簡易交通燈控制電路的設(shè)計(jì)

xxxxxx大學(xué)課程設(shè)計(jì)簡易交通燈控制電路的設(shè)計(jì)班級學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師

xxxxxx大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱電子線路課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目簡易交通燈控制電路的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計(jì)說明與技術(shù)指標(biāo)1．東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時(shí)間25s。2．東西方向與南北方向黃燈亮，時(shí)間5s。3．南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時(shí)間15s。4．如果發(fā)生緊急事件，可以手動控制四個(gè)方向紅燈全亮，禁止該道路的車輛通行，特殊情況過后能恢復(fù)正常。二、設(shè)計(jì)要求1．在選擇器件時(shí)，應(yīng)考慮成本。2．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過分析計(jì)算確定電路和元器件參數(shù)。3．畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。三、實(shí)驗(yàn)要求1．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路，用multisim軟件仿真。2．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。四、推薦參考資料1.童詩白，華成英主編．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．[M]北京：高等教育出版社，2006年2.閻石，數(shù)字電子技術(shù)（第五版）．[M]北京：高等教育出版社，2005.3.陳孝彬《555集成電路實(shí)用電路集》高等教育出版社2002-84.王剛《TTL集成電路應(yīng)用》機(jī)械工業(yè)出版社2000-10五、按照要求撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告74LS192是雙時(shí)鐘同步16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。然而由于對74LS192不太熟悉，并且在最初提供的芯片中并沒有74LS192，所以最終選擇了74LS161芯片。而且由于經(jīng)常應(yīng)用，因而使用起來較方便。因而選擇方案二。所以最終確定的總體實(shí)驗(yàn)方案如下：由555時(shí)鐘信號發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定的“秒”脈沖信號。用兩片74LS161作為計(jì)數(shù)器分別作為高低位片，將其輸出端通過非門與74LS47相連后，把74LS47輸出端連到共陽極數(shù)碼管上，實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)；用一片74LS74即兩個(gè)D觸發(fā)器作為狀態(tài)控制器，控制狀態(tài)變量Q2Q1的變化，即實(shí)現(xiàn)變化：00-01-10-11；用兩片計(jì)數(shù)器的C進(jìn)位端進(jìn)行與運(yùn)算后作為狀態(tài)控制器的脈沖；利用狀態(tài)控制器與計(jì)數(shù)器的輸出對計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)置數(shù)操作，從而實(shí)現(xiàn)模25，模15，模5的轉(zhuǎn)換；狀態(tài)控制器的輸出Q2Q1連接至74LS138的兩個(gè)地址輸入端AB，第三個(gè)地址輸入端C接地；六個(gè)燈按照不同狀態(tài)分別與74LS18的前四個(gè)輸出端連接?？傮w設(shè)計(jì)方案框圖如圖1：圖1總體設(shè)計(jì)方案框圖在此電路中，555時(shí)鐘信號發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)以秒為單位的CLK脈沖，計(jì)數(shù)器74LS161接受CLK脈沖，實(shí)現(xiàn)同步計(jì)時(shí)。通過非門連接計(jì)數(shù)器輸出端與譯碼驅(qū)動電路，在數(shù)碼管上顯示倒計(jì)時(shí)。將計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出C取反用以控制其自身循環(huán)置數(shù)，對計(jì)數(shù)器的兩片74LS161的輸出C通過與門來作為紅綠燈狀態(tài)控制器74LS74的脈沖信號，由此，狀態(tài)從00變至01，歷時(shí)25s；從01至10，歷時(shí)5s；從10至11，歷時(shí)20s；再從11變至00，歷時(shí)5s，依次循環(huán)。狀態(tài)不同，計(jì)數(shù)器置數(shù)和紅綠燈如何顯示不同；計(jì)數(shù)器置數(shù)不同，則模值不同，狀態(tài)改變時(shí)間也不同。三、電路設(shè)計(jì)3.1秒脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)3.1.1秒脈沖發(fā)生器的功能及組成元件秒脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生周期為1秒的的矩形波脈沖，其主要由555芯片組成的多諧振蕩器來實(shí)現(xiàn)。3.1.2秒脈沖發(fā)生器的工作原理由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖3所示，R1，R2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端和低電平觸發(fā)端并接后接到R2和C的連接處，將放電端接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）Vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VT截止。這時(shí)，電源經(jīng)R1，R2對電容C充電，使電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把T充=(R1+R2)×C由于放電管VT導(dǎo)通，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時(shí)間T2T放=R2×C隨著C的放電，uc下降，當(dāng)uc下降到（1/3）Vcc時(shí)，輸出uo。為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對電容c充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc圖2多諧振蕩器工作波形圖3555構(gòu)成的多諧振蕩器原理圖3.1.3秒脈沖發(fā)生器電路的元件參數(shù)計(jì)算因?yàn)閷τ谠撾娐酚蠺=T1+T2T1=0.7R1+R2×CT2=0.7×R2×C(T≈0.7(R1+2R2)×C(6)若令C=10μf，R1=43K?,那么R2=51K?。則T≈1.015s，對于信號燈來說精度足夠。秒脈沖發(fā)生器電路如圖4所示。圖4555組成的秒脈沖發(fā)生電路此電路為計(jì)時(shí)電路提供時(shí)鐘信號CLK。3.2計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)3.2.1定時(shí)器的功能及其組件計(jì)時(shí)器的功能是實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)并驅(qū)動顯示譯碼器實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)輸出，其電路組成元件有74LS161、74LS04（非門）、74LS08（二輸入與門）、74LS86（異或門）。圖54位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74LS161引腳排列圖74LS161是4位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，它具有異步清零、同步置數(shù)的功能。74LS161的引腳圖如圖5所示，其功能表如表2所示。圖中，RD'是低電平有效的異步清零輸入端，LD'是低電平有效的同步并行置數(shù)控制端，ET、EP表24位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74LS161功能表CLKRLDEPET工作狀態(tài)×↑××↑01111×0111××0×1××101異步清零同步預(yù)置數(shù)保持保持（但C=0）計(jì)數(shù)3.2.2定時(shí)器電路工作原理定時(shí)器工作原理圖如圖6所示。圖6兩片74LS161級聯(lián)組成的定時(shí)器電路兩片74LS161之間采用并行連接，低位片的進(jìn)位輸出接入高位片的EP、ET使能端，高位片只有在低位片進(jìn)位時(shí)才會進(jìn)行計(jì)數(shù)或置數(shù)。此電路輸出后接入非門使其輸出為反碼，當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出原碼為1111即反碼為0000時(shí)，進(jìn)位輸出端C輸出高電平，進(jìn)行非運(yùn)算后變?yōu)榈碗娖浇尤隠D’進(jìn)行置數(shù)，并行輸入端D3D2D1D0的數(shù)據(jù)被置入計(jì)數(shù)器。綜上所述：高位片只有在高低位片QAQBQCQD輸出都為1111時(shí)才會被置數(shù)，低位片QAQBQCQD為1111時(shí)高位片僅進(jìn)行計(jì)數(shù)運(yùn)算。若計(jì)數(shù)器分別輸出25秒（S0）、5秒（S1）、15秒（S2）、5秒（S3），四個(gè)狀態(tài)的計(jì)數(shù)信號，則需要系統(tǒng)的狀態(tài)量Q2Q1和74LS161的輸出QAQBQCQD共同控制芯片的置數(shù)端D0D1D2D3。由表1可以列出兩個(gè)計(jì)數(shù)芯片的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表3所示。表3兩片74LS161的置數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表（*表示不進(jìn)行置數(shù)操作）狀態(tài)高位片低位片Q2Q1QD’QC'QB'QA'D3'D2'D1'D0'QD’QC'QB'QA'D3'D2'D1'D0'000010****00001001000001****00001001010000000000000100100000000100000100100001000000001001110000000000000100000000001000000100由表3可以得出高位片：D3=D2=1D1=Q1+D0=Q1+低位片：D3=DD2=QA'D1=1(此電路的輸出為計(jì)時(shí)顯示電路的輸入。3.3計(jì)時(shí)顯示電路計(jì)時(shí)顯示電路包含74LS47顯示譯碼器和共陽極二極管。該電路將計(jì)時(shí)電路產(chǎn)生的倒計(jì)時(shí)數(shù)碼進(jìn)行可視化顯示。此電路中顯示譯碼器與數(shù)碼管的對應(yīng)關(guān)系為74LS48驅(qū)動共陰極數(shù)碼管，74LS47驅(qū)動共陽極數(shù)碼管。電路沒有復(fù)雜邏輯關(guān)系，按照管腳關(guān)系認(rèn)真連接即可。計(jì)時(shí)顯示電路如圖7所示。圖7計(jì)時(shí)顯示電路原理圖3.4控制器電路的設(shè)計(jì)3.4.1控制器的功能及組成元件控制器的功能是按預(yù)定的狀態(tài)循環(huán)控制著每個(gè)交通燈的亮和滅。其電路由74LS168芯片和74LS74芯片來實(shí)現(xiàn)。其中74LS138芯片為3線-8線譯碼器，用來驅(qū)動譯碼電路。74LS74芯片為邊沿D觸發(fā)器，用來實(shí)現(xiàn)四個(gè)狀態(tài)的循環(huán)。3.4.2控制器電路工作原理如圖8，為控制器狀態(tài)圖。圖8控制器狀態(tài)圖總狀態(tài)數(shù)M=4，所以取觸發(fā)器數(shù)目為2，取自然二進(jìn)制數(shù)的00～11作為S0～S3的編碼，得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表4.表4觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)變

化順序狀態(tài)編碼進(jìn)位輸出CQ2Q1S0000S1010S2100S3111選用2個(gè)CLK邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器，分別用FF1、FF2表示。由于采用同步方案故時(shí)鐘方程CLK=clk1=clk2=C1C2(13)其中C1C2分別為兩個(gè)74LS161的進(jìn)位輸出端。表示電路次態(tài)/進(jìn)位輸出C與電路現(xiàn)態(tài)關(guān)系的卡諾圖如圖9所示。Q2Q2Q101001/010/0111/100/0圖9電路次態(tài)/進(jìn)位輸出C與現(xiàn)態(tài)關(guān)系的卡諾圖對圖9拆分化簡后可得出：Q2*=Q1Q1*=Q1式（14）（15）為狀態(tài)方程，比較D觸發(fā)器的特性方程Q*=D可得：D2=Q1?D1=Q1'74LS138為3線-8線譯碼器，本系統(tǒng)中只有四個(gè)狀態(tài)，所以將地址輸入端高位C接地，Q2Q1分別接BA，此時(shí)輸出Y0Y1Y2Y3分別表示S0S1S2S3四個(gè)狀態(tài)?？刂齐娐窞槿到y(tǒng)提供狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。原理圖如圖10。圖10控制電路原理圖3.5緊急狀態(tài)手動控制電路的設(shè)計(jì)考慮到實(shí)際中可能遇到緊急情況需要禁止整個(gè)十字路口通行，即四個(gè)方向全是紅燈，而緊急狀態(tài)結(jié)束后還能夠繼續(xù)正常運(yùn)行，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了緊急狀態(tài)手動控制開關(guān)。此開關(guān)為單刀雙擲開關(guān)，連接74LS138的G1片選端，和計(jì)時(shí)器的低位片的EP、ET使能端，這三個(gè)端口都是連接高電平時(shí)可以使芯片正常工作，連接低電平時(shí)則會使芯片禁止工作處于保持狀態(tài)，所以可以使整個(gè)系統(tǒng)暫停工作，在這一端還要連接一個(gè)非門后接入用或門與紅燈控制電路連接。因此單刀雙擲開關(guān)的另外兩端分別接高電平和地，正常狀態(tài)時(shí)長接高電平，緊急狀態(tài)下接地使系統(tǒng)停止工作。在非門的控制下把低電平轉(zhuǎn)化為高電平使紅燈常亮。其電路如圖11所示圖11緊急狀態(tài)手動控制開關(guān)3.6信號燈控制電路的設(shè)計(jì)信號燈控制電路接收控制電路的74LS138給出的四個(gè)狀態(tài)信號分別按照設(shè)計(jì)要求控制不同的信號燈，對應(yīng)控制關(guān)系如表5所示表5四種狀態(tài)對應(yīng)控制燈光組合狀態(tài)東西方向(A)南北方向（B）AGAYARBGBYBRY0Y1Y2Y3001100001010100001010001所以：AG=Y2(19)AY=Y3(20)AR=Y0+Y1(21)BG=Y0(22)BY=Y1(23)BR=Y2+Y3(24)可連接信號燈控制電路如圖12所示。由于74LS138輸出低電平有效，所以接入非門裝換為高電平后再連接如信號燈控制電路。這里的或門中接入緊急狀態(tài)手動開關(guān)的控制信號，使其可以在緊急狀態(tài)74LS138被禁止的狀況下提供紅燈全亮信號。圖12信號燈控制電路原理圖四、性能測試4.1秒脈沖發(fā)生電路的測試將555芯片3腳輸出端接入示波器得到秒脈沖波形，如圖13所示。圖13秒脈沖波形此部分能夠較為精確的輸出秒脈沖信號，為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號。4.2定時(shí)器與計(jì)時(shí)顯示電路測試計(jì)時(shí)顯示電路可以顯示出定時(shí)器的工作狀態(tài)，所以一起進(jìn)行測試。在仿真和實(shí)物測試中可以都看到此部分電路可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。完成有S0（24～0）,S1（4～0），S2（14～0）,S3（4～0）,四個(gè)狀態(tài)的倒計(jì)時(shí)循環(huán)。圖14到圖17為每個(gè)狀態(tài)開始時(shí)的仿真截圖。圖14S0狀態(tài)開始時(shí)仿真圖圖15S1狀態(tài)開始時(shí)仿真圖圖16S2狀態(tài)開始時(shí)仿真圖圖17S3狀態(tài)開始時(shí)仿真圖4.3控制電路和信號燈控制電路測試控制電路為整個(gè)系統(tǒng)提供狀態(tài)信號Q2Q1，信號燈控制電路接受控制電路信號后控制不同顏色的燈亮滅。圖18為控制電路和信號燈控制電路的仿真邏輯分析圖。邏輯圖由上到下分別表示Q2、Q1、AG、AY、AR、BG、BY、BR。Q2Q1=00時(shí)，AR=BG=1，即東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮；Q2Q1=01時(shí)，AG=BY=1，即東西方向紅燈亮，南北方向黃燈亮；Q2Q1=10時(shí)，AG=BR=1，即東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮；Q2Q1=11時(shí)，AY=BR=1，即東西方向黃燈亮，南北方向紅燈亮。以上測試中證明控制電路和信號燈控制電路達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠完成整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)控制和信號燈亮滅控制。圖18控制電路和信號燈控制電路的仿真邏輯分析圖4.4緊急狀態(tài)手動控制開關(guān)測試在緊急狀態(tài)下按下控制開關(guān)可以使整個(gè)系統(tǒng)停止工作，并且所有紅燈常亮，在緊急狀態(tài)結(jié)束后關(guān)閉開關(guān)可以繼續(xù)正常使用。啟動狀態(tài)如圖19。圖19緊急開關(guān)打開示意圖在測試過程中不僅進(jìn)行了仿真測試，也進(jìn)行了實(shí)物測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的所有功能。圖20為實(shí)物連接圖。圖20系統(tǒng)實(shí)物連接圖五、結(jié)論該設(shè)計(jì)電路基本能滿足交通信號燈控制器的設(shè)計(jì)要求，通過控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，指揮各種車輛和行人安全通行，能夠?qū)崿F(xiàn)交通十字路口管理的自動化控制，并且能夠在發(fā)生緊急情況時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)。該電路設(shè)計(jì)相對來說比較簡單，實(shí)用。但設(shè)計(jì)中存在很多的不足之處，比如說該秒脈沖發(fā)生器的時(shí)間精度不夠精確，假如采用晶振計(jì)時(shí)器來控制的話就會相當(dāng)準(zhǔn)確；在數(shù)碼管顯示為00時(shí)就會切換狀態(tài)，雖然不影響整體計(jì)數(shù)時(shí)間，但是仍然不夠完善。這兩周的電子線路課程設(shè)計(jì)期間，我遇到了平時(shí)從未有過的困難。因?yàn)檎n程設(shè)計(jì)不是依靠某一方面的知識就可以完成的，而是對平時(shí)所學(xué)的理論知識的高度整合。又因?yàn)樽约核鶎W(xué)的知識有限，要設(shè)計(jì)出此電路需要花費(fèi)大量的時(shí)間去查找資料，雖然很是艱難，但經(jīng)過幾周的艱苦努力，終于還是完成了課程設(shè)計(jì)的任務(wù)。特別是我們學(xué)習(xí)理論時(shí)學(xué)到的是TTL電路中引腳懸空即為高電平，但是實(shí)物連接過程中出現(xiàn)了不少的問題，最后把所有懸空的引腳都接了高電平才解決這個(gè)問題。在這個(gè)過程中我深刻理解了“理論聯(lián)系實(shí)際”這句話的重要性。通過此次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多知識一方面，我掌握了常用元件的識別、使用和測試方法；如何化簡電路提高電路的性能；以及電路的子功能和總體測試的方法等等。另一方面，使我感悟最深的是數(shù)字電路設(shè)計(jì)需要的是深厚的知識功底和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。好的電路設(shè)計(jì)不僅要求正確，而且是最簡單的，盡量在功能齊全的前提下減少所用器件的數(shù)量，這樣不僅可以降低成本，而且可以增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。特別是在實(shí)物連