智能交通燈課程設(shè)計

摘要：通過采用數(shù)字電路對交通燈控制電路的設(shè)計,提出使交通燈控制電路用數(shù)字信號自動控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法,并且以倒計時顯示器顯示提示綠燈通行時間，指揮各種車輛和行人平安通行,實現(xiàn)十字路口交通管理的自動化.因此，在本次課程設(shè)計里，將以傳統(tǒng)的設(shè)計方法為根底來實現(xiàn)設(shè)計交通控制信號燈。而且主要運用到數(shù)模點知識來接解決設(shè)計電路的問題。關(guān)鍵詞：交通問題，交通燈，控制器，計時器Abstract:Throughtheuseofdigitalcircuitryonthetrafficlightscontrolcircuitdesign,toenablethetrafficlightscontrolcircuitatacrossroadswithtwosetsofautomaticcontrolofdigitalsignalred,yellowandgreentrafficlightsapproachthestatusoftheconversion,commandavarietyofvehiclesandpedestrianssafepassagetoachieveautomatedtrafficmanagementatthecrossroads.Therefore,inthecoursedesign,thetraditionaldesignmethodswillbethebasisoftrafficcontrolsignaldesign.Keywords:Trafficproblem，trafficlight，Controller目錄1前言………………………......12總體方案……………………..22.1方案的比擬………………...22.2方案論證與選擇…………...33單元模塊設(shè)計………………..43.1各單元模塊功能介紹及其電路設(shè)計.........................................4計數(shù)器模塊電路………………..4 顯示電路………………………..5時基電路………………………..6分頻器電路..........................................................................................................7 紅綠燈邏輯控制電路…………..83.2特殊元件的介紹………….123.2.174LS48芯片的介紹............................................123.2.274ls192計數(shù)器芯片…………...143.3各單元模塊的連接……………………….164軟件設(shè)計……………………164.1說明軟件設(shè)計原理及...................................................164.2畫出軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖、說明其功能........................................184.3畫出主要軟件設(shè)計流程框圖.............................................195說明系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能...................................................206結(jié)論………………………..217心得體會……………………228謝辭…………………………239參考文獻……………………2410附錄………………………..251前言目前數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于計算機、自動控制、電子測量儀表、電視、雷達、通信等各個領(lǐng)域。例如在現(xiàn)代測量技術(shù)中,數(shù)字測量儀表不僅比模擬測量儀表精度高,功能高,而且容易實現(xiàn)測量的自動化和智能化。隨著集成技術(shù)的開展,尤其是中,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的開展,數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用范圍將會更廣泛地滲透到國民經(jīng)濟的各個部門,并將產(chǎn)生越來越深刻的影響。隨著科技的開展,人民生活水平的提高,出門乘車也成了我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓ぞ?但是怎樣才能比擬平安的在路上行駛，成了我們今天必不可少的話題。交通問題也越來越引起人們的重視，人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成局部，對于我們學(xué)生來說交通燈等控制器也是比擬適合初學(xué)者設(shè)計的一個課題。本文正是設(shè)計的一個十字路口的交通燈控制器。2總體方案2.1方案的比擬方案一本系統(tǒng)主要由時序控制電路，譯碼器電路，倒計時電路，顯示器電路和時基電路組成。其中，實際電路產(chǎn)計時器和控制器的生標(biāo)準(zhǔn)信號，控制器是本系統(tǒng)的核心，協(xié)調(diào)各局部工作狀態(tài)。東西方向的黃綠紅燈和南北方向的黃綠紅燈各有兩個十進制數(shù)的數(shù)碼顯示器。東南方向紅燈亮的時間等于南北方向綠燈和黃燈所亮?xí)r間之和。并設(shè)定紅、綠、燈亮的時間為32s、28s、4s。并且，為方便行人及司機把握通行時間，顯示方式為倒計時顯示，以1秒的方式遞減，到0，東南和南北方向交換工作。如圖2.1圖2.1時間顯示東西方向綠燈黃燈紅燈時間顯示時間顯示東西方向綠燈黃燈紅燈時間顯示南北方向綠燈黃燈紅燈GYR時序控制方案二電路由狀態(tài)控制電路、譯碼電路、計數(shù)器組成的遞減計時系統(tǒng)電路、秒脈沖發(fā)生電路等電路組成。以下為其結(jié)構(gòu)方框圖：圖2.2可預(yù)置遞減計數(shù)器可預(yù)置遞減計數(shù)器BCD譯碼器信號燈狀態(tài)譯碼器狀態(tài)發(fā)生器秒脈沖發(fā)生器兩位數(shù)碼管置數(shù)裝置上圖是一種設(shè)計方法的工作原理圖，其根本工作原理為：從上圖可以看出系統(tǒng)有四種不同的工作狀態(tài)，選用4位二進制遞增計數(shù)器74163作為狀態(tài)控制器，取低兩位輸出作狀態(tài)控制器的輸出，狀態(tài)編碼分別為00、01、10、11。以狀態(tài)控制器輸出作譯碼器的輸入變量，根據(jù)4個不同通行狀態(tài)實現(xiàn)對主、支干道三色信號燈的控制要求，而遞減計時系統(tǒng)裝置那么采用74HC190，它是十進制同步可逆計數(shù)器，它具有異步并行置數(shù)功能、保持功能，因此選用兩片74190時間控制可逆計數(shù)器，兩片計數(shù)器之間采用異步級連方式，利用個位計數(shù)器的借位輸出脈沖直接作為十進制計數(shù)器的計數(shù)脈沖，個位計數(shù)器輸入秒脈沖作為計數(shù)脈沖。選用兩只帶譯碼功能的七段顯示數(shù)碼管實現(xiàn)兩位十進制數(shù)顯示。通過8421碼置數(shù)輸入端，可以選擇100以內(nèi)的數(shù)值，實現(xiàn)0—100秒內(nèi)自由選擇的定時要求。最后狀態(tài)控制器的輸出進入譯碼器中進行譯碼，因此可以實現(xiàn)交通燈顏色的變化，進而完成一次交通控制。2.2方案選擇比擬方案一和方案二可以看出，兩種方案的設(shè)計都比擬簡潔、易行，而且所用的器件大多數(shù)為常用器件，比方555、74HC163、CC4511、74HC190以及開關(guān)、電阻、二極管、電容等都是我們所學(xué)過、用過的根本器件；從操作行和可行性上說：方案二顯得稍微要比方案一復(fù)雜一點，但實現(xiàn)的效果是差不多的，其次方案二所用的元器件較多，接線時容易出錯;從自身的勢力上來說，由于本次設(shè)計是第一次將數(shù)字電子和模擬電子運用于實際的電路設(shè)計中，我們尚未完全的掌握這兩門知識，對太復(fù)雜的電路不易設(shè)計、控制，所以綜合各個方面的因素，我選擇了方案一做為本次課題的主要研究對象，設(shè)計中著重介紹方案一的設(shè)計方法。3單元模塊設(shè)計3.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計圖3.1交通燈電路交通燈電路循環(huán)觸發(fā)電路時基電路顯示電路倒計時電路交通燈：用了LED燈實現(xiàn)循環(huán)觸發(fā)器電路：運用74ls164移位存放器進行改裝。時基電路：由NE555構(gòu)成多諧振蕩器使T=1s,那么C=10UR1=15KR2=69K倒計時電路：用74ls192構(gòu)成減法計數(shù)器顯示電路：由氣段顯示譯碼器實現(xiàn)。3.1.1計數(shù)器模塊圖3.274ls192的去除端是異步的。當(dāng)去除端〔MR〕為高電平時，不管時鐘端〔CPD、CPU〕狀態(tài)如何，即可完成去除功能。192的預(yù)置是異步的。當(dāng)置入控制端〔PL〕為低電平時，不管時鐘CP的狀態(tài)如何，輸出端〔Q0～Q3〕即可預(yù)置成與數(shù)據(jù)輸入端〔P0～P3〕相一致的狀態(tài)。192的計數(shù)是同步的，靠CNTUP、CNTDWN同時加在4個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。在CNTUP、CNTDWN上升沿作用下Q0～Q3同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當(dāng)進行加計數(shù)或減計數(shù)時可分別利用CNTUP或CNTDWN此時另一個時鐘應(yīng)為高電平。當(dāng)計數(shù)上溢出時，進位輸出端〔TCUP〕輸出一個低電平脈沖，其寬度為CNTUP低電平局部的低電平脈沖；當(dāng)計數(shù)下溢出時，錯位輸出端〔TCDWN〕輸出一個低電平脈沖，其寬度為CNTDWN低電平局部的低電平脈沖。當(dāng)把TCDWN和TCUP分別連接后一級的CNTDWN和CNTUP，即可進行級聯(lián)。雙列直插封裝引出端符號：TCDWN錯位輸出端〔低電平有效〕，TCUP進位輸出端〔低電平有效〕，CNTDWN減計數(shù)時鐘輸入端〔上升沿有效〕，CNTUP加計數(shù)時鐘輸入端〔上升沿有效〕，MR異步去除端，P0～P3并行數(shù)據(jù)輸入端PL，異步并行置入控制端〔低電平有效〕，Q0～Q3輸出端極限值。3.1.運用74ls48譯碼器和七段譯碼顯示器完成倒數(shù)計時間的顯示。共陰極電路圖如下圖3.33.1.秒脈沖發(fā)生器秒脈沖發(fā)生器可由555多諧振蕩器構(gòu)成，為簡化電路，直接選用秒脈沖信號源代替秒脈沖發(fā)生器。由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖3-5-3所示。該電路無穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，亦不需外加觸發(fā)信號，即可產(chǎn)生振蕩。電容C在(1/3)Vcc～(2/3)Vcc之間充電和放電：接通電源后，電容C被充電，vc上升，當(dāng)vc上升到(2/3)Vcc時觸發(fā)器被復(fù)位，同時放電BJTT導(dǎo)通，此時vo為低電平，電容C通過R2和T放電，使vc下降。當(dāng)vc下降到(1/3)Vc時觸發(fā)器又被置位，vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容C放電時間為：Tpl=0.7(R2)C。1〕當(dāng)C放電結(jié)束時，T截止，Vcc將通過R1、R2向電容器C充電，vc由〔1/3〕Vcc上升到(2/3)Vcc所需的時間為：Tph=0.7(R1+R2)C。2〕當(dāng)C上升到(2/3)Vcc時，又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為：f=1.43/[(R1+2R2)C]。3〕本電路中R1=15K,R2=69K，C=10uf，故由其頻率公式可得此電路的頻率為f=1HZ。圖3.4由555構(gòu)成的多諧振蕩器3.1.4分頻器作用是將一秒時鐘分成4秒，起著延時作用。采用芯片74ls74,亦可以自己用兩塊D觸發(fā)器構(gòu)成。但本實驗中采用74ls74芯片。波形圖如下圖3.574ls74芯片3.1.5紅綠路燈164移位存放器管腳Q6、Q7控制紅路燈東西方向： EG=7.6EY=7.Q6ER=Q7南北方向：NG=Q7.Q6NY=Q7.6NR=7Q7Q6EGEYERNGNYNR001000010101000110001010圖3.674ls164芯片74ls164是一個串入并出的8位移位存放器用法和原理都很簡單，Q0—Q7〔3，4，5，6，10，11，12，13〕并行輸出端。A,B〔1，2〕串行輸入端。MR〔9〕去除端，為0時，輸出清零。CP〔8〕時鐘輸入端。串行輸入帶鎖存時鐘輸入,串行輸入帶緩沖異步去除利用74ls164構(gòu)成環(huán)形計數(shù)器每四秒CP觸發(fā)一次。圖3.7N=16扭環(huán)形計數(shù)器3.2特殊元器件介紹元件表元器件數(shù)量LED燈674ls164174ls1924與門8與非門2非門674ls74174ls484AMBERRCC顯示器4Ne5551R2C13.2.174LS48芯片的介紹圖3.8芯片74LS4874ls48真值表輸入輸出BIRILTDCBAabcdefg顯示字形╳11╳╳╳╳11111110011╳╳╳╳0000000消隱111000011111100111000101100001111001011011012111001111110013111010001100114111010110110115111011000111116111011111100007111100001111118111100111100119111╳╳╳╳鎖存鎖存注：消隱局部略去。表3-4CC4511BCD碼驅(qū)動器功能表74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器，常用在各種數(shù)字電路和單片機系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中。74LS48除了有實現(xiàn)7段顯示譯碼器根本功能的輸入〔DCBA〕和輸出〔Ya～Yg〕端外，74LS48還引入了燈測試輸入端〔LT〕和動態(tài)滅零輸入端〔RBI〕，以及既有輸入功能又有輸出功能的消隱輸入/動態(tài)滅零輸出〔BI/RBO〕端。由74LS48真值表可獲知7448所具有的邏輯功能：〔1〕7段譯碼功能〔LT=1，RBI=1〕在燈測試輸入端〔LT〕和動態(tài)滅零輸入端〔RBI〕都接無效電平時，輸入DCBA經(jīng)7448譯碼，輸出高電平有效的7段字符顯示器的驅(qū)動信號，顯示相應(yīng)字符。除DCBA=0000外，RBI也可以接低電平，見表1中1～16行?！?〕消隱功能〔BI=0〕此時BI/RBO端作為輸入端，該端輸入低電平信號時，表1倒數(shù)第3行，無論LT和RBI輸入什么電平信號，不管輸入DCBA為什么狀態(tài)，輸出全為“0”，7段顯示器熄滅。該功能主要用于多顯示器的動態(tài)顯示?！?〕燈測試功能〔LT=0〕此時BI/RBO端作為輸出端，端輸入低電平信號時，表1最后一行，與及DCBA輸入無關(guān)，輸出全為“1”，顯示器7個字段都點亮。該功能用于7段顯示器測試，判別是否有損壞的字段?！?〕動態(tài)滅零功能〔LT=1，RBI=1〕此時BI/RBO端也作為輸出端，LT端輸入高電平信號，RBI端輸入低電平信號，假設(shè)此時DCBA=0000，表1倒數(shù)第2行，輸出全為“0”，顯示器熄滅，不顯示這個零。DCBA≠0，那么對顯示無影響。該功能主要用于多個7段顯示器同時顯示時熄滅高位的零。74ls192計數(shù)器芯片的介紹圖3.974LS192的引腳圖個別引腳說明：Cdn---減計數(shù)脈沖輸入，當(dāng)作減計數(shù)操作時Cup接高電平。Cup---增計數(shù)脈沖輸入，當(dāng)作加計數(shù)操作時Cdn接高電平。

BO---借位輸出信號，在減計數(shù)時出現(xiàn)，低電平有效。CO---進位輸出信號，加計數(shù)時出現(xiàn)，低點平有效。74ls192真值表輸入輸出LD/DCPD0D1D2D3Q0Q1Q2Q30×××D0D1D2D3D0D1D2D3100↑××××加計數(shù)101↑××××減計數(shù)1×××××××保持LD---加載，即對計數(shù)器作置數(shù)操作時的控制信號。當(dāng)LD位某個電平時，計數(shù)器可以預(yù)置初始值，除清零控制外，其他操作被禁止。電路中需要四塊74ls192倒計時，其中兩塊預(yù)置數(shù)位2另兩塊預(yù)置8，構(gòu)成十進制數(shù)28，在時鐘脈沖驅(qū)動時形成28秒倒計時并通過輸出端將BCD碼送到74ls48譯碼器中3.3各單元模塊的聯(lián)接如附錄4軟件設(shè)計4.1說明軟件設(shè)計原理及設(shè)計所用工具Protel99SE是Protel公司近10年來致力于Windows平臺開發(fā)的最新結(jié)晶，能實現(xiàn)從電學(xué)概念設(shè)計到輸出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及這之間的所有分析、驗證和設(shè)計數(shù)據(jù)管理。因而今天的Protel最新產(chǎn)品已不是單純的PCB〔印制電路板〕設(shè)計工具，而是一個系統(tǒng)工具，覆蓋了以PCB為核心的整個物理設(shè)計。Protel設(shè)計系統(tǒng)是一套建立在IBM兼容PC環(huán)境下的EDA電路集成設(shè)計系統(tǒng)，由于其高度的集成性與擴展性，一經(jīng)推出，立即為廣闊用戶所接受，很快就成為世界PC平臺上最流行的電子設(shè)計自動化軟件。從Protel98開始，Protel公司將所有應(yīng)用程序代碼從16位升級為32位，使性能大大提高。1999年初，Protel公司推出了Protel99，其最大的改變是引入了設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件和設(shè)計團隊的概念，而后又推出了Protel99的改良版--Protel99SE。Protel99SE〔SecondEdition〕在原理圖設(shè)計和電路仿真方面增加了許多小的功能，而其最主要的改良表達在電路板設(shè)計系統(tǒng)方面。使用Protel99SE，你將贊嘆其強大的功能和應(yīng)用的彈性。據(jù)說Protel99SE的局部最新功能將兼容舉世矚目的圖形制作，編輯和處理軟件CORELDRAW。當(dāng)初歐元硬幣的設(shè)計解決方案由CorelDRAW來完成，CORELDRAW圖形套件中，它集位圖編輯處理，網(wǎng)頁動畫，網(wǎng)頁發(fā)布，頁面布局，向量動畫等各種必要功能于一身。將會使您"大大地"提高專業(yè)創(chuàng)作的效率。Protel99SE共分5個模塊，分別是原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計〔包含信號完整性分析〕、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設(shè)計。以下介紹一些Protel99SE的局部最新功能：

◆可生成30多種格式的電氣連接網(wǎng)絡(luò)表；

◆強大的全局編輯功能；

◆在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中；

◆同時運行原理圖和PCB，在翻開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網(wǎng)絡(luò)

◆既可以進行正向注釋元器件標(biāo)號〔由原理圖到PCB〕，也可以進行反向注釋〔由PCB到原理圖〕，以保持電氣原理圖和PCB在設(shè)計上的一致性；◆滿足國際化設(shè)計要求〔包括國標(biāo)標(biāo)題欄輸出，GB4728國標(biāo)庫〕；*方便易用的數(shù)?；旌戏抡妗布嫒軸PICE3f5〕；

◆支持用CUPL語言和原理圖設(shè)計PLD，生成標(biāo)準(zhǔn)的JED下載文件；*PCB可設(shè)計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層；

◆強大的“規(guī)那么驅(qū)動”設(shè)計環(huán)境，符合在線的和批處理的設(shè)計規(guī)那么檢查；

◆智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；

◆提供大量的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)電路板做為設(shè)計模版；

◆放置漢字功能；

◆可以輸入和輸出DXF、DWG格式文件，實現(xiàn)和AutoCAD等軟件的數(shù)據(jù)交換；

◆智能封裝導(dǎo)航〔對于建立復(fù)雜的PGA、BGA封裝很有用〕；

◆方便的打印預(yù)覽功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印結(jié)果；

◆獨特的3D顯示可以在制板之前看到裝配事物的效果；

◆強大的CAM處理使您輕松實現(xiàn)輸出光繪文件、材料清單、鉆孔文件、貼片機文件、測試點報告等；

◆經(jīng)過充分驗證的傳輸線特性和仿真精確計算的算法，信號完整性分析直接從PCB啟動；

◆反射和串?dāng)_仿真的波形顯示結(jié)果與便利的測量工具相結(jié)合；

◆專家導(dǎo)航幫您解決信號完整性問題4.2畫出軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖、說明其功能軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示AdvancedIntegrity99AdvancedIntegrity99ProtelAdvancedRoute99SEProtelAdvancedPLD99SEAdvancedSIM99ProtelAdvancedSchimatic99SEProtelAdvancedPCB99SEProtel99SES圖4.1軟件結(jié)構(gòu)圖4.3畫出主要軟件設(shè)計流程框圖工作流程圖如圖圖4.2所示建一數(shù)據(jù)庫建一數(shù)據(jù)庫建一原理圖文件建一PCB文件元件制作元件制作建一原理圖文件建一PCB元件庫文件特殊元件設(shè)計特殊元件設(shè)計原理圖設(shè)計原理圖設(shè)計否否檢查并生成網(wǎng)絡(luò)文件元件布局布線檢查并生成網(wǎng)絡(luò)文件文件的保存圖4.2工作流程框圖5系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)5.1說明系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能本設(shè)計就是使用我們所學(xué)的數(shù)字電路知識運用芯片實現(xiàn)由控制邏輯電路來控制紅、綠、黃三盞交通指示燈，從而使時間上出現(xiàn)間隔來控制路口車輛的通行問題。每條道路設(shè)一組信號燈，每組信號燈由紅、黃、綠三個燈組成，綠燈表示允許通行，紅燈表示禁止通行，黃燈表示該車道上已過停車線的車輛繼續(xù)同行，未過停車線的車輛停止通行。A道的綠燈時間和黃燈時間之和等于B道的紅燈時間，假設(shè)綠燈允許通行時間是28S，黃燈閃爍時間是4S，紅燈閃爍時間32s。那么一次循環(huán)為64S。十字路口要有數(shù)字顯示，作為時間提示，以便人們更直觀地把握時間。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計數(shù)方式工作，直至減到“0”，十字路口紅、綠燈交換，一次工作循環(huán)結(jié)束，再進入下一步某方向的工作循環(huán)。6結(jié)論通過這次課程設(shè)計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在整個設(shè)計過程中，我們通過這個方案包括設(shè)計了一套電路原理和電路連接圖，和芯片上的選擇。這個方案總共使用了74ls192，74ls164，74ls48，74ls74，，555一個以及一些門電路。在設(shè)計過