交通信號燈控制電路的設(shè)計與仿真課程設(shè)計說明書

1、目錄1 引言12 信號燈的設(shè)計內(nèi)容22.1 信號燈工作方式22.2 控制電路的特點33 單元模塊43.1電源模塊43.2秒脈沖發(fā)生模塊53.3計數(shù)模塊63.4分頻模塊83.5控制電路模塊104交通信號燈的仿真與調(diào)試124.1仿真軟件簡介124.2電路的仿真124.3交通燈完整功能的實現(xiàn)144.4調(diào)試方法144.5 調(diào)試中出現(xiàn)的問題、原因分析及解決方法145總結(jié)15參考文獻16附錄171 引言數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)是高等學校弱電類各專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。這門課程發(fā)展迅速、實用性和應(yīng)用性強，側(cè)重于邏輯行為的認知和驗證。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)

2、，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那么靠什么來實現(xiàn)這井然秩序呢？靠的就是交通信號燈的自動指揮系統(tǒng)。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)中最重要的組成部分。同時也隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市

3、高速道路在構(gòu)造上的特點，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。為此，本次設(shè)計完成的就是交通燈設(shè)計。以下就城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)的電路原理、設(shè)計計算和實驗調(diào)試等問題來進行具體分析討論。本系統(tǒng)由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時器和控制器的標準時鐘信號源，555定時器輸出脈沖信號，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，控制電路控制定時器和譯碼器的工作，驅(qū)

4、動電路驅(qū)動六只三色led工作。最后用電路仿真軟件繪制出數(shù)字鐘的完整電路圖。對數(shù)字電路的學習起到了良好的輔助作用。2 信號燈的設(shè)計內(nèi)容2.1 信號燈工作方式1.信號燈白天工作要求 某方向綠燈點亮20秒，然后黃燈點亮4秒，最后紅燈點亮24秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。 如果以4秒作為時間計量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點亮的時間比例為5：1：6。 從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向黃燈亮。信號燈采用led紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬（白天點

5、亮時的工作換燈流程圖如圖2-1所示）。2.夜間工作方式南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其它燈不亮。要求設(shè)置一個手動開關(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。圖2-1交通燈工作換燈流程圖南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮 5t南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮 1t南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮 5t南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮 1t2.2 控制電路的特點 從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向黃燈亮。因此采用組合邏輯設(shè)計。組合邏輯電路：將十二進制計數(shù)器作為組合邏輯電路的輸入

6、，而組合邏輯電路的輸出去驅(qū)動東西和南北兩個方向的信號燈的點亮。其整體電路框圖如2-2圖所示：東西信號燈南北信號燈組合邏輯電路十二進制計數(shù)器四分頻器秒脈沖產(chǎn)生電路系統(tǒng)電源工作方式控制開關(guān)關(guān)圖2-2 信號燈的整體電路框圖3 單元模塊3.1電源模塊信號燈采用三極管9031驅(qū)動，其額定電流與額定電壓應(yīng)滿足三級管的驅(qū)動能力，電源電壓采用直流5v，通過變壓器將市電降壓到交流9v，在通過整流橋整流濾波和穩(wěn)壓塊7805得到直流5v電壓。直流穩(wěn)壓電源的任務(wù)是為整體電路提供直流電源。故穩(wěn)壓電源電路的輸出電壓值和輸出電流值應(yīng)滿足整體電路的需要作為一個實際的應(yīng)用系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源是必不可少的。本次課設(shè)設(shè)計的交通信號燈控

7、制電路需要使用穩(wěn)定的5v直流穩(wěn)壓電源來驅(qū)動各芯片使電路其正常工作。因此需要設(shè)計輸出為5v的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源包括變壓器降壓、二極管（或整流橋）整流、電容濾波、集成穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓四部分。直流穩(wěn)壓電源原理圖如圖3-1所示圖3-1 直流穩(wěn)壓電源原理圖3.2秒脈沖發(fā)生模塊_由于黃燈點亮時按秒閃動以及時間顯示按秒倒計時，所以需要設(shè)計秒脈沖產(chǎn)生電路。秒脈沖產(chǎn)生電路實際就是一個多諧振蕩電路，它可以是用門電路和電阻、電容組成的多諧振蕩電路，也可以是用定時器555(圖3-2是555定時器的原理圖，圖3-3是555定時器的引腳圖)和電阻、電容組成的多諧振蕩器。為了電路簡單和調(diào)節(jié)振蕩周期方便，選擇用555定時

8、器組成多諧振蕩器（如圖3-4所示）圖32 555定時器的原理圖ic555 圖3-3 555定時器的引腳圖圖34 用555定時器組成多諧振蕩器根據(jù)周期與頻率的計算公式：t=（+2）*cln2=0.7（+2）電源電壓=+5v，其中電路圖中的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響，一般選用0.01uf的瓷片電容。再次課設(shè)中要求輸出t=1s，選取電容=1uf，=560k歐姆，根據(jù)震蕩周期計算，選擇電阻=434k歐姆。當元件選取完成后，根據(jù)電路原理圖連接電路即可。3.3計數(shù)模塊74ls164 由信號燈白天點亮流程圖可以得知，任何方向的信號燈的一個工作循環(huán)為十二進制（綠、黃、紅時間比例為5：1：6），因此需要

9、設(shè)計十二進制計數(shù)器，循環(huán)工作控制白天信號燈的點亮。因此，用移位寄存器組成十二進制計數(shù)器，擬選用8位串入并出移位寄存器74ls164（其引腳圖如圖3-5所示，功能表如表3-1所示）。圖3-5 74ls164引腳圖輸入輸出清零時鐘串入rdcpabqaqbqcqdqeqfqgqhl×××llllllllhl××qaoqboqcoqdoqeoqfoqgoqhohhhhqanqbnqcnqdnqenqfnqgnhl×lqanqbnqcnqdnqenqfnqgnh×llqanqbnqcnqdnqenqfnqgn 表3-1 74ls164

10、功能表器原理表應(yīng)用電路：用74ls164組成的12進制扭環(huán)型計數(shù)器電路 ，其電路圖如下圖3-6所示。 圖3-6 12進制扭環(huán)型計數(shù)器3.4分頻模塊十二進制計數(shù)器的時間單位為4秒，即它的cp脈沖為4秒。為了使整體電路工作步調(diào)一致，4秒脈沖應(yīng)該利用秒脈沖經(jīng)分頻獲得，這就需要設(shè)計一個4分頻器電路。秒脈沖經(jīng)4分頻后得到4秒脈沖，將其作為十二進制計數(shù)器的cp脈沖。本次課程設(shè)計使用兩個d觸發(fā)器組成4分頻器電路，如圖3-7所示。1s4s 1s圖3-7 四分頻的電路原理圖74ls74是一個邊沿觸發(fā)器數(shù)字電路器件，每個器件中包含兩個相同的、相互獨立的邊沿觸發(fā)d觸發(fā)器電路模塊。圖3-8為其引腳排列和邏輯符號 圖3

11、-8 74ls74的引腳圖功能說明：74ls74內(nèi)含兩個獨立的d上升沿雙d觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（d）、置位輸入（）復(fù)位輸入（）、時鐘輸入（cp）和數(shù)據(jù)輸出。、的低電平使輸出預(yù)置或清除，而與其它輸入端的電平無關(guān)。當、均無效（高電平式）時，符合建立時間要求的d數(shù)據(jù)在cp上升沿作用下傳送到輸出端。表32 74ls74功能表輸入輸出sdrdcpdqn+1qn01××1010××01.00××111101100111×qnqn表3-3 4分頻器電路邏輯功能表cpdqn+10xqn1001113.5控制電路模塊邏輯控制電路是本設(shè)

12、計的核心電路，由它控制交通信號燈按要求方式點亮(一般經(jīng)驅(qū)動電路去控制信號燈)。根據(jù)白天信號燈的點亮要求，將時序邏輯電路的輸出作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出給信號燈的驅(qū)動電路。夜晚工作方式也需要組合邏輯電路的功能以及秒脈沖通過與門實現(xiàn)。組合邏輯電路的真值表如表3-4所示，邏輯控制原理圖如圖3-9所示 表3-4 組合邏輯電路的真值表計數(shù)器輸出南北信號東西信號qa qb qc qd qe qf nsg nsy nsr ewg ewy ewr0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 1 1

13、 0 0 0 1 0 0 0 0 11 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 11 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 11 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 00 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 00 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1ewgewyewrnsgnsgnsy4s1s 圖3-9 邏輯控制原理圖4交通信號燈的仿真與調(diào)試4.1仿真軟件簡介ni multisim軟件結(jié)合了直觀的

14、捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設(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)標準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)計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與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 ；

15、5.通過改進、整合設(shè)計流程, 減少建模錯誤并縮短研發(fā)時間。4.2電路的仿真圖4-1 對電源進行仿真按照原理圖逐部分仿真圖4-2 對555定時器進行仿真4.3交通燈完整功能的實現(xiàn)1. 交通信號燈的完整電路圖見附錄仿真圖2. 交通信號燈的工作原理：首先閉合開關(guān)，電路工作在白天工作狀態(tài)。555定時器發(fā)出秒脈沖，通過四分頻器電路產(chǎn)生4秒脈沖，再此脈沖作用下，十二進制計數(shù)器發(fā)出0或1，通過邏輯電路使輸入各個二極管的電位發(fā)生變化，使某方向綠燈點亮20秒，然后黃燈點亮4秒，最后紅燈點亮24秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。如果以4秒作為時間計量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點亮的時間

16、比例為5：1：6。閉合開關(guān)后，十二進制計數(shù)器被異步置零，兩個或門工作，進而只有兩個黃燈受控制，在通過秒脈沖的作用，使黃燈每秒閃動一次，其它燈不亮。4.4調(diào)試方法1. 首先調(diào)試555定時器。用示波器觀察555定時器輸出波形，確定555定時器是否正常工作，振蕩頻率是否是2hz。調(diào)節(jié)電位器r1，使555定時器產(chǎn)生頻 率為1hz的方波信號。2. 調(diào)試分頻器。用示波器觀察分頻器輸出波形，確定信號頻率是否是0.25hz。3. 調(diào)試十二進制計數(shù)示電路，將秒信號輸送各計數(shù)器觀察是否工作正常。4. 整體調(diào)試。各部分電路連接起來，觀察交通燈是否正常工作。4.5 調(diào)試中出現(xiàn)的問題、原因分析及解決方法1 燈不正常發(fā)光

17、，原因是線接觸不良造成的2 555定時器形成的多諧振蕩器發(fā)出的1hz脈沖信號，由于元件制作誤差及環(huán)境干擾，仿真與實際示波器測出的脈沖信號有誤差?？梢允褂镁д裥纬?hz的脈沖信號，led發(fā)光時間應(yīng)該能夠更加準確。3 電源中用變壓器降壓得不到9v交流電壓的原因是該變壓器的變比不合適造成的，改變變壓器變比可以得到相應(yīng)的電壓。5總結(jié)通過這次課程設(shè)計，加強了我動手、思考和解決問題的能力。在開始時我不知道如何下手，課本知識學起來感覺挺簡單但應(yīng)用到實際中還是有些難，通過溫習課本和查閱資料我設(shè)計出了電路圖。但在連接電路的過程中很多新片的管腳圖不知道只好上網(wǎng)查找，自己查找設(shè)計收獲很大。經(jīng)過這一周的努力，在老師和

18、同學的幫助下，我完成了設(shè)計任務(wù)。通過這次課程設(shè)計，我充分認識到了自學的重要性，以及學以致用的道理，也體會到了自己完成一件事的喜悅和成功解決困難的樂趣。我在圖書館和網(wǎng)上查閱了大量的資料，同時也認識到了圖書館和網(wǎng)上搜索的重要作用。在今后的學習過程中，應(yīng)該多到圖書館和網(wǎng)上看一些專業(yè)方面的書籍，以豐富自己的知識。也使我加深了對數(shù)字電路技術(shù)的理解和應(yīng)用。由于知識水平的局限，設(shè)計中可能會存在著一些不足，我真誠的接受老師和同學的批評和指正。在設(shè)計過程，經(jīng)常會遇到這樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實際接上電路，總是實現(xiàn)不了。所以這幾天不管是吃飯還是睡覺，腦子里總是想著如何解決這些問題，如何想出更好的連接方法。不過說也奇怪，整天想著這些問題，腦子和身體卻一點都不會覺得累。這一次的課程設(shè)計讓我學到了很多東西。首先對于數(shù)字電路的知識有了更深的掌握，包括各芯片的引腳及功能。其次對multisim軟件更加熟悉，掌握了芯片的搜索、線路的連接、仿真圖的繪制和檢查等。最后自己