課程設(shè)計(論文)-交通信號燈控制器的設(shè)計與仿真

1、交通信號燈控制器的設(shè)計與仿真摘要：1、當(dāng)今時代是一個自動化時代，交通燈控制等很多行業(yè)的設(shè)備都與計算機(jī)密切相關(guān)。因此，一個好的交通燈控制系統(tǒng)，將給道路擁擠、違章控制等方面給技術(shù)革新。隨著薩規(guī)模的集成電路及計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人工智能在控制技術(shù)方面的廣泛運用，智能設(shè)備有了很大的發(fā)展，是現(xiàn)在科技發(fā)展的主流方向。2、交通信號燈是日常生活中遇到的一個普通實例，它的控制也頗具典型和實用價值。由于交通路口的形狀和規(guī)模不一，所采用的信號燈的數(shù)量、控制要求不一，控制的復(fù)雜程度也就不一樣，這里設(shè)計的是由一條主干道和一條支干道的匯合點形成十字交叉路口，為確保車輛安全和迅速的通行，在交叉道口的每個入口處設(shè)置了紅

2、、黃、綠三色LED信號燈，依據(jù)紅燈停綠燈行黃燈亮了等一等的規(guī)律工作。同時在每個入口設(shè)置了與紅燈同時工作的蜂鳴器，以方便盲人通過。本設(shè)計是采用計數(shù)器74160N和與門、或門、非門等簡單元器件完成的，通過multisim軟件仿真驗證了電路的功能，運用protel軟件對電路進(jìn)行了封裝，布線和制成3D電路板。關(guān)鍵詞：交通燈; 干道; 蜂鳴器; 計數(shù)器; LED1、設(shè)計任務(wù)與要求1. 設(shè)計任務(wù)為實現(xiàn)交通控制的自動化，交通信號燈控制器可以通過多種電路實現(xiàn)，但用中小規(guī)模數(shù)字集成電路實現(xiàn)更為方便，下面是十字路口交通信號燈控制器的設(shè)計與仿真的實例。由一條主干道和一條支干道的匯合點形成十字交叉路口，為確保車輛安全

3、、迅速地通行，在交叉道口的每個入口處設(shè)置了紅、綠、黃三色信號燈。紅燈亮禁止通行;綠燈亮允許通行；黃燈亮則給行駛中的車輛有時間?？康浇芯€之外。2. 技術(shù)指標(biāo)a. 用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號燈，用傳感器或用邏輯開關(guān)代替?zhèn)鞲衅髯鳈z測車輛是否到來的信號，設(shè)計制作一個交通燈控制器。b. 由于主干道車輛較多而支干道車輛較少，所以主干道處于常允許通行的狀態(tài)，而支干道有車來才允許通行。當(dāng)主干道允許通行亮綠燈時，支干道亮紅燈。而支干道允許通行亮綠燈時，主干道亮紅燈。c. 當(dāng)主、支干道均有車時，兩者交替允許通行，主干道每次放行45s，支干道每次放行25s。設(shè)立45s和25s計時顯示電路。d. 在每次由亮綠

4、燈變成亮紅燈的轉(zhuǎn)換過程中間，要亮5s的黃燈作為過渡，以使行駛中的車輛有時間停到禁止線以外。設(shè)置5s計時顯示電路。3. 題目評析此設(shè)計題目的重點在于要使設(shè)計出的控制器能確保車輛安全、有序的通行，即要使紅、綠、黃三燈穩(wěn)定有序的亮和滅。難點在于設(shè)立45s和25s計時顯示電路，并且在由綠燈亮變成紅燈亮的中間要亮5s黃燈。本題目實用性很高，不僅可以應(yīng)用與交通十字路口來疏導(dǎo)車輛，還能用于指引在同場合但不同時間工作的機(jī)器設(shè)備的運行等。本設(shè)計應(yīng)用了蜂鳴器來配合紅燈的使用，以方便盲人通行，是設(shè)計的一個創(chuàng)新點。4. 設(shè)計思路a. 在主干道和支干道的入口處設(shè)立傳感器檢測電路以檢測車輛的進(jìn)出情況，并及時向主控電路提供

5、信號，實驗時可用數(shù)字開關(guān)代替b. 系統(tǒng)中要求有45s、25s和5s三種定時信號，須要設(shè)計三種相應(yīng)的計時顯示電路。計時方法可以用順計時，也可以用倒計時。定時的起始信號由主控電路給出，定時時間結(jié)束的信號也輸入到主控電路，并通過主控電路去啟、閉三色交通燈或啟動另一種計時電路。c. 主控制電路自然是本題的核心，它的輸入信號一方面來自車輛檢測信號，另一方面來自45s、25s、5s三個定時信號。主控制電路的輸出一方面經(jīng)譯碼后分別控制主干道和支干道的三個信號燈，另一方面控制定時電路的啟動。主控電路屬于時序邏輯電路，應(yīng)該按照時序邏輯電路的設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計。也可以采用存儲器電路去實現(xiàn)，即將傳感信號和定時信號經(jīng)過

6、編碼所得的代碼作為存儲器的地址信號，有存儲器數(shù)據(jù)信號去控制交通燈。當(dāng)然，如果采用微處理器就會顯得十分簡單。2、方案比較與論證1三種方案的介紹設(shè)計之初，我們構(gòu)思了三種方案，分別構(gòu)造了電路并且進(jìn)行了multisim仿真實驗，以及protel的封裝。如下，對三種方案進(jìn)行比較。 2.11第一種方案采用傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計方案。該系統(tǒng)中，秒脈沖發(fā)生器是系統(tǒng)中定時計數(shù)定路中的定時器和主控路中的控制器的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源；譯碼驅(qū)動電路中的譯碼器輸出交通信號燈的控制系，經(jīng)過驅(qū)動電路的驅(qū)動信號等工作；中控電路中控制器是系統(tǒng)的主要部分，由他控制定時計數(shù)電路中的定時器和譯碼驅(qū)動電路中的譯碼器工作。運用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)電路將上述內(nèi)

7、容全部設(shè)計出來，再組合成所需的電量路。2.12第二種方案狀態(tài)控制器主要用于記錄十字路口交通燈的工作狀態(tài)，通過狀態(tài)譯碼器分別點亮相應(yīng)狀態(tài)的信號燈。秒信號發(fā)生器產(chǎn)生整個定時系統(tǒng)的時基脈沖，通過減法計數(shù)器對秒脈沖減計數(shù)，達(dá)到控制每一種工作狀態(tài)的持續(xù)時間。減法計數(shù)器的回零脈沖是狀態(tài)控制器完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時狀態(tài)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)下一個工作狀態(tài)決定計數(shù)器下一次減計數(shù)的初始值。減法計數(shù)器的狀態(tài)BCD譯碼器譯碼，數(shù)碼管顯示。在黃燈亮其間，狀態(tài)譯碼器將秒脈沖引入紅燈控制電路，使紅燈閃爍。2.13第三種方案交通燈整體電路可以分為三個部分：第一部分由函數(shù)信號發(fā)生器XFG2構(gòu)成脈沖信號發(fā)生器，產(chǎn)生周期為1S的脈沖信號，加

8、到由74160N構(gòu)成的加法計數(shù)器上，控制其在0000 1111 十六種狀態(tài)中變化，且從0000狀態(tài)開始遞增。第二部分由74160N加法計數(shù)器和DCD_HEX數(shù)碼顯示管構(gòu)成時間顯示裝置，分別對紅黃綠三種燈的亮滅進(jìn)行計時顯示。第三部分是由電阻配合LED發(fā)光二極管工作，使紅黃綠三色燈按照設(shè)計要求進(jìn)行工作，同時該部分還配有蜂鳴器與相應(yīng)的紅燈工作。1. 方案比較方案一電路復(fù)雜，設(shè)計思維能力要求較高，調(diào)試起來也有一定的難度，而且電路需要的硬件比較多且成本高。再有硬件設(shè)備不足、時間等原因，無法比較好的完成。因此舍棄了該方案。方案二控制電路如下。該方案電路連線較為復(fù)雜，主要體現(xiàn)在置數(shù)部分。計時顯示部分工作時，

9、時間只能從9-0循環(huán)，不能實現(xiàn)設(shè)計要求中的45s和25s的目的（可能是設(shè)計原理的失誤，后期反復(fù)修改也沒解決這個問題，故設(shè)計了方案二）。該方案優(yōu)點是所用元器件較少，原理也比較科學(xué)，工作過程有序。方案三是采用了較多的與或非門來控制電路以達(dá)到設(shè)計要求。由第一部分控制整個電路工作周期，使電路在支干道和主干道分別工作，再由工作狀態(tài)控制第二部分的時間顯示，原理簡單，材料也比較便宜，電路實現(xiàn)也較容易。對于這種造價低廉且簡單易行的電路裝置，相信能更好的推行并應(yīng)用于公共場合。缺點是沒有運用減法計數(shù)器，從而使時間計數(shù)上成累加效果。該方案另配有蜂鳴裝置，可按要求進(jìn)行連線，使聲音也能在交通信號中產(chǎn)生作用，算是該方案的

10、一個亮點。綜上，對三個設(shè)計方案進(jìn)行試驗比較之后，我們選擇了第三種方案。3、系統(tǒng)硬件設(shè)計1系統(tǒng)的總體設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)要求,設(shè)計系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中秒信號發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒信號?？深A(yù)置計數(shù)器進(jìn)行遞減計數(shù),根據(jù)置數(shù)控制電路的控制信號,計數(shù)的長短可作相應(yīng)調(diào)整,計數(shù)完成后產(chǎn)生一個輸出信號到狀態(tài)控制電路,狀態(tài)控制電路經(jīng)過譯碼,驅(qū)動主干道和支干道的紅、黃、綠三色燈作相應(yīng)的狀態(tài)變化?？深A(yù)置計數(shù)器計數(shù)狀態(tài)通過數(shù)碼顯示電路顯示相應(yīng)計數(shù)值。十字路口交通信號燈設(shè)置如圖3所示。2.單元電路設(shè)計（1）控制及信號燈指示電路根據(jù)實際情況和交通規(guī)則，只有4種可能情況：S0：主綠燈和支紅燈亮-主干道通車；S1：主黃燈和支

11、黃燈亮-主干道通車；S2：支綠燈和主紅燈亮-支干道通車；S3: 支黃燈和主黃燈亮-支干道通車。它們的循環(huán)過程如圖（2）所示。由圖（2）可知，狀態(tài)信號可以決定指示燈的亮與不亮，因此指示燈的驅(qū)動函數(shù)可由表1-1求出。經(jīng)化簡得指示燈驅(qū)動函數(shù)：R=QB r=QB Y=QBQA y=QBQA G=QBQA g=QBQA表 1 .指示燈驅(qū)動函數(shù)真值表表 1 .指示燈驅(qū)動函數(shù)真值表控制器狀態(tài)主干道支干道QBQAR(紅)Y（黃）G（綠）x（紅）y（黃）g（綠）00001100010100101010000111010010根據(jù)指示燈驅(qū)動函數(shù)邏輯表達(dá)式,可畫出信號燈指示電路。將狀態(tài)控制電路、信號燈指示電路及模擬

12、三色信號燈相連接,構(gòu)成狀態(tài)控制及信號燈指示電路如圖4所示。 各燈的明暗與時間如下圖：交通燈態(tài)序表態(tài)序主干道支干道時間1綠燈亮 允許通行紅燈亮 不許通行45s2黃燈亮 停 車紅燈亮 不許通行5s3紅燈亮 不許通行綠燈亮 允許通行25s4紅燈亮 不許通行黃燈亮 停 車5s（2）74160芯片介紹74160未可與指的是禁止同步計數(shù)器，其主要電特性的典型值：F最大值為32MHz，P為93mW。74160的魚只是同步的。當(dāng)置入控制器/PE為低電平是，在CP上升沿作用下，輸出端Q0-Q3與數(shù)據(jù)輸入端P0-P3一致。當(dāng)CP由低至高跳變前，如果計數(shù)控制端CEP、CET為高電平，則PE應(yīng)避免有低電平至高電平的跳

13、變。74160的技術(shù)是同步的，靠CP同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的，它與CEP、CET跳變與CP無關(guān)。74160有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計數(shù)溢出時，進(jìn)位輸出端（TC）輸出一個高電平脈沖，其寬度為Q0高電平部分。在不加外加門電路的情況下，可級聯(lián)成N位同步計數(shù)器。在CP出現(xiàn)前，即使CEP、CET、/MR發(fā)生變化，電路的功能也不受影響。引出端符號：TC 進(jìn)位輸出端 CET 計數(shù)控制器 CEP 計數(shù)控制端 CP 時鐘輸入端（上升沿有效） Q0-Q3 輸出端 /MR 異步清除輸入端（低電平有效） /PE 同步并行置入控制器（低電平有效）（3）計數(shù)器及數(shù)碼顯示電路選用4片74160十進(jìn)制可逆計數(shù)器構(gòu)成兩個兩位十進(jìn)

14、制可預(yù)置數(shù)的遞增計數(shù)器。為了便于控制,置數(shù)電路可根據(jù)需要改換。計數(shù)器及數(shù)碼顯示電路如圖5所示。兩片計數(shù)器間采用同步級聯(lián)方式,利用函數(shù)發(fā)生器作為秒脈沖信號接入74160N計數(shù)器的CLK端。計數(shù)器的D、C、B、A為十位和個位的8421BCD碼置數(shù)輸入端,當(dāng)則LOAD端為低電平時,完成置數(shù)功能，這里不需要置數(shù)，故可接高電平。個位進(jìn)位端RCO接十位的ENT和ENP端,個位計數(shù)器滿十進(jìn)位端產(chǎn)生高電平，從而實現(xiàn)計數(shù)器增至“10”狀態(tài)。個位的CLR，ENT，ENP端及十位的CLR接信號燈指示電路，當(dāng)信號燈完成跳變時，相應(yīng)的高電平使計數(shù)器工作。（4）置數(shù)鎖存電路為使系統(tǒng)簡化,我們用同一計數(shù)器分時顯示主、支干道

15、通行時間。計數(shù)器時間置數(shù)端A、B、C、D接0，將計數(shù)器置零，從025為支干道綠燈和主干道紅燈亮；從2630為主、支干道黃燈亮；3175為主干道綠燈和支干道紅燈亮；7680為主、支干道黃燈亮。此置數(shù)電路中計數(shù)器的CLR、LORD、ENT和ENP端接高電平。當(dāng)計數(shù)器計滿80s，通過與非門連接構(gòu)成的控制端發(fā)出低電平（有效電平）接至計數(shù)器LOAD端，使之置零。此外，從計數(shù)器輸出端QA、QB、QC、QD端引出所需的時間范圍到信號燈控制電路，作為信號燈控制電路的有效脈沖。3.電路原理圖 （附錄1）5. 系統(tǒng)仿真1. 仿真原理圖如圖7，即為仿真原理圖。2. 仿真結(jié)果電路稍作調(diào)整之后，進(jìn)行仿真。如圖8（1），

16、主干道綠燈和支干道紅燈亮，相應(yīng)的蜂鳴器U5發(fā)出聲音，時間為45s。這時主干道允許通車，支干道禁止通車，同時，主干道的蜂鳴器U5工作，如同火車道和公路交叉處，公路允許通行時，警鈴會響。接下來如圖8（2）是黃燈亮5s，作為紅綠燈轉(zhuǎn)換的過渡時間。然后如圖8（3），主干道紅燈和支干道綠燈亮，相應(yīng)的蜂鳴器U3工作。時間為25s。最后還是5s黃燈亮的過渡時間，之后轉(zhuǎn)回圖8（1），繼續(xù)循環(huán)工作。圖8（1） 主干道綠燈和支干道紅燈亮，相應(yīng)的蜂鳴器U5發(fā)出聲音，時間為45s圖8（2） 45s之后是黃燈亮5s圖8（3） 主干道紅燈和支干道綠燈亮，相應(yīng)的蜂鳴器U3發(fā)出聲音。時間為25s圖8（4） 25s后黃燈亮5s

17、，然后轉(zhuǎn)入圖8（1）通過應(yīng)用Mulitisim軟件進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，其結(jié)果與設(shè)計的要求一致，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。6. 系統(tǒng)的調(diào)試組裝1. 系統(tǒng)硬件調(diào)試（附照片）2. Protel電路在Protel軟件中進(jìn)行電路的連接，封裝和轉(zhuǎn)換成3D面板圖。ERC檢測后無錯誤。圖9（1） Protel電路封裝圖附錄3元件名稱數(shù)目元件名稱數(shù)目74S08D 12DCD-HEX474S32N9放光二極管674S05N3BUZZER（200HZ）274160N6電阻（200歐姆）6XFX2圖9（1） Protel電路3D圖3. 面板圖（附照片）7. 結(jié)論本次設(shè)計采用74160N計數(shù)器芯片和與或非門作為基礎(chǔ)，利用函數(shù)信號發(fā)生器

18、作為秒脈沖源，DXD數(shù)碼顯示器進(jìn)行時間的讀取。電路結(jié)構(gòu)簡單，原理易懂，經(jīng)過調(diào)試和仿真能夠達(dá)到預(yù)期的效果。同時，我們對電路進(jìn)行了Protel封裝，并且依據(jù)3D圖進(jìn)行了面包板電路的制作。綜合完成了一次簡單的課程設(shè)計任務(wù)。在這次課設(shè)中，同樣也遇到了很多問題，比方說最初的選題，因為先前沒有這方面的經(jīng)驗，不知道如何選擇一個難度適中的方案。后來在畫電路圖的時候，又因元件在軟件的中位置問題以及某些元件間的替代問題而出現(xiàn)了不小的困難。但是，問題還是在大家的探討和屢次實驗中逐一得到了解決和糾正。最后我們小組還是憑借團(tuán)隊合作，順利的完成了本次課設(shè)的內(nèi)容。本設(shè)計方案和比較方案大部分均為我們自己設(shè)計，參考了一些設(shè)計書上的內(nèi)