交通信號燈控制器設(shè)計(jì)

1、電子技術(shù)綜合訓(xùn)練設(shè)計(jì)報(bào)告題目： 交通信號燈控制器制作姓名： 田飛龍 學(xué)號： 08220305 班級： 自動化三班 同組成員： 尚凱 周紅剛 指導(dǎo)教師： 馬洪飛 日期： 2010年1月12日 摘 要 隨著各種交通工具的發(fā)展和交通指揮的需要，第一盞名副其實(shí)的三色燈(紅、黃、綠三種標(biāo)志)于1918年誕生。它是三色圓形四面投影器，被安裝在紐約市五號街的一座高塔上，由于它的誕生，使城市交通大為改善。 當(dāng)前，大量的信號燈電路正向著數(shù)字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)， 多值化方向發(fā)展隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注.隨著社會的發(fā)展,城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,城市交通成為制約城

2、市發(fā)展的一大因素,因此,有許多設(shè)計(jì)工作者為改善城市交通環(huán)境設(shè)計(jì)了許多方案,而大多數(shù)都為交通指揮燈,本電路也正是基于前人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的.全部有數(shù)字電路組成,比較以前的方案更為精確。關(guān)鍵詞：控制器 計(jì)數(shù)器 信號燈 譯碼電路目錄摘 要2關(guān)鍵詞2一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1二. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2三、單元電路設(shè)計(jì)43.1主控制器43.1.1 74LS90引腳排列圖與邏輯圖43.1.2 74LS90的功能表及引腳功能.53.2、計(jì)數(shù)器73.2.1計(jì)數(shù)器的作用73.2.2計(jì)數(shù)器的工作情況73.2.3控制信號燈的譯碼電路的真值表83.2.4置數(shù)電路93.2.5狀態(tài)譯碼電路113.3譯碼顯示電路133.3.1共陰極L

3、ED七段數(shù)碼管133.3.2 CD4511譯碼器133.4555振蕩器構(gòu)成的秒脈沖電路163.4.1 555定時(shí)器的引腳163.4.2 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器173.4.3 555定時(shí)器工作原理183.5交通燈信號燈控制總體框圖20四、電路安裝、調(diào)試與測試21五、參 考 文 獻(xiàn)22六、總結(jié)、體會和建議23 一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)十字路口的交通信號燈控制器，控制A、B兩條交叉道路上的車輛通行，基本要求： 1、每條道路設(shè)一組信號燈，每組信號燈由紅、黃、綠三個(gè)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)通行，未過停車線的車輛停止通行；2、每條道路上

4、每次通行的時(shí)間為25S； 3、每次變換通行車道之前，要求黃燈先亮5S，才能變換通行車道；4、黃燈亮?xí)r，要求每秒鐘閃爍一次。5、電源：220V/50HZ的工頻交流電供電； （注：直流電源部分僅完成設(shè)計(jì)即可，不需制作，用實(shí)驗(yàn)室提供的穩(wěn)壓電源調(diào)試，但要求設(shè)計(jì)的直流電源能夠滿足電路要求）6、按照以上技術(shù)要求設(shè)計(jì)電路，繪制電路圖，對設(shè)計(jì)的電路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2進(jìn)行仿真，用萬用板焊接元器件，制作電路，完成調(diào)試、測試，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。發(fā)揮部分：1、按照交通規(guī)則設(shè)計(jì)人行道指示燈2、其它恰當(dāng)?shù)墓δ芏? 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 十字路口的紅綠燈指揮著行人和各種車輛的安全通行。每邊都設(shè)置了紅、綠

5、、黃色信號燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行，在綠燈變紅燈時(shí)先要求黃燈亮幾秒鐘，以便讓停車線以外的車輛停止運(yùn)行。 路口交通指揮系統(tǒng)示意圖設(shè)南北干道通行時(shí)間為N1，東西干道通行時(shí)間為N2，南北、東西干道黃燈的時(shí)間均為N3，按南北、東西干道通行的時(shí)間來看，設(shè)置N1=N2N3。系統(tǒng)工作流程圖如圖所示。南北干道綠燈亮，東西干道紅燈亮計(jì)數(shù)器由N1到30遞增計(jì)數(shù)南北干道黃燈亮，東西干道紅燈亮計(jì)數(shù)器由N3到5遞增計(jì)數(shù)南北干道紅燈亮，東西干道綠燈亮計(jì)數(shù)器由N2到30遞增計(jì)南北干道紅燈亮，東西干道黃燈亮計(jì)數(shù)器由N3到5遞增計(jì)S1S2S3S0系統(tǒng)工作流程圖要實(shí)現(xiàn)上述交通信號燈的自動控制，則要求控制電路由時(shí)

6、鐘信號發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、主控制器、信號燈譯碼驅(qū)動電路和數(shù)字顯示譯碼驅(qū)動電路等幾部分組成，整機(jī)電路的原理框圖如圖所示。四個(gè)路口設(shè)有紅、黃、綠三色燈和兩位8421BCD碼的計(jì)數(shù)、譯碼顯示器。 顯示器譯碼器計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號發(fā)生器支干道信號燈信號燈譯碼驅(qū)動電路主干道信號燈主控電路交通信號燈控制原理電路框圖十字路口車輛運(yùn)行情況只有4種可能：1）設(shè)開始時(shí)南北干道通行，東西干道不通行，這種情況下主綠燈和支紅燈亮，持續(xù)時(shí)間為30s。2）30s后，南北干道停車，東西干道仍不通行，這種情況下主黃燈和支紅燈亮，持續(xù)時(shí)間為5s。3）5s后，南北干道不通行，東西干道通行，這種情況下主紅燈和支綠燈亮，持續(xù)時(shí)間為30s。4）2

7、0s后，南北干道仍不通行，東西干道停車，這種情況下主紅燈和支黃燈亮，持續(xù)時(shí)間為5s。5s后又回到第一種情況，如此循環(huán)反復(fù)。因此，要求主控制電路也有4種狀態(tài)，設(shè)這4種狀態(tài)依次為：S0、S1、S2、S3。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖所示。S0S1S2S330s后5s后30s后5s后狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 三、單元電路設(shè)計(jì)3.1主控制器3.1.1 74LS90引腳排列圖與邏輯圖十字路口車輛運(yùn)行情況只有4種可能，實(shí)現(xiàn)這4個(gè)狀態(tài)的電路，可用兩個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，也可用一個(gè)二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器或二進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成。我采用二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90實(shí)現(xiàn)。采用反饋歸零法構(gòu)成4進(jìn)制計(jì)數(shù)器,即可從輸出端QBQA得到所要求的4個(gè)狀態(tài)。圖4-1 74L

8、S90管腳排列圖,邏輯圖如圖所示。為以后敘述方便，設(shè)X1=QB,X0=QA。 74LS90管腳排列圖主控制器的邏輯圖3.1.2 74LS90的功能表及引腳功能.74LS90功能表輸 入 輸 出 功 能 清 0 置 9 時(shí) 鐘 QD QC QB QA R0(1)、R0(2) S9(1)、S9(2) CP1 CP2 1 1 0 × × 0 × × 0 0 0 0 清 0 0 × × 0 1 1 × × 1 0 0 1 置 9 0 × × 0 0  ×× 0 1 QA輸出

9、二進(jìn)制計(jì)數(shù) 1 QDQCQB輸出五進(jìn)制計(jì)數(shù) QA QDQCQBQA輸出 8421BCD 碼 十進(jìn)制計(jì)數(shù) QD QAQDQCQB輸出 5421BCD 碼 十進(jìn)制計(jì)數(shù) 1 1 不 變 保 持 如表7 4LS90功能表：7 4LS90邏輯功能為(1)計(jì)數(shù)脈沖從CP1輸入，QA作為輸出端，為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 (2)計(jì)數(shù)脈沖從CP2輸入，QDQCQB作為輸出端，為異步五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。 (3)若將CP2和QA相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP1輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端，則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。 (4)若將CP1與QD相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP2輸入，QA、QD、QC、QB作為輸出端，則構(gòu)成異步54

10、21碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。 (5)清零、置9功能。a) 異步清零當(dāng)R0(1)、R0(2)均為“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”時(shí)，實(shí)現(xiàn)異步清零功能，即QDQCQBQA0000。b) 置9功能當(dāng)S9(1)、S9(2)均為“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”時(shí)，實(shí)現(xiàn)置9功能，即QDQCQBQA1001。3.2、計(jì)數(shù)器3.2.1計(jì)數(shù)器的作用計(jì)數(shù)器的作用有二：一是根據(jù)南北干道和東西干道車輛運(yùn)行時(shí)間以及黃燈切換時(shí)間的要求，進(jìn)行30s、20s、5s 3種方式的計(jì)數(shù)；二是向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，主控制器根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。3.2.2計(jì)數(shù)器的工作情況計(jì)數(shù)器除需要秒脈沖作時(shí)鐘信號外，還應(yīng)受

11、主控制器的狀態(tài)控制。計(jì)數(shù)器的工作情況為：計(jì)數(shù)器在主控制器進(jìn)入狀態(tài)S0時(shí)開始60s計(jì)數(shù)；30s后產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計(jì)數(shù)器歸零，主控制器進(jìn)入狀態(tài)S1，計(jì)數(shù)器開始5s計(jì)數(shù)；5s后又產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計(jì)數(shù)器歸零，主控制器進(jìn)入狀態(tài)S2，計(jì)數(shù)器開始20s計(jì)數(shù)；20s后也產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計(jì)數(shù)器歸零，主控制器進(jìn)入狀態(tài)S3，計(jì)數(shù)器又開始5s計(jì)數(shù)；5s后同樣產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計(jì)數(shù)器歸零，主控制器回到狀態(tài)S0，開始新一輪循環(huán)。根據(jù)以上分析，設(shè)30s、20s、5s計(jì)數(shù)的歸零信號分別為A、B、C，則計(jì)數(shù)器的

12、歸零信號L為： L=A+B+C其中：A=S0 QC2= QC2 B=S2 QB2 QA2= QB2 QA2C=S1 QB1 QA1+S3 QB1QA1= X0 QB1 QA1考慮到主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下降沿觸發(fā)，將L取反后送到主控制器的CP端作為主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號?？蛇x用集成異步十進(jìn)制加法記數(shù)器(74LS90)。圖5-1計(jì)數(shù)器。圖計(jì)數(shù)器(利用74LS90正計(jì)數(shù)功能)3.2.3控制信號燈的譯碼電路的真值表主控制器的4種狀態(tài)分別要控制主、支干道紅、黃、綠燈的亮與滅。設(shè)燈亮為1，燈滅為0，則控制信號燈的譯碼電路的真值表。表控制信號燈的譯碼電路的真值表主控制器狀態(tài)主干道支干道 X1 X0紅燈R 黃

13、燈Y 綠燈G紅燈r 黃燈y 綠燈gS0 0 0 S1 0 1S2 1 0S3 1 1 001010100100100100001010由燈控真值表可寫出六盞等的邏輯式,經(jīng)化簡獲的六盞燈邏輯式為： 由真值表得燈控函數(shù)邏輯表達(dá)式 R=QB r =Q BY=QB QA y =QBQA _G=QBQA g =QBQA3.2.4置數(shù)電路由真值表可分別寫出各燈的邏輯表達(dá)式： R=S2+S3=X1X0+X1X0=X1 Y=S1=X1X0 G=S0=X1X0 r=S0+S1=X1X0+X1X0=X1 y=S3=X1X0 g=S2=X1X0根據(jù)功能要求采用以下邏輯門電路構(gòu)成：門電路是數(shù)字邏輯電路的基本組成單元，

14、門電路按邏輯功能可分為：與門、或門、非門以及與非門、或非門、異或門、同或門、與或非門。若按電路結(jié)構(gòu)組成的不同，可分為立元件門電路、CMOS集成門電路、TTL集成門電路等。各種集成門電路通常都封裝在集成芯片內(nèi)。此次設(shè)計(jì)采用的集成電路有74LS04、74LS00、74LS20、74LS12、74LS08引腳排列圖如下圖所示 這些集成電路的封裝形式均為雙列直插式。為雙列直插式集成電路的右下方通常是地線GND，左上方引腳一般是電源線VCC，其它引腳的用途如圖中符號所示，每個(gè)集成電路都有自己的代號，與代號對應(yīng)的名稱形象地說明了集成電路的用途。如74LS00是二輸入端四與非門，它說明這個(gè)集成電路中包含四個(gè)

15、二輸入端的與非門。74LS04、74LS00、74LS20引腳圖如下圖所示：圖74LS04六非門內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳圖圖74LS00四入與非門內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳圖圖7420四輸出與非門內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳圖 圖74LS10三輸出與非門內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳圖 3.2.5狀態(tài)譯碼電路根據(jù)燈控函數(shù)邏輯表達(dá)式,可畫出由與門和非門組成的狀態(tài)譯碼器電路,如圖所示。將狀態(tài)控制器，狀態(tài)譯碼器以及模擬三色信號燈相連接，構(gòu)成三色信號燈邏輯控制電路，如圖所示。圖 態(tài)譯碼電路3.3譯碼顯示電路譯碼顯示電路主要是由共陰極LED七段數(shù)碼管，CD4511譯碼器組成。3.3.1共陰極LED七段數(shù)碼管數(shù)碼管分為共陽極結(jié)構(gòu)和共陰極結(jié)構(gòu)。若顯示器共陽極連接，則

16、對應(yīng)陽極接高電平的字段發(fā)光；而顯示器共陰極連接，則接低電平的字段發(fā)光。此次設(shè)計(jì)采用的是共陰極連接如圖圖 共陰極數(shù)碼管引腳圖3.3.2 CD4511譯碼器圖 CD4511管腳功能排列圖1.以下介紹各引腳的功能：其功能介紹如下： BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 LT：3腳是測試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。 LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0

17、時(shí)的數(shù)值。 A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。2.數(shù)碼連接譯碼電路。CD4511是一種BCD碼輸入端,其中D是高電位;a、b、c、d、e、f、g是輸出端,輸出高電平有效,和共陰極半導(dǎo)體發(fā)光數(shù)碼管各發(fā)光段的陽極引出線相互連接，下面是七段數(shù)碼顯示器管腳接法，CD4511和數(shù)碼管的管腳排列圖:圖 段數(shù)碼顯示器管腳接法圖 數(shù)碼管連接電路圖3. 真值表共陽極數(shù)碼管的數(shù)字顯示真值表如下表所示表 七段顯示譯碼電路真值表3.4555振蕩器構(gòu)成的秒脈沖電路 555定時(shí)器是種中規(guī)模集成電路，只要外部配上適當(dāng)阻容元件，就構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整

18、形電路。3.4.1 555定時(shí)器的引腳 時(shí)器555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳排列圖，如內(nèi)部電路圖，引腳排列圖。555定時(shí)器內(nèi)部含有一個(gè)基本RS觸發(fā)器，配個(gè)電壓比較器C1,C2,一個(gè)放電三極管T由三個(gè)5K的電阻的分配器，555定時(shí)器因此而得名一個(gè)輸出緩沖器G3。比較器C1的參考電壓為2VCC/3加在同相輸入端C2的參考電壓為VCC/3加在反相輸入端，兩者均由分在器上取得。圖 555的內(nèi)部電路圖 555定時(shí)器引腳排列圖555定時(shí)器個(gè)引線端的用途如下：11端為接地線；22端為低電平觸發(fā)端，也稱為觸發(fā)輸入端。當(dāng)2端的輸入高電壓高 于VCC/3時(shí)，C2輸出為1；當(dāng)輸入電壓低于VCC/3時(shí)，C2的輸出為0，使基

19、本觸發(fā)器置1；33端U0為輸出端；44端是復(fù)位端，當(dāng)=0時(shí)，基本觸發(fā)器直接置0，使Q=0，=1；53端UDD 為電壓控制端，如果CO 端另加控制電壓，則可以改變C1，C2的參考電壓。工作中不使用CO 端時(shí)，一般都通過一個(gè)0.01uF的電容接地，以防旁路干擾；66端TH 為高電平觸發(fā)端，當(dāng)輸入電壓低于2VCC/3時(shí)，C1的輸出為1；當(dāng)輸入電壓高于2VCC/3時(shí)，C1的輸出為0，使基本觸發(fā)器置0，即Q0=0，=1，這時(shí)定時(shí)器輸出U0=0；77端D為放電端。當(dāng)基本觸發(fā)器的=1時(shí)，放電晶體管T導(dǎo)通，外接電容元件通過T放電；88端VCC為電源端，可在4.3-1.6V范圍內(nèi)使用，若為CMOS電路，則VCC

20、=3-18V。表7-1 555定時(shí)器功能表，它全面表示了555的基本功能。55定時(shí)器功能表3.4.2 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器多諧振蕩器產(chǎn)生矩形波的自激振蕩電路，由于矩形波包含和高次諧波成分，因此稱為多諧振蕩器。如圖7-3 555定時(shí)器圖7-4 波形圖采用555設(shè)計(jì)的多諧振蕩器及其工作波形，其振蕩頻率與實(shí)際的數(shù)字鐘頻率略有出入，但可以通過校時(shí)裝置校時(shí)。多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)毋須外加發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩）。用555實(shí)現(xiàn)多諧振需要外接電阻R1，R2和電容C，并外接+3V的直流電源。只需在+VCC端接上+3V的電源，就能在3腳產(chǎn)生周期性的方波。圖

21、 本次設(shè)計(jì)的秒脈沖電路圖3.4.3 555定時(shí)器工作原理接通電后，它經(jīng)過電阻和對電容C充電，當(dāng)上升略高于時(shí)，比較器C1的輸出為“0”，將觸發(fā)器置“0”，為“0”。這時(shí)， 1，放電管T導(dǎo)通，電容C通過和T放電，下降。當(dāng)下降略低于時(shí)，比較器C2的輸出為“0”，將觸發(fā)器置“1”，又由“0”變?yōu)椤?”。由于0，放電管T截止，又經(jīng)過和對電容C充電。如此重復(fù)上述過程，為連續(xù)的矩形波。第一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度，即從充電上升到所需的（）Cln20.7（）C     第二個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度，即從放電下降到所需的時(shí)間：Cln20.7C   

22、振蕩周期 T=+0.7(2)C   振蕩頻率 占空比 由式可得,占空比大于總是>%50。若設(shè)占空比=%50，又知交通信號燈的振蕩周期是1S，可得到本次所需要的元器件阻值：.R14.7KR24.7KC1100nFC210nF3.5交通燈信號燈控制總體框圖根據(jù)設(shè)計(jì)各部分功能可畫出交通信號燈控制系統(tǒng)總體框圖：圖 交通信號燈控制系統(tǒng)總體框圖 四、電路安裝、調(diào)試與測試在電路板上按整機(jī)框圖把主控制器、計(jì)數(shù)器、信號燈譯碼器、數(shù)子顯示譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器焊接好然后按以下步驟進(jìn)行調(diào)試：1秒脈沖信號發(fā)生器的調(diào)試，按照數(shù)字電子鐘的方法逐級調(diào)試振蕩電路和分頻電路，使輸出設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。2將秒脈沖信號送入主控制器的CP端，觀察主控制器的狀態(tài)是否是按00、01、10、11、00的規(guī)律變化。3將秒脈沖信號送入計(jì)數(shù)器的CP端，接入主控制器的狀態(tài)信號X0、X1，并把主控制器的狀態(tài)信號送入主控制器的CP端，觀察計(jì)說器是否按30秒、5秒、30秒、5秒、30秒循環(huán)計(jì)數(shù)。4把主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號X1、X0接至信號燈的譯碼電路，觀察6個(gè)發(fā)光二極管是否按設(shè)計(jì)要求發(fā)光。5整機(jī)聯(lián)調(diào)，使交通信號燈控制電路正常工作。 以上是本次設(shè)計(jì)的全過程，由以上分析知此設(shè)計(jì)所需材料有：3片74LS90、