交通信號燈控制電路的設(shè)計及仿真

1、唐 山 學(xué) 院電子技術(shù)課 程 設(shè) 計 題 目 交通信號燈控制電路的設(shè)計與仿真 系 (部) 信息工程系 班 級 10應(yīng)用電子技術(shù)2班 姓 名 李程浩 學(xué) 號 3100212226 指導(dǎo)教師 成鳳敏 王蕾 2012年6月25日至 6月29 日 共1周2012年6月28日電子技術(shù) 課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目、內(nèi)容及要求設(shè)計題目：交通信號燈控制電路的設(shè)計與仿真設(shè)計內(nèi)容：1.信號燈白天工作方式 某方向綠燈點亮20秒，然后黃燈點亮4秒，最后紅燈點亮24秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。如果以4秒作為時間計量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點亮的時間比例為5：1：6。從點亮要求可以看出

2、，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LED紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。2.夜間工作方式 南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次。其它燈不亮。要求設(shè)置一個手動開關(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。設(shè)計要求：（1）根據(jù)設(shè)計要求實現(xiàn)交通信號燈的顯示功能（2）用Multisim進行電路仿真（3）撰寫設(shè)計說明書二、設(shè)計原始資料Multisim仿真軟件、課件、芯片資料。三、要求的設(shè)計成果（課程設(shè)計說明書、設(shè)計實物、圖紙等）課程設(shè)計說明書、仿真電路圖。四、進程安排周1 講解整個設(shè)計要實

3、現(xiàn)的功能，查閱相關(guān)資料，畫出整體電路； 周2、3進行仿真并調(diào)試；周4撰寫課程設(shè)計任務(wù)書；周5課程設(shè)計答辯并提交設(shè)計說明書。五、主要參考資料1 付家才電子工程實踐技術(shù)北京：北京工業(yè)出版社，20032 畢滿清電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計北京：機械工業(yè)出版社，20013 閻石主編數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）北京：高等教育出版社，20094 丁潤濤主編電子工程手冊北京：機械工業(yè)出版社，1995指導(dǎo)教師（簽名）：教研室主任（簽名）：課程設(shè)計成績評定表出勤情況出勤天數(shù) 缺勤天數(shù)成績評定出勤情況及設(shè)計過程表現(xiàn)（20分）課設(shè)答辯（20分）設(shè)計成果（60分）總成績（100分）提問（答辯）問題情況5、7805與7905有

4、什么區(qū)別？9、74LS164是什么器件，在本設(shè)計中它處于什么工作狀態(tài)？13、555定時器在本設(shè)計中是什么工作狀態(tài)，放電通路由哪些元件構(gòu)成？22、 TTL系列芯片所需電源電壓為多少伏？綜合評定 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目錄1 引言12 交通燈設(shè)計內(nèi)容22.1 工作方式22.2 控制特點23 總體設(shè)計33.1 單元電路設(shè)計33.1.1 系統(tǒng)電源33.1.2 秒脈沖產(chǎn)生電路43.1.3十二進制計數(shù)器53.1.4分頻器電路的設(shè)計53.1.5 信號燈驅(qū)動電路73.1.6白天夜間模式切換的設(shè)計73.1.7交通燈邏輯控制電路83.2仿真調(diào)試104 設(shè)計總結(jié)14附錄116電子課程設(shè)計說明書1 引言電子技術(shù)是

5、根據(jù)電子學(xué)的原理運用電子器件設(shè)計和制造某種特定功能的電路以解決實際問題的科學(xué),包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大部分。隨著時代的進步其獲得了長足的提發(fā)展，在生活中被應(yīng)用的越來越廣泛。目前隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市極度膨脹，人們生活水平的提高，私家車越來越多已成為不爭的事實。然而路網(wǎng)建設(shè)并沒有隨著機動車保有量的增加而增加。城市道路堵塞日趨加重，交通事故頻繁。城市交通越來越成為一個廣泛性的問題，如何能夠更好的應(yīng)用當(dāng)前科技成果造福人類業(yè)已成為熱門話題。一個擁有活力的城市離不開各種系統(tǒng)，而城市交通控制系統(tǒng)是現(xiàn)代城市智能交通系統(tǒng)的重要組成之一。城市平交路口實現(xiàn)交通信號控制是城市交通管理現(xiàn)代化的基本標(biāo)志之一，是

6、提高交通管理效能的重要技術(shù)手段。路口信號控制器是控制交叉路口交通信號的設(shè)備，它是交通信號控制的重要組成部分。各種交通控制方案，最終都要由路口信號控制器來實現(xiàn)。為了確保十字路口的行人和車輛順利、暢通地通過,往往采用電子控制的交通信號來進行指揮。Multisim10它是美國NI公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬、數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。在搭建實際電路之前，采用Multisim10仿真軟件進行虛擬測試，可使實驗方法和實驗手段現(xiàn)代化，擴展實驗容量，使實驗內(nèi)容更完備，提高了實驗效率，節(jié)省大量的實驗資源

7、。有了Multisim10軟件，就相當(dāng)于擁有了一個設(shè)備齊全的實驗室，可以非常方便的從事電路設(shè)計、仿真、分析工作。由Multisim10軟件設(shè)計的交通信號燈控制電路系統(tǒng)由控制器、四分頻器、定時器、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(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源，555定時器輸出脈沖信號，控制電路控制定時器的工作，驅(qū)動電路驅(qū)動六只三色LED工作。此可見本次電子技術(shù)課程設(shè)計能夠帶領(lǐng)我們深入的了解交通信號燈的應(yīng)用原理，更好的掌握所學(xué)知識，在實際操作中培養(yǎng)自己的實際動手能力，將理論應(yīng)用于實際生活中。進一步提高個人對電子技術(shù)的理解運用。 17 2 交通燈設(shè)計內(nèi)容2.1 工作方式設(shè)計交通信

8、號控制燈要求白天的工作方式是：某方向綠燈點亮20秒，然后黃燈點亮4秒，最后紅燈點亮24秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮，如此循環(huán)。如圖2-1：南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮 5t南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮 1t南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮 5t南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮 1t圖2-1 信號指示燈白天點亮流程圖夜晚的工作方式是：南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其他燈不亮。設(shè)置一個手動開關(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。2.2 控制特點從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的。因此采用組合邏輯設(shè)計。組合邏輯電路：將十二進制計數(shù)器作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸

9、出去驅(qū)動?xùn)|西和南北兩個方向的信號燈的點亮?？偟脑O(shè)計框圖如圖2-2：東西信號燈南北信號燈組合邏輯電路十二進制計數(shù)器四分頻器秒脈沖產(chǎn)生電路系統(tǒng)電源工作方式控制開關(guān)圖2-2 整體電路設(shè)計框圖3 總體設(shè)計3.1 單元電路設(shè)計3.1.1 系統(tǒng)電源本次課設(shè)設(shè)計的交通信號燈控制電路需要使用穩(wěn)定的5V直流穩(wěn)壓電源來驅(qū)動各芯片使電路其正常工作。因此需要設(shè)計輸出為5V的直流穩(wěn)壓電源。通過變壓器將市電降壓到交流9V，在通過整流橋整流濾波和穩(wěn)壓塊7805得到直流5V電壓。直流穩(wěn)壓電源的任務(wù)是為整體電路提供直流電源。故穩(wěn)壓電源電路的輸出電壓值和輸出電流值應(yīng)滿足整體電路的需要。直流穩(wěn)壓電源包括變壓器降壓、二極管或整流橋整

10、流、電容濾波、集成穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓四部分。仿真圖如圖3-1所示圖3-1 直流穩(wěn)壓電源仿真圖在Multisim中進行仿真電壓示數(shù)如圖3-2圖3-2 仿真電壓表示數(shù) 如圖3-2所示通過變壓器將市電降壓到交流8.718V，在通過整流橋整流濾波和穩(wěn)壓塊7805得到直流5.015V電壓，在允許范圍與要求相符。3.1.2 秒脈沖產(chǎn)生電路由于黃燈點亮?xí)r按秒閃動以及時間顯示按秒倒計時，所以需要設(shè)計秒脈沖產(chǎn)生電路。秒脈沖產(chǎn)生電路實際就是一個多諧振蕩電路，它可以是用門電路和電阻、電容組成的多諧振蕩電路，也可以是用定時器555和電阻、電容組成的多諧振蕩器。為了電路簡單和調(diào)節(jié)振蕩周期方便，選擇用555定時器組成多諧振蕩器

11、。其中由555構(gòu)成本次課設(shè)的1秒脈沖電路如圖3-3所示：圖3-3 用555定時器組成多諧振蕩器振蕩周期與頻率的計算公式為：T=(R1+2R2)Cln2=0.7×(R1+2R2)C,電源電壓為V=5V，其中電路圖中C2的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響，一般選用10nF的瓷片電容。設(shè)計要求T=1S，選C1=1uF,R1=360k，由于系統(tǒng)誤差選擇電阻R2=410k。 在Multisim中進行仿真得圖3-4：圖 3-4 輸入脈沖仿真波形由圖可得T=1.005s，與要求相符。3.1.3十二進制計數(shù)器 由信號燈白天點亮流程圖可以得知，任何方向的信號燈的一個工作循環(huán)為十二進制（綠、黃、紅時間

12、比例為5：1：6），因此需要設(shè)計十二進制計數(shù)器，循環(huán)工作控制白天信號燈的點亮。因此，用移位寄存器組成十二進制計數(shù)器，擬選用8位串入并出移位寄存器74LS164。仿真電路如圖3-5所示圖3-5 12進制扭環(huán)形計數(shù)器3.1.4分頻器電路的設(shè)計上述十二進制計數(shù)器的時間單位為4秒，即它的CP脈沖為4秒。為了使整體電路工作步調(diào)一致，4秒脈沖應(yīng)該利用秒脈沖經(jīng)分頻獲得，這就需要設(shè)計一個4分頻器電路。秒脈沖經(jīng)4分頻后得到4秒脈沖，將其作為十二進制計數(shù)器的CP脈沖。本次課程設(shè)計使用兩個D觸發(fā)器組成4分頻器電路。其仿真電路如圖3-6所示圖3-6 分頻器電路仿真74LS74是內(nèi)有兩個D觸發(fā)器的TTL集成電路，將每一

13、觸發(fā)器接成觸發(fā)器，兩級串聯(lián)就實現(xiàn)4分頻，即輸入1s脈沖，輸出4s脈沖。其在Multisim中進行仿如圖3-7所示：圖 3-7 4秒脈沖仿真從圖中可以看出由555定時器組成的多諧振蕩器將1S脈沖輸送給2分頻D觸發(fā)器，兩級串聯(lián)就實現(xiàn)4分頻，即輸入1s脈沖，輸出4s脈沖。由示波器得T=4.032s，這與要求相符。3.1.5 信號燈驅(qū)動電路本次課程設(shè)計選擇使用基本共射放大電路對發(fā)光二極管進行驅(qū)動，使其點亮。設(shè)計電路如圖3-8所示圖3-8 發(fā)光二極管仿真電路對此基本共射放大電路進行設(shè)計幾參數(shù)的選擇：電源電壓：VCC=5V；集電極直流負載電阻Rc的計算與確定：電路的直流輸出回路電壓方程為：UCE=VCC-

14、ICR1-ULED，發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓大概是0.7V左右，一般發(fā)光管的驅(qū)動電流取10mA20mA，大功率率發(fā)光二極管可以到300mA（1W）600mA（2A)。此次課設(shè)所用的二極管電流為10mA20mA，則選取UCE=0.30.5V，根據(jù)電路的直流輸出回路電壓方程計算得：R1=220，其功率：WRc=R1URc=220×20mA=4.4mW則選取R1=220的電阻即可。R2的阻值計算與確定：IBQ=ICQ/=20/80=0.25mA，確定R2VCC/IBQ=5k為統(tǒng)一選取，則R2取R2=5k電阻。3.1.6白天夜間模式切換的設(shè)計本次課設(shè)中還有夜晚工作的狀態(tài)，在電路中設(shè)計了一手動夜晚

15、，白天的開關(guān)，在實際生產(chǎn)中可用自動開關(guān)。由經(jīng)過修改之后的組合邏輯電路輸出與輸入的表達式可以看出，白天與夜間模式的轉(zhuǎn)換由74LS164的RD引腳控制。當(dāng)RD=0時為白天工作模式，RD=1時為夜晚工作模式。3.1.7交通燈邏輯控制電路邏輯控制電路是本設(shè)計的核心電路，由它控制交通信號燈按要求方式點亮(一般經(jīng)驅(qū)動電路去控制信號燈)。根據(jù)白天信號燈的點亮要求，將時序邏輯電路的輸出作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出給信號燈的驅(qū)動電路。夜晚工作方式也需要組合邏輯電路的功能以及秒脈沖通過與門實現(xiàn)。組合邏輯電路的真值表如表3-9所示：表3-9 組合邏輯電路真值表根據(jù)上圖真值表寫出組合邏輯電路輸出與輸入

16、的表達式，經(jīng)化簡得： 由上述表達式可以看出，組合邏輯電路用到兩個非門，四個兩輸入與門。因此非門選用TTL集成門74LS04，與門選用TTL集成門74LS08。當(dāng)然，以上僅是考慮白天工作方式時的情況。下面將介紹白天和夜間綜合考慮的情況，綜合考慮后，表達式需要修改，則門電路也需要作響應(yīng)的修改。黃燈點亮的按秒閃動，將在下面考慮。白天和夜間綜合考慮組合邏輯電路表達式和門電路的修改按設(shè)計要求，夜間僅有南北和東西方向的黃燈點亮，而其它燈熄滅。為此，在夜間應(yīng)使74LS164停止循環(huán)工作，即通過開關(guān)將74LS164的接地，使74LS164的所有Q端全部清零。白天為高電平，74LS164循環(huán)工作。由74LS16

17、4 組成的12進制扭環(huán)形計數(shù)器電路中的開關(guān)就是白天、夜間控制開關(guān)。在夜間由于使所有的74LS164的Q端清零，因此會出現(xiàn)以下問題：(1) ，由于夜間Q端均為低電平，則NSG為高電平，即南北綠燈點亮，顯然這是不允許的，所以NSG的表達式需要修改；(2) ，由于夜間Q端均為低電平，則EWR為高電平，即東西紅燈點亮，顯然這是不允許的，所以EWR的表達式需要修改；(3) 由于夜間 、均為低電平時，則NSY、EWY為低電平，即南北和東西方向的黃燈不能點亮，顯然這是不允許的，所以NSY、EWY的表達式需要修改。上述三個問題不符合信號燈的點亮要求。解決辦法如下：(1) 在夜間由于,將原兩輸入與門改為三輸入與

18、門。那么在夜間由于，則，即夜間南北綠燈不點亮；在白天由于，則即南北綠燈按白天工作方式點亮(2) 在夜間由于,的解決方法：令，即將EWR與之間的連線改為額兩輸入的與門。那么，在夜間由于，則，即夜間東西紅燈不亮；而在白天，則，即東西方向紅燈按白天工作方式點亮。雖然，在夜間由于，則，即南北紅燈不亮。但為了對稱也將其修改為。(3)在夜間由于，則必須使均為0。經(jīng)過修改之后的組合邏輯電路輸出與輸入的表達式為： 在此次邏輯電路的設(shè)計過程中用到的芯片有：74LS04，74LS08，74LS32，74LS11。74LS04為六組一輸入與門；74LS08為四組二輸入與門；74LS32為四組二輸入或門；74LS11

19、為三組三輸入或門。各個芯片的驅(qū)動電壓均為+5V。根據(jù)各芯片外部引腳不，選擇合適位置的引腳，連接電路。其邏輯控制原理電路如圖3-10所示：圖3-10 邏輯控制設(shè)計電路3.2仿真調(diào)試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LED紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。圖3-11 東西方向紅燈亮南北方向綠燈亮圖3-12 東西方向綠燈亮南北方向紅燈亮圖3-13 東西方向紅燈亮南北方向黃燈亮圖3-14 東西方向黃燈亮南北方向紅燈亮夜間工作方式南北東西各方向黃燈亮，且每

20、秒閃動一次，其它燈不亮，如圖3-13。設(shè)置一個手動開關(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。圖3-15 交通燈夜晚工作圖圖3-16、3-17是用4蹤示波器對紅燈（第一根線）、綠燈（第二根線）、4分頻器（第三根線）、555定時器組成的多諧振蕩器（第四根線）進行的仿真圖，從圖中可以看出4分頻器的周期是555定時器組成的多諧振蕩器周期的4倍。圖 3-16 白天模式仿真圖 3-17 晚上模式仿真4 設(shè)計總結(jié)通過這一周的電子課程設(shè)計，加強了我們思考和解決問題的能力，并且鞏固了所學(xué)的電學(xué)知識，對于電學(xué)有了更加深刻的認識。在老師和同學(xué)的幫助下使我又有新的提高。課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強，經(jīng)過這一周的努力，在老師和同學(xué)的幫助下，我完成了設(shè)計任務(wù)。通過這次課程設(shè)計，不僅使我的知識更加