交通信號燈設(shè)計方案

1、南陽理工學院數(shù)字電路課程設(shè)計報告書課題名稱 交通燈控制電路 姓 名 馬鈺欣 系 部 計算機與信息工程學院 專 業(yè) 15物聯(lián)網(wǎng)班 指導教師 徐國清 2016年12月18日目 錄1 設(shè)計目的.32 設(shè)計思路.33 設(shè)計過程.3 3.1 設(shè)計方案.4 3.2 電路設(shè)計.5 3.2.1 秒脈沖發(fā)生器.6 3.2.2 定時器.6 3.2.3 控制器.8 3.2.4 譯碼電路.10 3.2.5 顯示部分.11 3.2.6 總原理圖.124 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果.125 主要元件.136 結(jié)論.137 設(shè)計心得體會.148 附錄.14 8.1 總原理圖.149 參考文獻.15交通燈控制電路摘要：交通信號燈常用于交

2、叉路口，用來控制車輛的流量，提高交叉口車輛的通行能力，減少交通事故。本交通燈設(shè)計主要由秒脈沖發(fā)生器、定時器、控制器、譯碼顯示電路組成。秒脈沖發(fā)生器由LMC555CH產(chǎn)生脈沖，定時器由74LS160實現(xiàn)，控制器由74LS153和74LS74組成，譯碼電路采用74LS48和七段數(shù)碼管來顯示?？刂破魍ㄟ^ST信號對定時器進行控制，從而顯示紅黃綠燈的轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵字：交通燈 控制器 秒脈沖發(fā)生器 定時器 譯碼器1、 設(shè)計目的（1） 熟悉集成電路的引腳安排（2） 掌握各芯片的邏輯功能及使用方法（3） 了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法（4） 了解數(shù)字交通燈控制電路的組成及工作原理（5） 學會用仿真軟件對設(shè)計的原理圖進

3、行仿真（6） 熟悉數(shù)字交通燈控制電路的設(shè)計與制作2、 設(shè)計思路（1） 設(shè)計秒脈沖發(fā)生器（2） 設(shè)計交通燈定時電路（3） 設(shè)計交通燈控制電路（4） 設(shè)計交通燈譯碼電路（5） 設(shè)計交通燈顯示時間電路3、 設(shè)計過程3.1 設(shè)計方案用數(shù)字電子技術(shù)來實現(xiàn)交通燈控制 交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3-1所示 它主要由控制器、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，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時器和譯碼器的工作。 TL：表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間間隔

4、。定時時間到，TL=1，否則，TL=0。 TY：表示黃燈亮的時間間隔為5秒。定時時間到，TY=1，否則，TY=0。SY：表示定時器到了規(guī)定的時間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。由它控制定時器開始下個狀態(tài)的定時。3-1系統(tǒng)的原理圖 （1）甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時間間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作態(tài)。 （2）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定的時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （3）甲車道紅燈亮，乙車道綠燈

5、亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行，綠燈亮足規(guī)定的時間間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（4）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。 交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器進行控制的。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、11、10，并分別用S0、S1、S3、S2表示，則控制器的工作狀態(tài)及功能如表1-1所示，控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見，把燈的代號和燈的驅(qū)動信號合二為一，并做

6、如下表1-1規(guī)定：表1-13.2 單元電路的設(shè)計3.2.1 秒脈沖發(fā)生器秒脈沖發(fā)生器由LMC555CH電路及其外圍電路組成，其中R2=10k，R3=68k，C3=300nf的電阻電容值決定了脈沖寬度。T=（R2+2R3）C2ln2，當T=1秒時，即可湊出R2、R3、C3，其中C3=300nf是為了保持輸出的波形穩(wěn)定。如圖3-2所示，R2=10k、C3=300nF組成一個串聯(lián)RC充放電電路，在LMC555CH的DIS管腳上輸出一個方波信號，C3上得到一個三角波，此三角形波送到LMC555CH的TRI管腳輸入端，由LMC555CH內(nèi)部的比較器和門電路共同作用，維持DIS腳上的方波信號和OUT管腳上

7、的輸出方波。3-2 秒脈沖發(fā)生器原理圖秒脈沖還可以由芯片CD4060和74LS74及其外圍電路構(gòu)成，該電路選用石英晶體結(jié)構(gòu)制成振蕩器，在經(jīng)過分頻電路得到秒脈沖。振蕩器的頻率越高，計時精度越高。如果精度要求不高也可以采用集成邏輯門與RC組成的時鐘源振蕩器以及集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器。因此，該設(shè)計選著由集成電路定時器555與RC組成的多諧振蕩器來產(chǎn)生秒脈沖。3.2.2 定時器定時器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的計數(shù)器構(gòu)成，要求計數(shù)器在狀態(tài)信號ST作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計時器從零開始進行增1計數(shù)，向控制器提供模5的定時信號TY和模25的定時信號

8、TL。計數(shù)器選用集成電路74LS160進行設(shè)計比較簡便。74LS160是10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。74LS160功能表如表1-2所示：表1-2表示RD是低電平有效的同步清零輸入端，LD'是低電平有效的同步并行置數(shù)控制端，EP、ET是設(shè)計交通燈的圖數(shù)控制端，CO是進位輸出端，D0D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q0Q3是數(shù)據(jù)輸出端。設(shè)計圖如3-3所示：圖3-3 交通燈定時器其工作原理為：由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖CLK分別送給兩個74LS160的清零端9處。如圖所示：輸入端3、4、5、6分別接地。U1的7和10由U2的11、14經(jīng)過與門相與后相連。即只有當11、14處

9、產(chǎn)生一個高電平脈沖時才能觸發(fā)U1中的14產(chǎn)生脈沖。當U13C74LS04的ST信號分別送給U1和U2的LOAD，就可以得到TY和TY非是秒脈沖的5倍；TL和TL非得結(jié)果是秒脈沖的25倍。除此，還可以用74LS163來實現(xiàn)這個定時器，但是由于該芯片不是十進制的計數(shù)器，因此在進位時要加上一個與門，設(shè)計如下圖3-4，因為該電路與圖3-3的定時電路多用了一個與門，因此不選用。圖3-4 由74LS193構(gòu)成的定時電路3.2.3 控制器控制器是交通管理的核心，它應(yīng)該能夠按照交通管理規(guī)定控制信號燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表1-3所示： 表1-3 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表根據(jù)上表刻意推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)

10、換信號方程，其方法是：將Q1n+1，Qnn+1和ST為1的項所對應(yīng)的輸入或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與，其中“1”用原變量表示，“0”用反變量表示，然后將各項相或，即可得到下面的方程：根據(jù)以上方程，選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來實現(xiàn)每個D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇器輸入端作為控制信號，即可實現(xiàn)控制器的功能?？刂破髟韴D如圖3-5所示。圖中R、C構(gòu)成復(fù)位電路。由兩個雙多路轉(zhuǎn)換器74LS153和一個雙D觸發(fā)器74LS74組成控制器。觸發(fā)器記錄4種狀態(tài)，多路轉(zhuǎn)換器與觸發(fā)器配合實現(xiàn)4種狀態(tài)的相互交換。圖3-5交通燈控制器 其原理為：CLK分別送給U6A和U6B的3和11的清

11、零端。將TY接入U4的5和U5的4和5；TY非接入U4的4。如上圖所示：74LS74兩個D觸發(fā)器作為時序寄存器產(chǎn)生四種狀態(tài)。選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來實現(xiàn)每個D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇端作為控制信號，即可實現(xiàn)控制器的功能。 3.2.4 譯碼電路譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出Q1、Q0的4種工作狀態(tài)，翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態(tài)?？刂破鞯臓顟B(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關(guān)系如表1-4所示。表中A、B代表甲、乙車道。表1-4 控制器狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系 由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的周期性變化的CLK脈沖，一部分送給了定時器的74LS160芯片，另一部分送

12、給了控制器的74LS74芯片。在脈沖ST同時加到定時器74LS160芯片的情況下，通過芯片74LS160將會輸出TY、TY非；TL、TL非。即TY和TY非放大的結(jié)果是秒脈沖的5倍；TL和TL非放大結(jié)果是秒脈沖的25倍。前者輸出的信號是后者的1/5。將定時器輸出的TY、TY非、TL、TL非 分別作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK脈沖置于芯片74LS74中會輸出高低變換的電平。控制器中的信號再送給由芯片74LS08組成的譯碼器后再通過電路中的指示燈和200歐的電阻從而得到交通燈的邏輯電路，這種電路的結(jié)果最終通過小燈的正常閃爍來實現(xiàn)。電路圖設(shè)計如下：圖3-6 譯碼器部分原理圖3.2.5 顯

13、示部分 顯示部分由74LS48和共陰極七段數(shù)碼管組成，74LS48作為譯碼器，對74LS160的輸出信號進行譯碼，然后通過七段數(shù)碼管顯示出74LS160的計數(shù)。即交通燈需要顯示的時間。其設(shè)計如圖3-7所示：圖3-7 由74LS48和數(shù)碼管組成的電路3.2.6 總原理圖4、 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果（1） 組裝調(diào)試秒脈沖電路。（2） 進行定時電路的組裝和調(diào)試。當輸入1Hz的始終脈沖信號時，要求電路能進行增計時，當增計時到25時，能輸出有效的定時時間信號。（3） 調(diào)試交通燈控制器以及顯示部分。（4） 判斷各部分電路之間的時序配合關(guān)系。然后檢查電路各部分的功能，使其滿足設(shè)計要求。最終調(diào)試如下： 接上電源，便可

14、以進行交通燈控制系統(tǒng)的仿真，電路默認把通車時間設(shè)為25秒，甲車道方向綠燈亮，行人、車輛都可以自由通行；乙車道方向車道的紅燈亮，車輛禁止通行。時間顯示器從預(yù)置的0秒，以每秒增加1，增加到25到0時，甲道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，其余等都不變。從增至5秒又到0時甲車道的黃燈轉(zhuǎn)換為紅燈；乙車道的紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈。如此循環(huán)下去。5、 主要原件集成電路：LMC555CH1片74LS1602片 74LS084片 74LS043片 74LS1532片 74LS742片 74LS482片 74LS001片 74LS101片 SEVEN_SEG_COM_A_BLUE2片電阻：200歐姆7個 10K歐姆1個 68K歐姆1個

15、電容：10f1個 300nf1個 10nf1個其他：LED燈6個6、 結(jié)論1、 能實現(xiàn)的功能交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和計時時間的顯示，基本能實現(xiàn)甲、乙道路直行和轉(zhuǎn)彎燈的顯示功能。2、 不足之處交通燈中沒有右轉(zhuǎn)燈，用的芯片太多；應(yīng)在十字路口設(shè)置兩組顯示器，分別顯示計時；應(yīng)選用減法計數(shù)器，方便行人、車輛作出判斷。7、 設(shè)計心得體會我覺得做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實踐讓我對各個元件映象深刻。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。通過這次課程設(shè)計，我受益頗多。雖然花了很多時間，但是學到了很多東西，在課程設(shè)計的過程中，我想了很多種方案，對同一個問題（像計數(shù)器的解法）都想了很多種不同的接法，運用不同的芯片進行了比較，最后還是采用了上面的方法進行連接。我了解到課程實習設(shè)計是開端，連接是關(guān)鍵，測試是必須。這次動手設(shè)計既鞏固了課堂