交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)與仿真

唐山學(xué)院《數(shù)字電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)題目交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)與仿真系(部)信息工程系班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師年月日至月日共1年月日《數(shù)字電子技術(shù)》 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目、內(nèi)容及要求設(shè)計(jì)題目：《交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)與仿真》設(shè)計(jì)內(nèi)容：1.信號(hào)燈白天工作要求某方向綠燈點(diǎn)亮20秒，然后黃燈點(diǎn)亮4秒，最后紅燈點(diǎn)亮24秒。在該方向?yàn)榫G燈和黃燈點(diǎn)亮期間，另一方向紅燈點(diǎn)亮。如果以4秒作為時(shí)間計(jì)量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點(diǎn)亮的時(shí)間比例為5：1：6。從點(diǎn)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；南北方向黃亮。信號(hào)燈采用LED2.夜間工作方式南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動(dòng)一次。其它燈不亮。要求設(shè)置一個(gè)手動(dòng)開(kāi)關(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。設(shè)計(jì)要求：要求根據(jù)設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)交通燈的現(xiàn)實(shí)功能；用Multisim最后要有設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；二、設(shè)計(jì)原始資料電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)、三極管、二極管，芯片、電容、電阻三、要求的設(shè)計(jì)成果（課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、設(shè)計(jì)實(shí)物、圖紙等）課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、仿真結(jié)果四、進(jìn)程安排周1講解整個(gè)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能，查閱相關(guān)資料，畫(huà)出整體電路；周2、3進(jìn)行仿真并調(diào)試；周4撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)周5課程設(shè)計(jì)答辯并交設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)五、主要參考資料閻石主編．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版2009指導(dǎo)教師（簽名： 教研室主任（簽名：課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表出勤 出勤天數(shù)情況 缺勤天數(shù)出勤情況及設(shè)計(jì)過(guò)程表現(xiàn)）成績(jī) 課設(shè)答辯（20分）評(píng) 設(shè)計(jì)成果（60分定總成績(jī)（100）提問(wèn)（答辯問(wèn)題情況綜合評(píng)定指導(dǎo)教師簽名：年 月 日目錄1引言 13MULTISIM軟件簡(jiǎn)介 2設(shè)計(jì)與仿真 4總體設(shè)計(jì)思想 4單元模塊 6時(shí)序仿真圖 9設(shè)計(jì)總結(jié) 13參考文獻(xiàn) 14附錄 15唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1引言計(jì)就是交通信號(hào)燈控制電路，保證車輛與人員的順利通過(guò)。自從交通燈誕生以來(lái)，其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)就不斷的被改進(jìn)，設(shè)計(jì)方法也開(kāi)始多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化。尤其是近幾年來(lái)，隨著電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路分析和設(shè)計(jì)方法有了很大的改進(jìn)，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化也已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不可缺少的工具和手段，這些為交通燈控制電路的設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。交通燈控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)城市交叉路口紅綠燈的控制。在現(xiàn)代化的大城市業(yè)工作奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。故本次設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制電路，有以下兩個(gè)功能：白天工作模式20424秒。在該方向?yàn)榫G燈45：1：6。從點(diǎn)亮要求可以看出，有些輸出是并行LED紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。夜間工作模式南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動(dòng)一次。其它燈不亮。要求設(shè)置一個(gè)手動(dòng)開(kāi)關(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。1唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2Multisim軟件簡(jiǎn)介Multisim10NI公司推出的以Windows的模擬、數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。有了 Multisim 軟件，就相當(dāng)于擁了一個(gè)設(shè)備齊全的實(shí)驗(yàn)室，可以非常方便的從事電路設(shè)計(jì)、仿真、分析工作。NIMultisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借 NIMultisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級(jí) SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NILabVIEW和SignalExpress 軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。NIMultisim軟件是一個(gè)專門用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的 EDA工具軟件作Windows 下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，NIMultisim 是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。NIMultisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問(wèn)題?？梢院芊奖愕匕褎倓倢W(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。 NIMultisim軟件絕對(duì)是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具。的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來(lái)，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)儀器上看到的。豐富的元器件，提供了世界主流元件提供商的超過(guò)17000能方便的對(duì)元件各種參數(shù)進(jìn)行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能，創(chuàng)建自己的元器件。強(qiáng)大的仿真能力，以 SPICE3F5 和Xspice 的內(nèi)核作為仿真的引擎，通Electronic workbench 帶有的增強(qiáng)設(shè)計(jì)功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進(jìn)行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ堋ＸS富的測(cè)試儀器，提供了22種虛擬儀器進(jìn)行電路動(dòng)作的測(cè)量。的射頻(RF)模塊，提供基本射頻電路的設(shè)計(jì)、分析和仿真。射頻模塊RF-specific（射頻特殊元件，包括自定義的RFSPICE模型、用于創(chuàng)建用戶自定義的RF模型的模型生成器、兩個(gè)RF-specific 儀（SpectrumAnalyzer 頻譜分析儀和NetworkAnalyzer 網(wǎng)絡(luò)分析儀、一些RF-specific 分析（電路特性、匹配網(wǎng)絡(luò)單元、噪聲系數(shù)）等組成。強(qiáng)大的MCU模塊，支持4種類型的單片機(jī)芯片,支持對(duì)外部RAMROM、鍵盤和LCD等外圍設(shè)備的仿真，分別對(duì)4種類型芯片提供匯編和編譯支2唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)持；所建項(xiàng)目支持C代碼、匯編代碼以及16進(jìn)制代碼,并兼容第三方工具源代碼包含設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行、查看和編輯內(nèi)部 RAM、特殊功能寄存器等高級(jí)調(diào)試功能。運(yùn)算、指數(shù)運(yùn)行、對(duì)數(shù)運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)算、向量運(yùn)算和邏輯運(yùn)算等。詳細(xì)的報(bào)告，能夠呈現(xiàn)材料清單、元件詳細(xì)報(bào)告、網(wǎng)絡(luò)報(bào)表、原理圖統(tǒng)報(bào)告、多余門電路報(bào)告、模型數(shù)據(jù)報(bào)告、交叉報(bào)表 7種報(bào)告?？梢暂敵鲈韴D到PCB布線。3唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3設(shè)計(jì)與仿真總體設(shè)計(jì)204秒，最244秒5：1：6。從LED紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。夜間時(shí)南北東3-1所示:東西信號(hào)燈東西信號(hào)燈南北信號(hào)燈組合邏輯電路系統(tǒng)電源十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作方式控制開(kāi)關(guān)四分頻器秒脈沖產(chǎn)生回路圖3-1交通燈整體電路框圖1白天模式圖中設(shè)南北方向的紅、黃、綠燈分別為NSRNSYNSG，東西方向的紅、黃、綠EWREWYEWG。它們的工作方式，有些必須是并行進(jìn)行的，即南北方向3-2所示:4唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)南北向綠燈亮，東西向紅燈亮—占5t南北向黃燈亮，東西向紅燈亮—占南北向綠燈亮，東西向紅燈亮—占5t南北向黃燈亮，東西向紅燈亮—占1t南北向紅燈亮，東西向綠燈亮—占5t南北向紅燈亮，東西向黃燈亮—占1t圖3-2交通燈順序工作流程圖如要滿足兩個(gè)方向的工作時(shí)序：即東西方向亮紅燈時(shí)間應(yīng)等于南北方向亮黃、綠燈時(shí)間之和，南北方向亮紅燈時(shí)間應(yīng)等于東西方向亮黃、綠燈時(shí)間之和。時(shí)序工作波形圖見(jiàn)圖3-3所示：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 1 2 3 4 5 6tNSGNSYNSGNSYNSREWREWGEWY5tt6t2夜間模式

圖3-3時(shí)序工作波形圖這可用一選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行。置開(kāi)關(guān)在手動(dòng)位置，輸入單次脈沖，可使交通燈在某一位置上，開(kāi)關(guān)在自動(dòng)位置時(shí)，則交通信號(hào)燈按自動(dòng)循環(huán)工作方式運(yùn)行。夜間時(shí)，將夜間開(kāi)關(guān)接通，黃燈閃亮。1Hz5v4分頻（D觸發(fā)器構(gòu)成）4Hz3-4所示：5唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)圖3-4交通信號(hào)燈控制器參考電路單元模塊直流穩(wěn)壓電源作為一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng),5V5V的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源包括變壓器降壓、二極管（或整流橋）整流、電容濾波、集成穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓四部分。9031驅(qū)動(dòng)，其額定電流與額定電壓應(yīng)滿足三級(jí)管的驅(qū)動(dòng)能力，5V，通過(guò)變壓器將市電降壓到交流9V6唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)78055V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。5V220V

3300ufuf

7805RL555

圖3-5直流穩(wěn)壓源電路由于黃燈點(diǎn)亮?xí)r按秒閃動(dòng)以及時(shí)間顯示按秒倒計(jì)時(shí)，所以需要設(shè)計(jì)秒脈沖產(chǎn)生電555和電阻、電容組成的多諧振蕩器。為了電路簡(jiǎn)5553-6所示：3-6555RC交通燈控制器邏輯控制電路是本設(shè)計(jì)的核心電路，由它控制交通信號(hào)燈按要求方式點(diǎn)亮(一般經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去控制信號(hào)燈)。根據(jù)白天信號(hào)燈的點(diǎn)亮要求，將時(shí)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(hào)燈的驅(qū)動(dòng)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(guò)與門實(shí)現(xiàn)。由信號(hào)燈白天點(diǎn)亮流程圖可以得知，任何方向的信號(hào)燈的一個(gè)工作循環(huán)為十二進(jìn)制（綠、黃、紅時(shí)間比例為516，因此需要設(shè)計(jì)十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，循環(huán)工作控制白天7唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)信號(hào)燈的點(diǎn)亮。874LS164123-7，3-8所示：圖3-774LS74管腳3-874LS16412A、B:串行輸入端。當(dāng)兩個(gè)輸入端任何一個(gè)或兩個(gè)為低電平時(shí)禁止新數(shù)據(jù)輸入，并在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿輸出移位，并將第一級(jí)（QA

）置為低電平。當(dāng)兩個(gè)均為高電平時(shí)，在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿輸出移位，并將第一級(jí)（QA該12進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能表為表3-1所示：

）置為高電平。表3-112進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能表清零輸時(shí)鐘入串入輸出RD’CPA BQAQB QCQDQEQF QGQHL×××L L LLLL LLH L ××H ↑ H HH ↑ L×H ↑ ×

QAO QBO QCO QDO QEO QFO QGO HQAn QAn QBnQCnQDnQEnQFnQGnQAn QBnQCnQDnQEnQFnQGnQAn QBnQCnQDnQEnQFnQGn計(jì)數(shù)器可以用單觸發(fā)器組成，也可以用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器。這里我們選用中規(guī)模74LS164八位移位寄存器組成扭環(huán)形12進(jìn)制計(jì)數(shù)器。故扭環(huán)形計(jì)數(shù)器的真值表如表3-28唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)所示：表3-2組合邏輯電路的真值表表3-2組合邏輯電路的真值表計(jì)數(shù)器輸出 南北信號(hào) 東西信號(hào)QQQQQQNSG NSYNSREWGEWYEWRA00B0CD0E0F01 000011000001 000011100001 000011110001 000011111001 000011111100 100011111110 011000111110 011000011110 011000001110 011000000110 011000000010 010100000001 00001秒脈沖和分頻器4CP4秒。為了使整體電路444CP脈沖。本次課程設(shè)計(jì)D43-9所示：551656~U14B74LS74N61~~4P13L12~1C PL~4131~21圖3-9四分頻的電路邏輯圖時(shí)序仿真圖直流穩(wěn)壓電源仿真直流穩(wěn)壓電源仿真圖如圖3-10所示：9唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3-10仿真電源部分時(shí)，需要通過(guò)變壓器將市電降壓到交流9V，再通過(guò)整流橋整流濾波和穩(wěn)壓塊7805得到直流5V電壓。仿真之后具體情況如圖3-11所示：555

圖3-11變壓器副邊電壓及穩(wěn)壓后電源電壓3-12中

的作用是防止電磁干擾對(duì)電路的影響，一般選用0.01uF的瓷片電容。1C T=1S.2圖3-12555定時(shí)器仿真圖10唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)秒脈沖與分頻器仿真波形圖仿真后波形如圖3-13所示：圖3-13秒脈沖與分頻器仿真波形圖由圖可以看出秒脈沖與分頻器周期之間關(guān)系是：1:4。分頻器與紅黃綠燈采用四蹤示波器的仿真圖仿真后分頻器、紅黃綠燈的波形如圖3-14所示：圖3-14白天模式分頻器與紅黃綠燈波形其中波形由上到下分別代表：分頻器輸出波形紅燈波形綠燈波形11唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)黃燈變形整體仿真電路圖白天模式仿真電路圖如圖3-15所示：圖3-15白天模式仿真電路圖LED2020秒，然后東西紅燈44秒，接著東西綠燈202044秒，返回第一步。夜間模式仿真電路圖如圖3-16所示：圖3-16夜間模式仿真電路圖1SCP脈沖閃爍。12唐ft學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)4設(shè)計(jì)總結(jié)本次課設(shè)中遇到了好多問(wèn)題，例如信號(hào)燈只有個(gè)別工作，將電路放大，用萬(wàn)用表檢查后，發(fā)現(xiàn)三極管和電阻之間沒(méi)有真正連接。電路產(chǎn)生的1Hz脈沖過(guò)快，調(diào)整了電阻的大小后恢復(fù)正常等。在對(duì)電源和555定時(shí)器的調(diào)試中也摸索出了一些規(guī)律和方法，可調(diào)節(jié)變壓器、電容和電阻等來(lái)解決這些問(wèn)題。設(shè)計(jì)理念，為了正