交通燈控制邏輯電路設(shè)計

1、黑龍江工業(yè)學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計報告院系：電氣與信息工程系專業(yè)班級：14 電氣本八姓名：耿振學(xué)號：04991408005指導(dǎo)教師：黃睿 報告成績：1 .設(shè)計目的為了確保十字路口的車輛順利、 暢通地通過，往往都采用自動控制的交通信號燈來進(jìn)行指揮。其中紅燈（R）亮表示該條道路禁止通行；黃燈（Y）亮表示停車；綠燈（G）亮表示允許通行。設(shè)計一個十字路口的交通燈控制電路， 要求甲車道和乙車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設(shè)為 25秒；要求黃燈先亮5秒，才能變換運行車道；黃燈亮?xí)r，要求每秒鐘閃亮一次2 .設(shè)計任務(wù)要求要求東西方向的紅、黃、綠燈和南北方向的紅、黃、綠燈按照上面的工作時 序進(jìn)行

2、工作，黃燈亮?xí)r應(yīng)為閃爍狀態(tài)；1）南北和東西車輛交替進(jìn)行，各通行時間 24秒2）每次綠燈變紅燈時，黃燈先閃爍 4秒，才可以變換運行方向3）十字路口要有數(shù)字顯示作為時間提示，以倒計時按照時序要求進(jìn)行顯示；4）可以手動調(diào)整和自動控制，夜間為黃燈閃耀狀態(tài)（選作：通行時間和黃燈閃亮?xí)r 間可以在0-99秒內(nèi)任意設(shè)）3 .設(shè)計方案選取與論證依據(jù)功能要求，交通燈控制系統(tǒng)應(yīng)主要由秒脈沖信號發(fā)生器、倒計時計數(shù)器電路和信號燈轉(zhuǎn)換器組成，原理框圖如圖1所示。秒脈沖信號發(fā)生器是該系統(tǒng)中 倒計時計數(shù)電路和黃燈閃爍點控制電路的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源。倒計時計數(shù)器輸出兩組驅(qū)動信號T5和T0,分別為黃燈閃爍和變換為紅燈的控制信號，這兩

3、個信號經(jīng)信號燈轉(zhuǎn)換器控制信號燈工作。倒計時計數(shù)電路是系統(tǒng)的主要部分，由它控制信（1）白天工作模式信號指示燈白天工作流程圖(2)儀晚工作模式東西南北各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其他燈不亮。因此總設(shè)計圖如下 圖所示：秒脈沖產(chǎn)生電路秒脈沖產(chǎn)生電路工作方式控制開關(guān)系統(tǒng)電源秒脈沖產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號，主要由振蕩器和分頻器組 成。振蕩器是計時器的核心，振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的進(jìn)度決定了計時器的準(zhǔn)確 度，可由石英晶體振蕩電路或 555定時器與RC組成的多諧振蕩器構(gòu)成。一般來 說，振蕩器的頻率越高，計時的精度就越高，但耗電量將增大，故在設(shè)計時，一 定根據(jù)需要設(shè)計出最佳電路。石英晶體振蕩器具有頻率

4、準(zhǔn)確、振蕩穩(wěn)定、溫度系數(shù)小的特點，但如果精度要求不高的時候可以采用555構(gòu)成的多諧振蕩器。振蕩周期與頻率的計算公式為：T=(Ri+2R2)Cln2=0.7(Ri+2R2)C,電源電壓為 Vcc=12V,其中電路圖中Ci的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響，課程設(shè)計中要求輸出T=1S,選取電容為C=10nF, R=28.86MQ,根據(jù)振蕩周期計算，選 擇電阻R=57.72MQ。用multisim進(jìn)行仿真，仿真圖如圖所示：VDD555構(gòu)成的多諧振蕩器此電路就可以產(chǎn)生脈沖頻率為1赫茲的脈沖。以下對555定時器進(jìn)行簡介：NE555是一種應(yīng)用特別廣泛作用很大的的集成電路，屬于小規(guī)模集成電路，在很多電子產(chǎn)

5、品中都有應(yīng)用。NE555的作用是用內(nèi)部的定時器來構(gòu)成時基電路給其 他的電路提供時序脈沖。低觸發(fā)端電源端|改向桿制電1玉端S* 高觸發(fā)端駕放電端網(wǎng)域出端接地端555定時器內(nèi)部邏輯電路信號燈轉(zhuǎn)化器信號燈狀態(tài)與車道運行狀態(tài)如下：S0東西方向車道的綠燈亮，車道通行；南北方向車道的紅燈亮，車道禁止 通行；S1東西方向車道的黃燈亮，車道緩行；南北方向車道的紅燈亮，車道禁止 通行；S2東西方向車道的紅燈亮，車道禁止通行；南北方向車道的綠燈亮，車道 通行；S3:東西方向車道的紅燈亮，車道禁止通行；南北方向車道的黃燈亮，車道 緩行。用以下6個符號來分別代表東西（A）、南北（B）方向上個燈的狀態(tài)：GA=1:東西方

6、向車道綠燈亮；YA=1 :東西方向車道黃燈亮；RA=1:東西方向車道紅燈亮；GB=1 :南北方向車道綠燈亮；YB=1 :南北方向車道黃燈亮；RB=1:南北方向車道紅燈亮。實現(xiàn)信號燈的轉(zhuǎn)換有多種方法，現(xiàn)采用比較典型的方法進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)信號 燈的轉(zhuǎn)換工作。若選用JK觸發(fā)器，則原理如下。JK觸發(fā)器設(shè)狀態(tài)編碼為S0=00,S1=01,S2=11,S3=1或輸出為Q1, Q2,則其與信號燈狀 態(tài)關(guān)系如表3 1所小。狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表次宓Q0Q0*GAYARAQ1Q1*GBYBRB0010001001010101100111001101001000100010可以得出信號燈狀態(tài)的邏輯表達(dá)式：GA =Q

7、1 ' Q0' YA =Q1 ' Q0 RA =Q1GB =Q1Q0 YB =Q1Q0' RB=Q1 'JK觸發(fā)器的輸出狀態(tài)是與J輸入端的狀態(tài)相同的，同時分析表 3-1,觸發(fā)器 0的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器1的次態(tài)相同，觸發(fā)器1的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器0的次態(tài)相反，因此 可以將觸發(fā)器0的輸出端Q、Q'（現(xiàn)態(tài)）分別接觸發(fā)器1的J、K輸入端（次 態(tài)），觸發(fā)器1的輸出端Q、Q'（現(xiàn)態(tài)）分別接觸發(fā)器0的K、J端（次態(tài)）， 取觸發(fā)器0為、觸發(fā)器1為，連接后的電路如下圖所示：Ga1Ya1Ra1JK觸發(fā)器連接的電路倒計時計數(shù)器十字路口要有數(shù)字顯示作為倒計時提示， 以便人們更

8、直觀的把握時間。具體 工作方式為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置顯示器為某值，然后以每秒減1,計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)位“ 4”和“0"。十字路口綠、黃、紅燈變換，一次工作循環(huán) 結(jié)束，而進(jìn)入下一步某方向的工作循環(huán)。 在倒計時過程中計數(shù)器還向信號燈轉(zhuǎn)換 器供模4的定時信號T4和模0的定時信號T0,用以控制黃燈的閃爍和黃燈向紅 燈的變換。倒計時顯示采用七段數(shù)碼管作為顯示， 它由計數(shù)器驅(qū)動并顯示計數(shù)器的輸出 值。根據(jù)要求，采用兩片74190芯片構(gòu)成計數(shù)器，因為74190是十進(jìn)制同步可逆 計數(shù)器，它具有異步并行置數(shù)功能、保持功能。采用兩片74190芯片可設(shè)計成00 99的百進(jìn)制計數(shù)器，再根據(jù)線路連接的

9、改變將其連接成 24進(jìn)制計數(shù)器。74190沒有專用的清零輸入端，但可以借助 QD、QC、QB、QA的輸出數(shù) 據(jù)間接實現(xiàn)清零功能。其功能表如下圖所示：表3-2 74190的功能表CTEN CLK LOAD A B C D QA QB QC D/UQD0ABCD01 t 1減計數(shù)加計數(shù)要實現(xiàn)24s的倒計時，需選用兩個74190芯片級聯(lián)成一個從99到00的計數(shù) 器,其中作為個位數(shù)的74190芯片的CLK接秒脈沖發(fā)生器，再把個位數(shù) 74190 芯片輸出端QD用一個與門連起來，再接在十位數(shù) 74190芯片的CLK端。當(dāng)個 位數(shù)減到0時，再減1就會變成9, 0 (000。和9 (1001)之間的QA、QD

10、同 時由0變?yōu)?,把QA、QD起來接在十位數(shù)74190芯片的CLK端，此時會給十 位數(shù)74190芯片一個脈沖數(shù)字減1,相當(dāng)于借位。則又74190芯片的功能性質(zhì)可 知，當(dāng)個位數(shù)74190的C管腳和十位數(shù)74190的B管腳同時置1, CTEN端接低 電頻，力口/減計數(shù)控制端D/U接高電頻實現(xiàn)減計數(shù)，預(yù)置端 LOAD接高電頻時 計數(shù)，接低電頻時預(yù)置數(shù)。因此，工作開始時，LOAD為0,計數(shù)器預(yù)置數(shù)，置完數(shù)后，LOAD變?yōu)?,計數(shù)器開始倒計時，當(dāng)?shù)褂嫊r減為 00時，LOAD又變?yōu)?,計數(shù)器又預(yù)置數(shù)，如此循環(huán)下去。則連接后的電路如下圖所示:U7U5U23U24)CD HEX YELLOWRED HEX D

11、IG REDU25AU10AVCC5VU8BU4D7408N2474190N25U4A327408N297432NA B C DVCC3267326715 110倒計時計數(shù)器電路7404NU8A74LS21N4002BD 5V4002BD 5VQA QB QC QD15一二二五CTENLOADU/D RCOMAX/MINbCLK74190N5 jj14A B C DQA QB QCQDCTENLOADU/D RCOMAX/MIN CLKU11A 4001BD5VU9A 7400NU12A倒計時計數(shù)器與信號燈轉(zhuǎn)化器的連接 倒計時計數(shù)器向信號燈轉(zhuǎn)換器提供定時信號 T4和定時信號T0以實現(xiàn)信號燈的

12、轉(zhuǎn)換。TO表示倒計時減到數(shù)“ 00”時(即綠燈的預(yù)置時間，因為到“ 00”時，計數(shù)器重新置數(shù))，此時給信號燈轉(zhuǎn)換器一個脈沖，使信號燈發(fā)生轉(zhuǎn)換，一個方 向的綠燈亮，另一個方向的紅燈亮。接法為：把個位、十位計數(shù)器的輸出端QA、 QB、QC、QD分別用一個4輸入或非門連起來，再把這兩個 4輸入或非門的輸 出用一個與門連起來。T4表示倒計時減到數(shù)“04”時，給信號燈轉(zhuǎn)換器一個脈 沖，使信號燈發(fā)生轉(zhuǎn)換，綠燈的變?yōu)辄S燈，紅燈不變。接法為：當(dāng)減到數(shù)為“04”(0000 010。時，把十位計數(shù)器的輸出端 QA、QB、QC、QD用一個4輸入或 非門連起來，個位計數(shù)器的輸出端 QB、QD用一個兩輸入或非門連起來，

13、再把 這兩個或非門與個位計數(shù)器的的輸出端 QA、QC'用一個4輸入與門連接起來。 最后將T4和T0兩個定時信號用或門連接接入信號燈轉(zhuǎn)換器的時鐘端。則連接 圖如下圖所示：U7U5DCD HIWdCD HEX YELLOW一一4002BD5V74190N13U23U24REDD HEX DIG REDU25AU10AVCCU8AU8BU34002BD5V51474190N2833333327408N29U12A7432NGa1Ya1Ra1VCCo2.5 V2.5 V2.5 V23837uVCC?u = SpaceR15k|?151A B C DQAQBQCQDA B C DQA QB QC

14、 QDU26A 7408NU14B 7408NU9A 7400NJ15A 7432N4 41L>U4A廣CTEN LOADU/D RCOMAX/MIN CLKCTENLOADU/D RCOMAX/MINCLKVCC 5VU11A 4001BD5V74LS21NU4DVCCVcCvU13A7404N39141J今 I-1CLK1K1CLRU1B1Q2Q1Q2Q62CLR7473N7473NU1A2712J<CLK 0- 2KU19A 產(chǎn) 7408NU2B9Gb17408N2.5 VU2A7408N40 U2C7408NU2D7408N7432NU4C7408N7408N U16A U

15、4B7408NRb12.5 VU17B 7408NYb1462.5 V八 U18A|17408N交通燈信號控制器電路圖黃燈閃爍控制要求黃燈為閃爍狀態(tài)，即黃燈0.5秒亮，0.5秒滅，故用一個頻率為1赫茲的 脈沖與控制黃燈的輸出信號用一個與門連接至黃燈。在 3.1.1中已用555定時器 連接成了頻率為1赫茲的多諧振蕩器。白天夜間模式的轉(zhuǎn)換根據(jù)任務(wù)書的要求，要用一個手動開關(guān)來控制白天模式與晚上模式的改變。由經(jīng)過修改之后的組合邏輯電路輸出與輸入的表達(dá)式可以看出， 白天與夜間模式 的轉(zhuǎn)換由單刀雙擲開關(guān)與與門或或門控制。當(dāng)開關(guān)接上邊時為白天工作模式，開 關(guān)接地時為夜晚工作模式。則電路連接如下圖 3-5所示

16、：47VCC5VJ9° ? u = Space gnD1VCCR15k|?白天夜間的切換開關(guān)在實際生活中，手動開關(guān)電路畢竟不方便，因此實際應(yīng)用中可設(shè)計自動開關(guān) 電路。用光敏電阻或光敏二極管、 光敏三極管組成光亮度檢測電路， 光亮度檢測 電路檢測的電信號送入滯回電壓比較器， 滯回電壓比較器根據(jù)光亮度輸出高低電 平信號，這個信號經(jīng)延時電路后（可用單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)），作為白天與夜間的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。這樣當(dāng)天黑以后經(jīng)一段延時， 系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)成夜間工作方式。第二天 天量后經(jīng)一段延時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換成白天工作方式。在本次課程設(shè)計中選擇使用 手動切換白天與夜晚模式的選擇。四.仿真過程及仿真結(jié)果白天工作模式

17、交通燈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?xí)r， 東 西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西 方向綠燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。信號燈采用紅、綠、黃發(fā)光二燈模擬在實際電路中，開關(guān)J2和J7閉合，使個位74190的C管腳接高電平，A、B、 D接低電平；十位74190的B管腳接高電平，A、C、D接低電平，并且白天夜 間的切換開關(guān)不接地。計數(shù)器的開關(guān)如下圖所示：置數(shù)法的開關(guān)連接方法白天的工作狀態(tài)結(jié)果如下圖3-7所示:夜間工作模式南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其它燈不亮，將設(shè)置的手動開關(guān), 撥動到接地狀態(tài)。電路圖工作結(jié)果如下圖 3-7

18、所示：編輯版wordVDD口2V Vs VDDU7U5U23U24OWCD_HEX_YELLOWGDCD_HEX_DIG_REDI17U10A1BD 5V322955.VIRTUALTimer25 V25 V2.5 VU13A7404NU2A1JU2B1K1CLR2.5 V2.5 V7473N2.5 V46n己74 1 90MA B C DU26 A 7408NJ15A7432M5V VCCU19A 7408MQ7408N U4C 7408N7732M40 U2C7408NU2D7408MCTENLOADU/D RCOMAX/MIN4002BD_5VU4DA B C DQAQBQCQD4002BD_5VCTENLOAD U/D,CLKRCOMAX/MIM2J2CLK2K2Q6-2CLR7473NQAQBQCQDU9A 7400NU12A7432M.U14B17408M7408N夜間工作狀態(tài)U4B 7408MU17B 7408Mr-7408MU18AU23U24五.結(jié)論故障分析及總結(jié)經(jīng)過一周