交通燈控制邏輯電路設計

1、PAGE 數字電子技術 課 程 設 計 題 目 交通燈控制邏輯電路設計 系 (部) 信息工程系 班 級 11通信1班 姓 名 學 號 指導教師 2013 年 7 月 1 日至 7 2013年 7課程設計成績評定表出勤情況出勤天數 缺勤天數成績評定出勤情況及設計過程表現（20分）課設答辯（20分）說明書（20分）設計成果（40分）總成績（100分）提問（答辯）問題情況綜合評定 指導教師簽名： 年 月 日課程設計說明書PAGE 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc360786228 1 引言 PAGEREF _Toc360786228 h 1 HYPERLINK

2、l _Toc360786229 1.1 功能要求 PAGEREF _Toc360786229 h 1 HYPERLINK l _Toc360786230 1.2總體方案設計 PAGEREF _Toc360786230 h 1 HYPERLINK l _Toc360786231 2 設計原理 PAGEREF _Toc360786231 h 2 HYPERLINK l _Toc360786232 2.1 白天工作模式 PAGEREF _Toc360786232 h 2 HYPERLINK l _Toc360786233 2.2 夜晚工作模式和總設計圖 PAGEREF _Toc360786233 h

3、 2 HYPERLINK l _Toc360786234 3 總體設計 PAGEREF _Toc360786234 h 3 HYPERLINK l _Toc360786235 3.1 單元電路 PAGEREF _Toc360786235 h 3 HYPERLINK l _Toc360786236 3.1.1 秒脈沖產生電路 PAGEREF _Toc360786236 h 3 HYPERLINK l _Toc360786237 3.1.2 信號燈轉化器 PAGEREF _Toc360786237 h 4 HYPERLINK l _Toc360786238 3.1.3 JK觸發(fā)器 PAGEREF

4、_Toc360786238 h 5 HYPERLINK l _Toc360786239 3.1.4 倒計時計數器 PAGEREF _Toc360786239 h 6 HYPERLINK l _Toc360786240 3.1.5 倒計時計數器與信號燈轉化器的連接 PAGEREF _Toc360786240 h 7 HYPERLINK l _Toc360786241 3.1.6 黃燈閃爍控制 PAGEREF _Toc360786241 h 8 HYPERLINK l _Toc360786242 3.1.7 白天夜間模式的轉換 PAGEREF _Toc360786242 h 9 HYPERLINK

5、 l _Toc360786243 3.2 時序仿真結果 PAGEREF _Toc360786243 h 9 HYPERLINK l _Toc360786244 3.2.1 白天工作模式 PAGEREF _Toc360786244 h 9 HYPERLINK l _Toc360786245 3.2.2 夜間工作模式 PAGEREF _Toc360786245 h 10 HYPERLINK l _Toc360786246 4 仿真軟件簡介 PAGEREF _Toc360786246 h 12 HYPERLINK l _Toc360786247 5 設計總結 PAGEREF _Toc36078624

6、7 h 13 HYPERLINK l _Toc360786248 6 參考文獻 PAGEREF _Toc360786248 h 14 HYPERLINK l _Toc360786249 7 附錄 PAGEREF _Toc360786249 h 15 PAGE 161 引言城市十字交叉路口為確保車輛、行人安全有序地通過，都設有指揮信號燈。交通信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力、減少交通事故有明顯效果。因此如何采用合適的方法，使交通信號燈的控制與交通疏導有機結合，最大限度緩解主干道與匝道、城市同周邊地區(qū)的交通擁堵情況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門以待解決的

7、主要問題。以下就一個簡單的交通燈控制系統的電路原理、設計和仿真測試等問題來進行具體分析。1.1 功能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行工作，黃燈亮時應為閃爍狀態(tài)；1)南北和東西車輛交替進行，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)十字路口要有數字顯示作為時間提示，以倒計時按照時序要求進行顯示；4)可以手動調整和自動控制，夜間為黃燈閃耀狀態(tài)(選作：通行時間和黃燈閃亮時間可以在0-99秒內任意設定)1.2總體方案設計 G Y G Y R白天工作模式夜間工作模式 G 夜間工作模式 G Y R 信號燈轉換器倒計時計數器秒脈沖

8、發(fā)生器圖1-1 交通信號燈的邏輯框圖2 設計原理南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，各20秒。南北方向黃燈閃亮4秒，東西方向紅燈亮4秒。南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮，各20秒。南北方向紅燈亮4秒，東西方向黃燈閃亮4秒。2.1 白天工作模式南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，各20秒。南北方向黃燈閃亮4秒，東西方向紅燈亮4秒。南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮，各20秒。南北方向紅燈亮4秒，東西方向黃燈閃亮4秒。圖2-1 信號指示燈白天工作流程圖2.2 夜晚工作模式和總設計圖 南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其他燈不亮。因此總設計圖如下圖所示：東西信號燈東西信號燈南北信號燈組合邏輯電路計數器分頻器秒

9、脈沖產生電路系統電源工作方式控制開關圖2-2 總設計圖3 總體設計3.1 單元電路3.1.1 秒脈沖產生電路秒脈沖產生電路的功能是產生標準秒脈沖信號，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)定度和頻率的進度決定了計時器的準確度，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，故在設計時，一定根據需要設計出最佳電路。石英晶體振蕩器具有頻率準確、振蕩穩(wěn)定、溫度系數小的特點，但如果精度要求不高的時候可以采用555構成的多諧振蕩器。振蕩周期與頻率的計算公式為：T=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2

10、)C,電源電壓為Vcc=12V，其中電路圖中C1的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響，課程設計中要求輸出T=1S，選取電容為C=10nF，R1=28.86M，根據振蕩周期計算，選擇電阻R2=57.72M。用multisim進行仿真，仿真圖如圖所示：圖3-1 555構成的多諧振蕩器此電路就可以產生脈沖頻率為1赫茲的脈沖。以下對555定時器進行簡介：NE555是一種應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，在很多電子產品中都有應用。NE555圖3-2 555定時器內部邏輯電路3.1.2 信號燈轉化器信號燈狀態(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

11、，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。 實現信號燈的轉換有多種方法，現采用比較典型的方法進行設計，實現信號燈的轉換工作。若選用JK觸發(fā)器，則原理如下。3.

12、1.3 JK觸發(fā)器設狀態(tài)編碼為S0=00,S1=01,S2=11,S3=10,其輸出為Q1，Q2，則其與信號燈狀態(tài)關系如表31所示。表3-1狀態(tài)編碼與信號燈關系表現態(tài)次態(tài)輸出Q0 Q1 0 0 0 1 1 1 1 0Q0* Q1* 0 1 1 1 1 0 0 0GA YA RA GB YB RB 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0可以得出信號燈狀態(tài)的邏輯表達式： GA =Q1Q0 YA =Q1 GB =Q1Q0 YB =Q1Q0 RB=QJK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的現態(tài)與觸發(fā)器1的次態(tài)相同

13、，觸發(fā)器1的現態(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：圖3-3 JK觸發(fā)器連接的電路圖3.1.4 倒計時計數器十字路口要有數字顯示作為倒計時提示，以便人們更直觀的把握時間。具體工作方式為：當某方向綠燈亮時，置顯示器為某值，然后以每秒減1，計數方式工作，直至減到數位“4”和“0 倒計時顯示采用七段數碼管作為顯示，它由計數器驅動并顯示計數器的輸出值。 根據要求，采用兩片74190芯片構成計數器，因為74190是十進制同步

14、可逆計數器，它具有異步并行置數功能、保持功能。采用兩片74190芯片可設計成0099的百進制計數器，再根據線路連接的改變將其連接成24進制計數器。 74190沒有專用的清零輸入端，但可以借助QD、QC、 QB、 QA的輸出數據間接實現清零功能。其功能表如下圖所示：表3-2 74190的功能表CTEN D/U CLK LOADA B C D QA QB QC QD 0 A B C D 0 1 1 減計數 0 0 1 加計數 1 1 0 0 0 0 要實現24s的倒計時，需選用兩個74190芯片級聯成一個從99到00的計數器，其中作為個位數的74190芯片的CLK接秒脈沖發(fā)生器，再把個位數7419

15、0芯片輸出端QD用一個與門連起來，再接在十位數74190芯片的CLK端。當個位數減到0時，再減1就會變成9，0（0000）和9（1001）之間的QA 、QD同時由0變?yōu)?，把QA 、QD起來接在十位數74190芯片的CLK端，此時會給十位數74190芯片一個脈沖數字減1，相當于借位。則又74190芯片的功能性質可知，當個位數74190的C管腳和十位數74190的B管腳同時置1，CTEN端接低電頻，加/減計數控制端D/U接高電頻實現減計數，預置端LOAD接高電頻時計數，接低電頻時預置數。因此，工作開始時，LOAD為0，計數器預置數，置完數后，LOAD變?yōu)?，計數器開始倒計時，當倒計時減為00時，

16、LOAD又變?yōu)?，計數器又預置數，如此循環(huán)下去。則連接后的電路如下圖所示：圖3-4 倒計時計數器電路3.1.5 倒計時計數器與信號燈轉化器的連接倒計時計數器向信號燈轉換器提供定時信號T4和定時信號T0以實現信號燈的轉換。TO表示倒計時減到數“00”時（即綠燈的預置時間，因為到“00”時，計數器重新置數），此時給信號燈轉換器一個脈沖，使信號燈發(fā)生轉換，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“04”時，給信號燈轉換器一個脈沖，使信號燈發(fā)生轉換，綠燈

17、的變?yōu)辄S燈，紅燈不變。接法為：當減到數為“04”（0000 0100）時，把十位計數器的輸出端QA、QB、QC、QD用一個4輸入或非門連起來，個位計數器的輸出端QB、QD用一個兩輸入或非門連起來，再把這兩個或非門與個位計數器的的輸出端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換器的時鐘端。則連接圖如下圖所示： 圖3-5交通燈信號控制器電路圖3.1.6 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。3.1.

18、7 白天夜間模式的轉換根據任務書的要求，要用一個手動開關來控制白天模式與晚上模式的改變。由經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換由單刀雙擲開關與與門或或門控制。當開關接上邊時為白天工作模式，開關接地時為夜晚工作模式。則電路連接如下圖3-5所示： 圖3-6 白天夜間的切換開關在實際生活中，手動開關電路畢竟不方便，因此實際應用中可設計自動開關電路。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光亮度輸出高低電平信號，這個信號經延時電路后（可用單穩(wěn)態(tài)電路實現），作為白天與夜間的自動轉換開關。這

19、樣當天黑以后經一段延時，系統自動轉成夜間工作方式。第二天天量后經一段延時，系統自動轉換成白天工作方式。在本次課程設計中選擇使用手動切換白天與夜晚模式的選擇。3.2 時序仿真結果3.2.1 白天工作模式交通燈從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮時，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不接地。計數器的開關

20、如下圖所示： 圖3-7 置數法的開關連接方法白天的工作狀態(tài)結果如下圖3-7所示：圖3-8 白天工作狀態(tài)3.2.2 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，將設置的手動開關，撥動到接地狀態(tài)。電路圖工作結果如下圖3-7所示： 圖3-9 夜間工作狀態(tài)4 仿真軟件簡介NI Multisim軟件結合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設計流程中提早對電路設計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。

21、與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術的設計流程，從而能夠比較具有模擬數據的實現建模測量。有如下特點：1通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設計電路 ；2通過交互式SPICE仿真, 迅速了解電路行為； 3借助高級電路分析, 理解基本設計特征 ；4通過一個工具鏈, 無縫地集成電路設計和虛擬測試 ；5通過改進、整合設計流程, 減少建模錯誤并縮短研發(fā)時間。5 設計總結通過本次課程設計，使我對數電知識有了更深更廣更深刻的理解和掌握。課設的學習不同于課本的學習，課設是真正要求一個人的思維能力的，課程設計中的每一步沒一個小小的細節(jié)都必須做到準確無誤。這次課程設計更讓我

22、懂得了一個嚴謹的思維是多么的重要。電路的連接，芯片和其它各種器件的放置，電路的檢查，都需要一個人的動手能力，對個人的能力提高很有幫助。時間很緊，這一周又在忙碌中過去了，經過一周的數電課程設計，我從原先看見電路圖就一頭霧水到現在能夠設計復雜的數字鐘電路，并且能夠實現電路的仿真與實物板的制作與調試，之間的巨大變化著實令人吃驚。但是這種進步來之不易，因為這期間我遇到了很多的困難，發(fā)現了很多的問題，正是在解決問題的期間我才慢慢地熟悉了數字電子技術基礎的基礎知識，才慢慢學會了如何去按照給定的要求設計出合適的電路，作出電路的實物并對電路進行調試。本次課程設計主要是運用本學期所學到的數字電子技術基礎知識來設計一個符合要求的數字鐘，本次設計不僅要求我們要掌握數字電子技術基礎課程的基礎知識，還要求我們對數字鐘的各個組成部分的原理，包括振蕩器的原理、計數器的原理、譯碼驅動原理都有深刻的理解和掌握，本次課程設計最重要的是要求我們能夠運用所學的知識將幾種單元電路組合起來，并且