交通燈控制電路設(shè)計

1、貴州大學明德學院課程設(shè)計報告課程名稱： 交通燈控制電路 系 部： 計信系 專業(yè)班級： 電信11151 小組成員： 肖行行1 肖 博0 袁 進5 指導教師： 吳 銳 完成時間： 2014年1月1日 報告成績： 評閱教師 吳銳 日期 摘 要本文著眼于目前普遍應(yīng)用在城市道路上的交通燈控制系統(tǒng)，從課程設(shè)計的題目要求出發(fā)，設(shè)計了一個東西方向和南北方向十字路口的交通燈控制電路。首先進行交通燈狀態(tài)變換的分析和交通燈總體框架的設(shè)計，接著提出了2種電路設(shè)計方案，通過優(yōu)劣比較后選定了方案2：先設(shè)計讓倒計時顯示器按規(guī)律運行的電路，再通過倒計時電路的信號來控制交通燈按4種狀態(tài)循環(huán)變換。電源電路采用9V變壓器、整流橋和

2、穩(wěn)壓管，使220V的交流電轉(zhuǎn)換為5V的直流電。4Hz方波脈沖由555定時器產(chǎn)生，再由74LS193實現(xiàn)4分頻，最終輸出1Hz的脈沖信號；用兩塊74LS193實現(xiàn)倒計時，一塊顯示十位，一塊顯示個位，用2個D觸發(fā)器74HC74實現(xiàn)30s，20s，5s時間的轉(zhuǎn)換；利用倒計時電路控制4個狀態(tài)。最后通過74LS138和相應(yīng)的邏輯門實現(xiàn)對交通燈亮滅的控制。目 錄一、設(shè)計要求 1二、設(shè)計的作用、目的 1三、設(shè)計的具體實現(xiàn) 11.系統(tǒng)概述11.1電路工作總體框圖11.2方案比較12.電路分析與設(shè)計22.1 交通燈運行狀態(tài)分析22.2 電路工作總體框圖33.交通燈控制電路設(shè)計43.1 電源電路43.2 脈沖電路

3、43.3 分頻電路63.4 倒計時電路63.5 狀態(tài)控制電路83.6 燈顯示電路93.7 總體電路圖11四、心得體會及建議12五、 附錄 12附錄一 交通燈控制電路 12附錄二 各芯片引腳圖 14附錄三 電子元器件清單15六、參考文獻15一. 設(shè)計要求說明：設(shè)計一個十字路口的交通燈控制器，控制A,B兩條交叉道路上的車輛通行，東西方向為主干道A，南北方向為副干道B；具體要求如下：1、 每條道路設(shè)一組信號燈，每組信號燈有紅、黃、綠3個燈組成，綠燈表示允許通過，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)通行，未過停車線的車輛停止通行。2、 主干道通行40秒，南北通行時間為20秒。3、 每

4、次變換通行車道之前，要求黃燈先亮5s，才能變換通行車道。黃燈亮時，要求每秒閃爍一次。二. 設(shè)計的作用、目的1. 熟悉和掌握數(shù)字電子電路的設(shè)計方法和步驟。2. 進一步將理論和實踐結(jié)合。3. 熟悉集成電路的引腳安排。4. 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。5. 了解數(shù)字交通燈控制電路的組成及工作原理。6. 學會用相關(guān)的繪圖軟件對原理圖進行繪制。三. 設(shè)計的具體實現(xiàn)1 系統(tǒng)概述 1.1 電路工作總體框圖交通燈控制電路主要由以下幾部分構(gòu)成，如圖2.2所示，有電源電路，脈沖電路，分頻電路，倒計時電路，(交通燈)狀態(tài)控制電路，燈顯示電路。脈沖電路分頻電路倒計時電路顯示器狀態(tài)控制電路燈顯示電路電路電源電路供電

5、圖1.1交通燈控制電路功能模塊框圖 1.2 方案比較從交通燈控制電路功能模塊框圖可知在倒計時電路，狀態(tài)控制電路，燈顯示電路這三塊電路產(chǎn)生設(shè)計分歧。所以實現(xiàn)交通燈控制電路可以有2種方案：(1)先設(shè)計出讓交通燈按4種狀態(tài)循環(huán)變換的燈顯示電路，再通過燈的狀態(tài)控制倒計時顯示器的顯示的功能；(2)先設(shè)計讓倒計時顯示器按規(guī)律運行的電路，再通過倒計時電路的信號來控制交通燈按4種狀態(tài)循環(huán)變換；方案1，2均符合設(shè)計的要求，但通過具體實踐和分析方案1顯示電路需要比較多的芯片，其電路不是太復雜，但是過程比較繁瑣。而方案2讓顯示電路來控制燈的發(fā)亮，這樣顯示電路就不受其他信號的影響，并且通過顯示電路來控制交通燈的狀態(tài)變

6、換比較容易。綜上所述，選擇方案2來設(shè)計具體的電路。2電路分析與設(shè)計 2.1 交通燈運行狀態(tài)分析 交通燈控制電路，要求每個方向有三盞燈，分別為紅、黃、綠，配以紅、黃、綠三組時間到計時顯示。一個方向綠燈、黃燈亮時，另一個方向紅燈亮。每盞燈順序點亮，循環(huán)往復，每個方向順序為綠燈、黃燈、紅燈。交通燈的運行狀態(tài)共有四種，分別為： 狀態(tài)0：南北方向車道的綠燈亮，車道，人行道通行；東西方向車道的紅燈亮，車道，人行道禁止通行。 狀態(tài)1：南北方向車道的黃燈亮，車道，人行道緩行；東西方向車道的紅燈亮，車道，人行道禁止通行； 狀態(tài)2：南北方向車道的紅燈亮，車道，人行道禁止通行；東西方向車道的綠燈亮，車道，人行道通行

7、； 狀態(tài)3：南北方向車道的紅燈亮，車道，人行道禁止通行；東西方向車道的黃燈亮，車道，人行道緩行；4種狀態(tài)循環(huán)往復，并且紅燈的倒計初始值為綠燈的倒計初始值和黃燈的倒計初始值之和。交通燈電路的具體運行狀態(tài)框圖如圖2.1(人行道交通燈未標明)所示：東圖2.1交通燈運行狀態(tài)分析圖2.2 電路工作總體框圖交通燈控制電路主要由以下幾部分構(gòu)成，如圖2.2所示，有電源電路，脈沖電路，分頻電路，倒計時電路，(交通燈)狀態(tài)控制電路，燈顯示電路。脈沖電路分頻電路倒計時電路顯示器狀態(tài)控制電路燈顯示電路電路電源電路供電圖2.2 交通燈控制電路功能模塊框圖3. 交通燈控制電路設(shè)計3.1 電源電路電源電路主要由整流、濾波、

8、穩(wěn)壓三部分組成，用于供給數(shù)字電路的工作電源。整流部分由變壓器與整流橋KBP210G組成。220V、50Hz的交流輸入經(jīng)過變壓器之后，輸出9V、50Hz的交流電壓。該電壓輸入整流橋，整流橋由四只整流二極管接成電橋的形式組成。整流橋輸出8.1V的直流電壓。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，由1mF的電容組成電容濾波電路。電容濾波電路簡單，負載直流電壓較高，紋波也較小，適合負載電壓較高，負載變動不大的場合。穩(wěn)壓電路用于穩(wěn)定電壓的輸出，由三端集成穩(wěn)壓器L7805和電容組成。C2、C3用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，C4用于減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻

9、干擾。圖3.1 穩(wěn)壓電源3.2 脈沖電路利用555定時器為主組成多諧振蕩器，輸出4Hz的矩型方波，實現(xiàn)脈沖電路功能。555定時器的原理圖如圖3.2所示，功能表如表1所示：圖3.2 555定時器原理圖表1 555定時器功能表輸入輸出閥值輸入()觸發(fā)輸入()復位()輸出()放電管T00導通11截止10導通1不變不變組成的脈沖電路如圖3.3所示：R2R1圖3.3 脈沖電路根據(jù)功能表和電路圖計算如下：取R1=10kW，R2=10 kW，C=1.6uF。即可實現(xiàn)輸出4Hz的矩型方波。值得注意的是，在輸出端接上了一個開關(guān)，可以控制系統(tǒng)工作的開始和暫停。3.3 分頻電路分頻電路利用計數(shù)器74LS193來實現(xiàn)

10、，根據(jù)上面計算取4分頻，即輸出為端，電路如圖3.4所示：時間脈沖圖3.4 分頻電路3.4 倒計時電路十字路口要有數(shù)字顯示，作為倒計時提示，以便人們更直觀地把握時間。具體為：當某方向綠燈亮時，置顯示器為某值，然后以每s減1的計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為5和0，十字路口綠、黃、紅燈變換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進入下一步某方向的工作循環(huán)。根據(jù)題目的要求東西方向（主干道）車道和南北方向（支 干道）車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，主干道每次通行時間都設(shè)為40s、支干道每次通行時間為20s。也就是一個循環(huán)是60s，如此先顯示40s后顯示20s倒計時，然后再顯示40s倒計時，以此類推。設(shè)計時采用兩塊74LS1

11、93，一塊是顯示十位，一塊是顯示個位。個位接成十進制，從9開始倒計時，當?shù)竭_0時，向高位發(fā)出一個借位信號，再繼續(xù)從9倒計時。一開始使十位數(shù)置數(shù)為3，二進制為0011，個位數(shù)為0，二進制為0000，此時個位產(chǎn)生一個借位信號給十位的脈沖輸入端，十位的74LS193芯片倒計時一次，結(jié)合個位的設(shè)置，電路從40開始倒計時。當主車道綠燈亮了35s，倒計時也已經(jīng)數(shù)到了5了，此時，個位顯示6，十位顯示0，主車道的綠燈熄滅，主車道的黃燈開始倒計時閃亮5s，當?shù)褂嫊r到0后，個位芯片74LS193發(fā)出一個借位信號，向高位借數(shù)，但是高位已經(jīng)是0了，按照要求此時十位應(yīng)該是從0翻轉(zhuǎn)2，即二進制0010，為了實現(xiàn)這功能，通

12、過研究十位的二進制數(shù)發(fā)現(xiàn)，十位的二進制是從0011、0010、0001到0000計數(shù)完，翻轉(zhuǎn)為二進制0010，然后從0010、0001到0000倒計時，當?shù)?000后就結(jié)束一個循環(huán)，又從0011開始新的一個循環(huán)。從二進制0011和0010兩個不同的預置數(shù)，發(fā)現(xiàn)可以用1個D觸發(fā)器74LS74接成T觸發(fā)器并把Q端接至十位倒計時的最低位來完成這個功能。高位產(chǎn)生借位信號時將Q端的信號置入，當這個借位信號（低電平）消失后，產(chǎn)生一個上升沿的脈沖信號，使T觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)然后保持，下一個借位信號來時就把此時的Q值置入（此時Q值為原來的非，即由0變1或由1變0），然后翻轉(zhuǎn)。通過以上置數(shù)方式可實現(xiàn)0011和0010的

13、交替置入。另外，通過在特定時刻（倒計時高位由0000變?yōu)?010后）對T觸發(fā)器進行清零，可實現(xiàn)主次干道通行時間的調(diào)整。最后將電路的倒計時接到譯碼器74HC4511，再接到共陰極數(shù)碼顯示管上顯示十進制數(shù)字。據(jù)此畫出倒計時電路如圖3.5所示：圖3.5 倒計時電路3.5 狀態(tài)控制電路如圖2.1，用倒計時控制燈的變化，先將圖示狀態(tài)0、1、2、3編碼為00、01、10、11，當?shù)褂嫊r為40、30、20、5的時候產(chǎn)生一個信號給狀態(tài)轉(zhuǎn)換的電路，而這個信號是電平信號的話就很難實現(xiàn)，所以又用了邊沿觸發(fā)，此時用計數(shù)器表示狀態(tài)，取其低兩位的計數(shù)態(tài)00、01、10、11為燈的狀態(tài)，這樣的話，來一個邊沿信號就能使計數(shù)器

14、加一，實現(xiàn)上述四狀態(tài)轉(zhuǎn)換。畫出狀態(tài)控制電路信號轉(zhuǎn)換表如表2所示：表2 狀態(tài)控制電路信號轉(zhuǎn)換表高位低位狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號CP（）001100000010000000000101由表得出CP（）的表達式：電路圖如圖：控制脈沖圖3.6 狀態(tài)控制電路3.6 燈顯示電路首先要把控制的脈沖接入計數(shù)器74LS193的非減數(shù)的脈沖端，因為脈沖主要有四個，四個為一個循環(huán)，只取計數(shù)器的低位兩位即可，除了讓計數(shù)器工作的接入端需要接電平外，其他端都不用接，再將計數(shù)器的低兩位接入譯碼器74LS138的低位兩端，從譯碼器輸出四位、信號，低電平有效，每一種低電平表示一種狀態(tài)，用、表示主干道的綠燈、黃燈、紅燈，用、表示支干道的綠燈

15、、黃燈、紅燈，用、表示主干道方向上的人行道，用、表示支干道上的人行道，得出狀態(tài)表如表3所示。表3 燈顯示電路狀態(tài)表狀態(tài)譯碼信號主車道支車道主人行道支人行道 0011101 0 00 0 11 00 10111010 1 00 0 11 00 11010110 0 11 0 00 11 01101110 0 10 1 00 11 0由表得個各個燈的表達式：=+=+=+=+=為了讓黃燈能每s閃亮一次，可以在黃燈那里加入一個與門，把黃燈發(fā)亮的信號當成是與門的開通信號，與門的另一端接入時間脈沖，那么黃燈就可以實現(xiàn)每s閃亮一次的功能了。畫出燈顯示電路如圖3.7所示：紅燈主車道綠燈紅燈人行道行人道綠燈紅燈

16、黃燈紅燈綠燈綠燈黃燈支車道時間脈沖控制脈沖圖3.7 燈顯示電路3.7 總體電路圖根據(jù)上面各功能電路的設(shè)計整合，用proteus仿真軟件畫出總體電路圖如3.8所示：圖3.8 交通燈控制電路4 心得體會及建議 通過這次交通燈的設(shè)計與制作，讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于交通燈的原理與設(shè)計理念。在進行電路連接時，如果有錯誤時應(yīng)該進行分段檢查。通過這次學習讓我們對各種電路都有了大概的了解，所以說，坐而言不如立而行，對與這些電路還是應(yīng)該自己動手實際操作才會有深刻的理解。5 附錄附錄一 交通燈控制電路附錄二 各芯片引腳圖 74LS193 74LS138附錄三 電子元器件清單元器件數(shù)量開關(guān)3發(fā)光二極管102 位共陰極數(shù)碼管214 腳管腳916 腳管腳724 腳管腳28 腳管腳1可調(diào)電阻（10k）1555 計數(shù)器174LS193474LS0444511274LS00274LS74174LS138174LS32174LS