作流程圖圖1-2交通燈時(shí)序工作流程圖（3）、十字路口要有數(shù)字顯示，作為時(shí)間提示，以便人們更直觀地把握時(shí)間。具體為：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(jì)數(shù)方式方式工作，直至減到數(shù)為“0”，十字路口紅、綠燈交換，一次工作循環(huán)結(jié)束，進(jìn)入下一步某方向地工作循環(huán)。例如：當(dāng)南北方向從紅燈轉(zhuǎn)換成綠燈時(shí)，置南北方向數(shù)字顯示為18，并使數(shù)顯計(jì)數(shù)器開(kāi)始減“1”計(jì)數(shù)，當(dāng)減到綠燈滅而黃燈亮?xí)r，數(shù)顯的值應(yīng)為3,當(dāng)減到“0”，時(shí)，此時(shí)黃燈滅，而南北方向的紅燈亮；同時(shí)，使得東西方向的綠燈亮，并置東西方向的數(shù)顯為18。1.3擴(kuò)展的要求（1） 燈的轉(zhuǎn)換可以手動(dòng)調(diào)整，夜間為黃燈閃耀。（2） 用LED發(fā)光二極管模擬汽車行駛電路。當(dāng)某一方向綠燈亮?xí)r，這一方向的發(fā)光二極管接通，并一個(gè)一個(gè)向前移動(dòng)，表示汽車在行駛；當(dāng)遇到黃燈時(shí)，移位發(fā)光二極管就停止，而過(guò)了十字路口的移位發(fā)光二極管繼續(xù)向前移動(dòng)；紅燈亮?xí)r，則另一方向轉(zhuǎn)為綠燈亮，那么，這一方向的LED發(fā)光二極管就開(kāi)始移位（表示這一方向的車輛行駛）。2、電路設(shè)計(jì)總方案及原理框圖2.1電路設(shè)計(jì)總方案為了確保十字路口的車輛順利、暢通地通過(guò)，往往都采用自動(dòng)控制信號(hào)燈來(lái)進(jìn)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。交通燈控制電路的系123456789101112123456NSGt統(tǒng)框圖如圖2-1所示：—looo圖2-1交通燈控制器系統(tǒng)框圖2.2原理框圖2.3內(nèi)容摘要通過(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、觸發(fā)器、寄存器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管以及各種門電路構(gòu)成。其中，由555定時(shí)

器秒脈沖信號(hào)發(fā)生器；計(jì)數(shù)器由四片異步置數(shù)計(jì)數(shù)器74LS192芯片組成、顯示部分用數(shù)碼管構(gòu)成；由兩個(gè)都D觸發(fā)器構(gòu)成四分頻以控制信號(hào)燈的工作，同時(shí)置數(shù)部分為信號(hào)燈提供狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)。主控制器和定時(shí)計(jì)數(shù)器均使用秒脈沖信號(hào)?？刂齐娐肥窍到y(tǒng)的主要部分，由它控制定時(shí)計(jì)數(shù)電路和信號(hào)燈電路的工作能夠?qū)崿F(xiàn)交通燈四種狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。3、各單元電路的工作原理3.1秒脈沖產(chǎn)生電路由于黃燈點(diǎn)亮?xí)r按秒閃動(dòng)以及時(shí)間顯示按秒倒計(jì)時(shí)，所以需要設(shè)計(jì)秒脈沖產(chǎn)生電路。秒脈沖產(chǎn)生電路實(shí)際就是一個(gè)多諧振蕩電路，它可以是用門電路和電阻、電容組成的多諧振蕩電路，也可以是用定時(shí)器555和電阻、電容組成的多諧振蕩器。為了電路簡(jiǎn)單和調(diào)節(jié)振蕩周期方便，選擇用555定時(shí)器組成多諧振蕩器。振蕩周期與頻率的計(jì)算公式為：T=(Rl+2R2)Cln2=0.7(Rl+2R2)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(duì)振蕩電路的影響，課程設(shè)計(jì)中要求輸出T=1S，選取電容為C=10nF，Rl=28.86MQ，根據(jù)振蕩周期計(jì)算，選擇電阻R2=57.72MQ。電路如圖3-1所示：DI"R6on-R7RlIKU2LEDOITR6on-R7RlIKU2LEDOITOUTGNDTRIGDISCCVOLTTHRVCCRSTC2|VCC DVCCNE：555D圖3-1多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖電路由此電路就可以產(chǎn)生脈沖頻率為1赫茲的脈沖。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CD406014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)是要求精度不是很高，所以選擇簡(jiǎn)單，方便使用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。3.2倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器以及顯示電路的設(shè)計(jì)3.2.1倒計(jì)時(shí)電路：十字路口要有數(shù)字顯示作為倒計(jì)時(shí)提示，以便人們直觀的把握時(shí)間。具體的工作方式為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，時(shí)間顯示器為某值，然后以每秒減1的計(jì)數(shù)方式工作，直至減到4或0時(shí)，十字路口的紅綠燈變換，一次工作結(jié)束后進(jìn)入下一步某方向的工作循環(huán)。計(jì)數(shù)器采用74ls192進(jìn)行設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)便。它是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制同步加減法可逆計(jì)數(shù)器，?具有異步并行置數(shù)的功能。功能表如圖3-3所示：表3-374LS192的功能表輸入葡岀MRPL%對(duì)F2F0U3-Q11K-X00□0□廿乂a11~■b3011XX?XX加計(jì)數(shù)011XXX? 減計(jì)數(shù) ：74LS192具有下述功能：、CPU為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。、LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。、CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。、CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出，、BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。利用集成計(jì)數(shù)器芯片可方便地構(gòu)成任意(N)進(jìn)制計(jì)數(shù)器。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要求以減數(shù)狀態(tài)計(jì)數(shù)，所以將UP端接在高電平上，使計(jì)數(shù)器工作在減法狀態(tài)，因?yàn)橐?jì)數(shù)的數(shù)字從24開(kāi)始，所以要預(yù)置數(shù)為24。3.2.2顯示電路：顯示部分用七段數(shù)碼管，將74ls192二進(jìn)制輸出經(jīng)過(guò)CD4511譯碼器譯碼成數(shù)碼

管上。CD4511是一片CMOSBCD—鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)共陰極LED（數(shù)碼管）顯示器的BCD碼一七段碼譯碼器。具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。其引腳功能如圖3-4所示以及真值表如圖3-5所示LEA3&恤At壯-LTB1LEA3&恤At壯-LTB1gYrVAYaYbYCYdYe圖3-4CD4511引腳圖A0~A3：二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端/BI：輸出消隱控制端LE：數(shù)據(jù)鎖定控制端v/LT:燈測(cè)試短Ya~Yg：數(shù)據(jù)輸出端VDD：電源正VSS：電源負(fù)輸 人播 出LEBLhAaAaY<YbYcY血Y：YfyJlllllr-1r1r-ncxxsH5HII?hhhhhhhhhhhHHJLLlLLLLLX匯LLHHHHLLLLXXIHLHLHLHLLL并XHHHLHLHHlHlHHHHIHLHLHHL江HL：XLHlHlHlllHlH嚴(yán)HHiLHHHHHHHLLLHLHHLt1:H1L**HLLLL-L丄Lh'HHXXXX***:***輸岀狀態(tài)鎖定在上一個(gè)LE^L時(shí)扎的輸入狀態(tài).圖3-5CD4511的真值表因此顯示的電路圖設(shè)計(jì)如圖3-6所示：vccGNDGN[)DpyTSIue-CCVCC[jptyTilue-CC':比AJL■T||'GNDDS3iJpyTilus；-C：C|l'Cr?NH o00.:d斗中p註j空uVrJ-rL1三6eFVCCm■crj■T_L』0A■TVi￡/\J11\J1■j\j\J\J\J\JVCCU5LD45IIoClvccGNDGN[JiUKSN74LS392C口Z￥也叢也也也2AZiJI4g thrO號(hào)協(xié)匕■<HJ■口3M屮.H.屮.□屯□vcciijj.也也也也nTO列云￡口U31.1)451IU4〔幻ITKNUh「I;口NcuzsflAdsAM-ICJjj■■titA二Iscuuu>JL7LJIJV.口可。G憫咪jijiAAAGNDu□S<auqX送ObOO戶7d￡I*t_j■1J<32U□■>. AAtA_:LD VCC：CLRUP co左 WHJ口5 <au□門iAia圖3-6計(jì)數(shù)器數(shù)字顯示電路圖3.3信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換方法信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換方式由兩個(gè)D觸發(fā)器和一個(gè)74lsl63移位寄存器以及與門和非門邏輯電路連接而得到。3.3.1四分頻電路：在電子技術(shù)中，N/2（N為奇數(shù)）分頻電路有著重要的應(yīng)用，對(duì)一個(gè)特定的輸入頻率，要經(jīng)N/2分頻后才能得到所需要的輸出，這就要求電路具有N/2的非整數(shù)倍的分頻功能。CD4013是雙D觸發(fā)器，在以CD4013為主組成的若干個(gè)二分頻電路的基礎(chǔ)上，加上異或門等反饋控制，即可很方便地組成N/2分頻電路。D觸發(fā)器的功能表如表3-7所示：

CL(Mote1)DSQQT□■□001: T1"■r1c0X-□■-⑥：QQXX1'0：'01XX1,i0XXX-1.1i圖3-7D觸發(fā)器的功能表用CD4013雙D觸發(fā)器做的脈沖4分頻器如圖3-8所示:GNDGNDGNDCD40I3BCMU1A——脈沖D亞「0卜1D QCD40I3BCMU1A——脈沖D亞「0卜1D QaClKaC：I.KRST0RSTQUIB門四金頻輸出''1飛二CD4-013BCMK-GNDGNDGND圖3-8四分頻電路3.3.2信號(hào)燈的之間的轉(zhuǎn)換電路信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換方法采用74LS164移位寄存器進(jìn)行較簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)。74lsl64是一個(gè)串入并出的8位移位寄存器，其引腳圖如圖3-9和功能表圖3-10

UuHvqc[TOPVEEWIUuHvqci門Qh1?^qgiOqfGNDCsQCLKGNDCsQCLKFUNCTIONTAftLEINPUTSOUTPUTSCLEARCLOCKA5Qe,..L工KKLLLHLXXSo□hoH■+hHH加riHtLKLQAn^C3ntitXLL圖3-974lsl64引腳圖圖3-10功能表根據(jù)以上功能，選用數(shù)據(jù)選擇器74LS163來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)Q4=0,Q5=0時(shí)，經(jīng)過(guò)4t南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮；當(dāng)Q4=1，Q5=0時(shí)，南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮；當(dāng)Q4=1，Q5=1時(shí)，南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮；當(dāng)Q4=0，Q5=1時(shí)，南北方向紅燈亮，東西方向黃紅燈亮。其信號(hào)轉(zhuǎn)圖3-11信號(hào)的轉(zhuǎn)換