簡易交通燈控制電路的設計

1、xxxxxx大學課 程 設 計簡易交通燈控制電路的設計班 級 學 號 學 生 姓 名 指 導 教 師 xxxxxx大學課 程 設 計 任 務 書課 程 名 稱 電子線路課程設計 課程設計題目 簡易交通燈控制電路的設計 課程設計的內(nèi)容及要求：一、設計說明與技術(shù)指標1東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時間25s。2東西方向與南北方向黃燈亮，時間5s。3南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時間15s。4如果發(fā)生緊急事件，可以手動控制四個方向紅燈全亮，禁止該道路的車輛通行，特殊情況過后能恢復正常。二、設計要求1在選擇器件時，應考慮成本。2根據(jù)技術(shù)指標，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。3畫出電路原理圖（元器

2、件標準化，電路圖規(guī)范化）。三、實驗要求1根據(jù)技術(shù)指標制定實驗方案；驗證所設計的電路，用multisim軟件仿真。2進行實驗數(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集成電路實用電路集高等教育出版社2002-8 4. 王剛 TTL集成電路應用 機械工業(yè)出版社 2000-10五、按照要求撰寫課程設計報告成績評定表：序號評定項目評分成績1設計方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性（15分）2設計結(jié)果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結(jié)果）（15分）3態(tài)度認真，遵守紀律

3、（15分）4設計報告的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于5篇）（25分）5答辯（30分）總分最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）指導教師簽字： 年 月 日一、概述本設計通過采用數(shù)字電路對交通燈控制電路進行設計,使用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,指揮各種車輛和行人安全通行,實現(xiàn)十字路口交通管理的自動化。因此，在本次課程設計里，將以傳統(tǒng)的設計方法為基礎來設計交通控制信號燈。在實際情況下，一個十字路有一個主干道和一個支干道。主干道的車流量較大，即要求主干道綠燈亮的時間長，支干道正好相反。 設A代表東西方向即主干道，B代表南北即支干道；R代表紅燈亮，

4、Y代表黃燈亮，G代表綠燈亮。且設主、支干道紅、黃、綠燈亮的四種狀態(tài)分別由Q2、Q1的四種數(shù)值組合表示，時間設置如下（1代表燈亮，0代表燈滅）。表1 四種狀態(tài)表示亮燈顏色與時間組合狀態(tài)東西方向(A)南北方向（B）時間編號Q2Q1AGAYARBGBYBRS00000110025S10100101005S21010000115S31101000105以設計要求為依據(jù)，本方案一共分為秒脈沖信號發(fā)生電路、計時電路、控制電路、計時顯示電路、信號燈控制電路、緊急狀態(tài)手動控制電路六大部分組成。最終達到包括兩組紅黃綠燈（配合十字路口的雙向指揮控制）、一組手動與自動控制開關（針對交通警察指揮交通控制使用）、倒計時

5、顯示器（顯示允許通行或禁止通行時間）在內(nèi)的最終設計目標。二、方案論證2.1計數(shù)器的設計方案一：用74LS192直接構(gòu)成減計數(shù)器，時鐘脈沖上升沿到來時，在控制器的作用下置數(shù)后開始計數(shù)，計數(shù)器以減計數(shù)向顯示譯碼器提供信號。方案二：定時器由與系統(tǒng)秒脈沖同步的計數(shù)器74LS161構(gòu)成，時鐘脈沖上升沿到來時，在控制信號作用下置數(shù)為反碼，輸出端接入非門后計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)和倒計時顯示的雙重功能。方案選擇：74LS192是雙時鐘同步16進制可逆計數(shù)器，用它進行減計數(shù)與數(shù)字顯示倒計時相符合。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

6、應用，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驗方案如下：由555時鐘信號發(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，實現(xiàn)倒計時；用一片74LS74即兩個D觸發(fā)器作為狀態(tài)控制器，控制狀態(tài)變量Q2Q1的變化，即實現(xiàn)變化：00-01-10-11；用兩片計數(shù)器的C進位端進行與運算后作為狀態(tài)控制器的脈沖；利用狀態(tài)控制器與計數(shù)器的輸出對計數(shù)器實現(xiàn)置數(shù)操作，從而實現(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的兩個地址輸入端AB，第三個地址輸入端

7、C接地；六個燈按照不同狀態(tài)分別與74LS18的前四個輸出端連接。 總體設計方案框圖如圖1：圖1 總體設計方案框圖在此電路中，555時鐘信號發(fā)生器產(chǎn)生一個以秒為單位的CLK脈沖，計數(shù)器74LS161接受CLK脈沖，實現(xiàn)同步計時。通過非門連接計數(shù)器輸出端與譯碼驅(qū)動電路，在數(shù)碼管上顯示倒計時。將計數(shù)器的進位輸出C取反用以控制其自身循環(huán)置數(shù)，對計數(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25s；從01至10，歷時5s；從10至11，歷時20s；再從11變至00，歷時5s，依次循環(huán)。狀態(tài)不同，計數(shù)器置數(shù)和紅綠燈如何顯示不同；計數(shù)器

8、置數(shù)不同，則模值不同，狀態(tài)改變時間也不同。 三、電路設計3.1 秒脈沖信號發(fā)生器的設計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現(xiàn)。3.1.2 秒脈沖發(fā)生器的工作原理由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖3所示，R1，R2和C是外接定時元件，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，電源經(jīng)R1，R2對電

9、容C充電，使 電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當uc上升到（2/3）Vcc時，輸出uo為低電平，放電管VT導通，把uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間T1的長短與電容的充電時間有關 。充電時間常數(shù)T充=(R1+R2)×C （1）由于放電管VT導通，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時間T2的長短與電 容的放電時間有關，放電時間常數(shù)T放=R2×C （2）隨著C的放電，uc下降，當uc下降到（1/3）Vcc時，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

10、電源后，電路就在兩個暫穩(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電壓總是在（1/32/3）Vcc 之間變化。圖2為工作波形。圖2 多諧振蕩器工作波形圖3 555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)計算因為對于該電路有T=T1+T2 (3)T1=0.7R1+R2×C (4)T2=0.7×R2×C (5)T0.7(R1+2R2)×C (6)若令C=10f，R1=43K,那么R2=51K。則T1.015s，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4 555組成的秒脈沖發(fā)生電路此電路為計時電路提供時鐘信號CLK

11、。3.2 計時電路的設計3.2.1 定時器的功能及其組件計時器的功能是實現(xiàn)精確定時并驅(qū)動顯示譯碼器實現(xiàn)倒計時輸出，其電路組成元件有74LS161、74LS04（非門）、74LS08（二輸入與門）、74LS86（異或門）。圖5 4位二進制同步加法計數(shù)器74LS161引腳排列圖74LS161是4位二進制同步加法計數(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是計數(shù)控制使能端，C是進位輸出端，D0D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q0Q 3輸出端。表2 4位二

12、進制同步加法計數(shù)器74LS161功能表CLKRD'LD'EPET工作狀態(tài)×××01111×0111××0×1××101異步清零同步預置數(shù)保持保持（但C=0）計數(shù)3.2.2 定時器電路工作原理定時器工作原理圖如圖6所示。圖6 兩片74LS161級聯(lián)組成的定時器電路兩片74LS161之間采用并行連接，低位片的進位輸出接入高位片的EP、ET使能端，高位片只有在低位片進位時才會進行計數(shù)或置數(shù)。 此電路輸出后接入非門使其輸出為反碼，當計數(shù)器輸出原碼為1111即反碼為0000時，進位輸出端C輸出高電平

13、，進行非運算后變?yōu)榈碗娖浇尤隠D進行置數(shù)，并行輸入端D3D2D1D0的數(shù)據(jù)被置入計數(shù)器。綜上所述：高位片只有在高低位片QAQBQCQD輸出都為1111時才會被置數(shù)，低位片QAQBQCQD為1111時高位片僅進行計數(shù)運算。若計數(shù)器分別輸出25秒（S0）、5秒（S1）、15秒（S2）、5秒（S3），四個狀態(tài)的計數(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可以列出兩個計數(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（*表示不進行置數(shù)操作）狀態(tài)高位片低位片Q2Q1QDQC'QB'QA'

14、;D3'D2'D1'D0'QDQC'QB'QA'D3'D2'D1'D0'000010*00001001000001*00001001010000000000000100100000000100000100100001000000001001110000000000000100000000001000000100由表3可以得出高位片：D3=D2=1 (7)D1=Q1+Q2 (8)D0=Q1+Q2' (9)低位片：D3=D0=QAQB (10)D2=QA'QB' (11)D1=1 (12

15、)此電路的輸出為計時顯示電路的輸入。3.3 計時顯示電路計時顯示電路包含74LS47顯示譯碼器和共陽極二極管。該電路將計時電路產(chǎn)生的倒計時數(shù)碼進行可視化顯示。此電路中顯示譯碼器與數(shù)碼管的對應關系為74LS48驅(qū)動共陰極數(shù)碼管，74LS47驅(qū)動共陽極數(shù)碼管。電路沒有復雜邏輯關系，按照管腳關系認真連接即可。計時顯示電路如圖7所示。 圖7 計時顯示電路原理圖3.4 控制器電路的設計3.4.1 控制器的功能及組成元件控制器的功能是按預定的狀態(tài)循環(huán)控制著每個交通燈的亮和滅。其電路由74LS168芯片和74LS74芯片來實現(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

16、沿D觸發(fā)器，用來實現(xiàn)四個狀態(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，取自然二進制數(shù)的0011作為S0S3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)編碼進位輸出CQ2Q1S0000S1010S2100S3111選用2個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鐘方程CLK=clk1=clk2=C1C2 (13)其中C1C2分別為兩個74LS161的進位輸出端。表示電路次態(tài)/進位輸出C與電路現(xiàn)態(tài)關系的卡諾圖如圖9所示。Q2Q101001/010/0111/100/

17、0圖9 電路次態(tài)/進位輸出C與現(xiàn)態(tài)關系的卡諾圖對圖9拆分化簡后可得出：Q2*=Q1Q2 (14)Q1*=Q1' (15)式（14）（15）為狀態(tài)方程，比較D觸發(fā)器的特性方程Q*=D (16)可得：D2=Q1Q2 (17)D1=Q1' (18)74LS138為3線-8線譯碼器，本系統(tǒng)中只有四個狀態(tài)，所以將地址輸入端高位C接地，Q2Q1分別接BA，此時輸出Y0Y1Y2Y3分別表示S0S1S2S3四個狀態(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)手動控制電路的設計考慮到實際中可能遇到緊急情況需要禁止整個十字路口通行，即四個方向全是紅燈，

18、而緊急狀態(tài)結(jié)束后還能夠繼續(xù)正常運行，所以本系統(tǒng)設計了緊急狀態(tài)手動控制開關。此開關為單刀雙擲開關，連接74LS138的G1片選端，和計時器的低位片的EP、ET使能端，這三個端口都是連接高電平時可以使芯片正常工作，連接低電平時則會使芯片禁止工作處于保持狀態(tài)，所以可以使整個系統(tǒng)暫停工作，在這一端還要連接一個非門后接入用或門與紅燈控制電路連接。因此單刀雙擲開關的另外兩端分別接高電平和地，正常狀態(tài)時長接高電平，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3.6 信號燈控制電路的設計信號燈控制電路接收控制電路的74LS138給出

19、的四個狀態(tài)信號分別按照設計要求控制不同的信號燈，對應控制關系如表5所示表5 四種狀態(tài)對應控制燈光組合狀態(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

20、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，為整個系統(tǒng)提供時鐘信號。4.2 定時器與計時顯示電路測試計時顯示電路可以顯示出定時器的工作狀態(tài)，所以一起進行測試。在仿真和實物測試中可以都看到此部分電路可以實現(xiàn)設計功能。完成有S0（240）,S1（40），S2（140）,S3（40）,四個狀態(tài)的倒計時循環(huán)。圖14到圖17為每個狀態(tài)開始時的仿真截圖。圖14 S0狀態(tài)開始時仿真圖圖15 S1狀態(tài)開始時仿真圖圖16 S2狀態(tài)開始時仿真圖圖17 S3狀態(tài)開始時仿真圖4.3 控制電路和

21、信號燈控制電路測試控制電路為整個系統(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，AR=BG=1，即東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮；Q2Q1=01時，AG=BY=1，即東西方向紅燈亮，南北方向黃燈亮；Q2Q1=10時，AG=BR=1，即東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮；Q2Q1=11時，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到設計要求，能夠完成整個系統(tǒng)的狀態(tài)控制和信號燈亮滅控制。

22、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)手動控制開關測試在緊急狀態(tài)下按下控制開關可以使整個系統(tǒng)停止工作，并且所有紅燈常亮，在緊急狀態(tài)結(jié)束后關閉開關可以繼續(xù)正常使用。啟動狀態(tài)如圖19。圖19 緊急開關打開示意圖在測試過程中不僅進行了仿真測試，也進行了實物測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的所有功能。圖20為實物連接圖。圖20 系統(tǒng)實物連接圖五、結(jié)論該設計電路基本能滿足交通信號燈控制器的設計要求，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)生緊急情況時進行人工干預。該電路設計相對來說

23、比較簡單，實用。但設計中存在很多的不足之處，比如說該秒脈沖發(fā)生器的時間精度不夠精確，假如采用晶振計時器來控制的話就會相當準確；在數(shù)碼管顯示為00時就會切換狀態(tài)，雖然不影響整體計數(shù)時間，但是仍然不夠完善。這兩周的電子線路課程設計期間，我遇到了平時從未有過的困難。因為課程設計不是依靠某一方面的知識就可以完成的，而是對平時所學的理論知識的高度整合。又因為自己所學的知識有限，要設計出此電路需要花費大量的時間去查找資料，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計的任務。特別是我們學習理論時學到的是TTL電路中引腳懸空即為高電平，但是實物連接過程中出現(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問題。在這個過程中我深刻理解了“理論聯(lián)系實際”這句話的重要性。通過此次課程設計，我學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