十字路口交通管理控制器的設(shè)計

中北大學信息商務(wù)學院課程設(shè)計任務(wù)書2023/2023學年第一學期系別：電子信息工程專業(yè)：電子信息工程學生姓名：蘇慧敏學號：王曉騰學號：課程設(shè)計題目：十字路口交通管理控制器的設(shè)計起迄日期：2023年1月4日～2023年1月15日課程設(shè)計地點：S401，S301指導教師：龐存鎖教授：王浩全下達任務(wù)書日期:2023年1月4日課程設(shè)計任務(wù)書1．設(shè)計目的：本課程設(shè)計重要針對電子信息科學與技術(shù)專業(yè)課程體系設(shè)立的規(guī)定，安排的一種綜合性的課程設(shè)計。一方面為了培養(yǎng)學生在查閱資料、復習、學習知識的基礎(chǔ)上，進行涉及光、電系統(tǒng)的設(shè)計、計算、仿真、調(diào)試等環(huán)節(jié)的綜合能力培養(yǎng)；另一方面，也是對學生進行畢業(yè)設(shè)計前的一次大型訓練，進一步培養(yǎng)學生獨立分析、解決實際問題的能力。2．設(shè)計內(nèi)容和規(guī)定（涉及原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計規(guī)定等）：在主、支道路的十字路口分別設(shè)立三色燈控制器，紅燈亮嚴禁通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮規(guī)定壓線車輛快速穿越。根據(jù)車流狀況不同，可調(diào)整三色燈點亮或關(guān)閉時間。設(shè)計規(guī)定及技術(shù)指標：(1)主道路綠、黃、紅燈亮的時間分別為60秒、5秒、25秒；次道路綠、黃、紅燈亮的時間分別為20秒、5秒、65秒；(2)主、次道路時間指示采用倒計時制，用2位數(shù)碼管顯示。(3)主、次道路綠、黃、紅燈亮的時間可以預置；主、次道路綠、黃、紅燈亮的時間可以分別調(diào)整；3．設(shè)計工作任務(wù)及工作量的規(guī)定〔涉及課程設(shè)計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等〕：（1）給出完整的設(shè)計方案；（2）計算元件參數(shù)，給出具體計算過程；（3）提供用PROTEL99或DXP設(shè)計的電路原理圖，給出印刷版電路圖；（4）提供用Multisim、MaxplusII、Proteus等軟件對電路的仿真與分析；（5）提供符合規(guī)定規(guī)定的課程設(shè)計說明書；（6）提供參考文獻不少于10篇，且必須是相關(guān)的參考文獻。課程設(shè)計任務(wù)書4．重要參考文獻：[1]陳國順，宋新民，馬峻等.網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)[M],電子工業(yè)出版社，2023.9.[2]龐君，計算機輔助測試的發(fā)展趨勢[J]，攀枝花學院學報，2023.6:83-83.[3]汪敏生等.LabVIEW基礎(chǔ)教程[M].電子工業(yè)出版社，2023.1-20.其他參考文獻，務(wù)必按照國標GB7714-87《文后參考文獻著錄規(guī)則》書寫。5．設(shè)計成果形式及規(guī)定：(1)課程設(shè)計說明書;(2)電路原理圖;(3)仿真結(jié)果。6．工作計劃及進度：2023年1月5日~1月6日：分析課程設(shè)計任務(wù)書，查找資料，擬定初步方案；1月7日~1月9日：論證擬定方案以及核心電路的設(shè)計；1月10日~1月12日：進行具體設(shè)計，電路仿真，分析仿真結(jié)果1月13日~1月14日整理資料，完畢設(shè)計總結(jié)報告（附完整電路圖）1月15日答辯或成績考核系主任審查意見：簽字：年月日目錄摘要......................................................................1一、設(shè)計方案簡介..........................................................1二、設(shè)計條件及重要參數(shù)表..................................................21、脈沖信號發(fā)生.......................................................32、信號燈的轉(zhuǎn)換.......................................................43、計時和顯示電路.....................................................74、時間預置和調(diào)整部分.................................................9三、設(shè)計重要參數(shù)計算.....................................................111、計時器.............................................................112、時間預置和調(diào)整部分.................................................12四、設(shè)計結(jié)果.............................................................121、總電路圖...........................................................122、總體電路的仿真分析.................................................14五、設(shè)計評述及總結(jié)體會...................................................16六、元器件清單...........................................................18七、參考文獻.............................................................19摘要本次課程設(shè)計規(guī)定做一個十字路口交通管理控制器，在主、支道路的十字路口分別設(shè)立三色燈控制器，紅燈亮嚴禁通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮規(guī)定壓線車輛快速穿越，之后根據(jù)車流狀況不同，再調(diào)整三色燈點亮或關(guān)閉時間。課程設(shè)計中已經(jīng)給出了交通燈工作的時序圖，整體分析知，主次道路的交通燈共有三種不同的狀態(tài)，可以選用一個計數(shù)器來模擬相應的狀態(tài)，或者是用移位寄存器來完畢相應的控制。由其真值表，化簡后可以得到主次道路交通燈的邏輯關(guān)系，從而可以比較容易的完畢設(shè)計規(guī)定的基本部分。題目中的擴展部分規(guī)定主次道路三色燈的時間可以分別預置和調(diào)整，考慮到鎖存器的數(shù)據(jù)存儲功能，所以選用鎖存器來實現(xiàn)此功能。由于主道路的三色燈亮的時間一旦固定，次道路三色燈亮的時間也相應的固定下來。為實現(xiàn)主次道路時間的同時預置,采用主次道路分開控制，各用三個鎖存器來完畢相應的時間預置和調(diào)整。主次道路共用一個時鐘信號，除開始預置的時間不同外，其余部分都相同。一、設(shè)計方案簡介在主、支道路的十字路口分別設(shè)立三色燈控制器，紅燈亮嚴禁通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮規(guī)定壓線車輛快速穿越。根據(jù)車流狀況不同，可調(diào)整三色燈點亮或關(guān)閉時間。南北方向綠燈：東西方向綠燈：南北方向黃燈：南北方向紅燈：東西方向黃燈：東西方向紅燈：南北方向綠燈：東西方向綠燈：南北方向黃燈：南北方向紅燈：東西方向黃燈：東西方向紅燈：5秒5秒60秒25秒20秒65秒循環(huán)周期圖1-1交通燈工作時序圖時鐘電路主道計數(shù)器時鐘電路主道計數(shù)器次道計數(shù)器譯碼顯示器譯碼顯示器組合電路組合電路秒脈沖電路主綠主黃主紅次綠次黃次紅計數(shù)器組合邏輯電路圖SEQ圖\*ARABIC1.2交通控制器框圖二、設(shè)計條件及重要參數(shù)表整個電路系統(tǒng)分為主次道路兩個子系統(tǒng)，兩個子系統(tǒng)共用一個時鐘信號，除了起始時刻預置的時間不同樣外，其余部分均同樣。因此，只對主道路系統(tǒng)進行說明。如圖2-1所示系統(tǒng)由控制器、定期器（即計數(shù)器）、秒脈沖信號發(fā)生器、信號燈、預置數(shù)電路和譯碼顯示電路組成。其中控制器是核心部分，由它控制定期器和譯碼器的工作。秒脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生定期器所需要的標準信號，譯碼器輸出兩路信號燈的控制信號?？刂破鞯臅r鐘信號計數(shù)器產(chǎn)生，每來一個時鐘信號，控制器都會進入到下一個狀態(tài)，從而控制相應顏色的燈亮。此方案可以方便的實現(xiàn)交通燈的控制，并且可以準確的實現(xiàn)交通燈時間的預置和調(diào)整,方便、簡潔、高效、實用。圖2.1交通燈控制器框圖本方案整體組成是2個大部分：主道路和次道路。但是由于主次道路除計數(shù)器預置的初始值不同外，其余均相同。因此，只對主道路做說明。整個電路實現(xiàn)重要涉及信號燈的轉(zhuǎn)換、計時和顯示電路、時間預置和調(diào)整三大部分，各部分的具體功能實現(xiàn)如下：1、脈沖信號發(fā)生產(chǎn)生脈沖的方式是由555定期器組成的秒脈沖信號產(chǎn)生電路，具體的電路原理圖見下圖。圖2.2脈沖信號發(fā)生2、信號燈的轉(zhuǎn)換設(shè)編碼狀態(tài)為S0=00、S1=01、S2=11、S3=10，其輸出為Q0、Q1,其中GA、YA、RA分別代表主綠、主黃、主紅，GB、YB、RB分別代表次綠、次黃、次紅信號燈，高電平“1”代表燈亮，低電平“0”代表燈滅，其交通燈工作時序圖及狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系如下圖：南北方向綠燈：南北方向綠燈：東西方向綠燈：南北方向黃燈：南北方向紅燈：東西方向黃燈：東西方向紅燈：5秒5秒60秒25秒20秒65秒循環(huán)周期圖2.3交通燈工作時序圖根據(jù)設(shè)計規(guī)定各信號燈的工作順序流程圖如圖2.3所示。信號燈有三種不同的狀態(tài)，分別用S0（主綠燈亮）表達、S1（主黃燈亮）、S2（主紅燈亮）表達，其狀態(tài)編碼即狀態(tài)圖2.4及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2.5所示。圖2.4信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表2.1狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸出主道交通燈次道交通燈GAYARAGBYBRB000110000101110101001000001010因此，可以用74LS160N做成一個模三計數(shù)器，然后通過與或非等邏輯電路關(guān)系轉(zhuǎn)化輸出高低電平到信號燈，供信號燈工作，從00——01——10三個狀態(tài)循環(huán)工作，相應的綠、黃、紅信號燈來回切換。而次道路的信號則與主道路相呼應，00——01——10相應的是紅、綠、黃，它們之間相應的時間配合顯示。主道路綠燈（00）——黃燈（01）——紅燈（10）相應的是次道路的紅燈（00）——綠燈（01）——黃燈（10）相應的是具體轉(zhuǎn)換電路圖看圖2.5圖2.5信號燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路圖74LS160N的異步清零端CLR=為0時候，即QBQA=11，直接清零，重新從00開始，實現(xiàn)00——01——10三個狀態(tài)循環(huán)。脈沖信號輸入端口CLK，下降沿有效，僅當兩個74LS192N計數(shù)器的四個輸出QDQCQBQA均為0000時，通過邏輯變換實現(xiàn)下降沿脈沖，驅(qū)動74LS160N計數(shù)器計數(shù)，達成同步循環(huán)。3、計時和顯示電路圖2.6計時和顯示電路圖根據(jù)設(shè)計規(guī)定，交通燈控制系統(tǒng)要有一個能自動裝入不同定期時間的定期器，以完畢60秒、5秒、25秒和20秒、5秒、65秒的定期任務(wù)。該定期器由兩片74LS192N構(gòu)成的兩位十進制可預置減法計數(shù)器完畢；時間狀態(tài)兩支LED數(shù)碼管對減法計數(shù)器進行譯碼顯示。電路如圖2.6。 例如當S1(Q1Q0=00)時，，規(guī)定減法計數(shù)器按初值60開始計數(shù)。計數(shù)器接受來自74LS245三態(tài)輸出信號，得到的輸出為高四位DCBA=0110，低四位DCBA=0000。之后個位計數(shù)器接受秒脈沖信號，在上升沿觸發(fā)倒計時計數(shù)，直到個位為0是（DCBA=0000），跳到9（1001），最高位D端產(chǎn)生個上升沿，直接作用于十位計數(shù)端的脈沖信號輸入，觸發(fā)計數(shù)器減數(shù)計數(shù)一次，以此類推！圖2.774LS192拐角示意圖74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能。當清除端MR為高電平“1”時，計數(shù)器直接置零當MR為高電平時，置數(shù)端PL也為低電平，數(shù)據(jù)直接從置數(shù)端A、B、C、D置入計數(shù)器。當CLR為低電平LOAD高電平時，執(zhí)行計數(shù)功能。執(zhí)行加計數(shù)時，減計數(shù)端DOWN接高電平，計數(shù)脈沖由UP輸入；在計數(shù)脈沖上升沿進行8421碼十進制加法計數(shù)。執(zhí)行減計數(shù)時，加計數(shù)端UP接高電平，計數(shù)脈沖由減計數(shù)端DOWN輸入。LOAD——置數(shù)端UP——加法數(shù)端DOWN——減法計數(shù)端CLR——清除端TCU——非同步進位輸出端TCD——非同步借位輸出端D0、D1、D2、D3——計數(shù)器輸入端A、B、C、D——數(shù)據(jù)輸出端表2.274LS192的功能表輸入輸出CLRLOADUPDOWND3D2D1D0QDQCQBQA1×××××××000000××dcbadcba01↑1××××加法器011↑××××減法器圖2.8計時和顯示電路4、時間預置和調(diào)整部分如圖2.9所示，三臺輸入芯片74LS245，方向控制器DIR為高電平時，數(shù)據(jù)從A傳到Ｂ，三態(tài)允許端～Ｇ，低電平工作，高電平封鎖。三態(tài)允許端接受的信號直接來自信號燈通過個非門后的信號，實現(xiàn)整體電路的控制。時間的預置和調(diào)整是直接輸入進入到三態(tài)輸入。圖2.9預置和調(diào)整時間部分電路圖5、自制穩(wěn)壓電源圖2.91自制穩(wěn)壓電源設(shè)計重要參數(shù)計算1、計時器圖3.1計時和顯示電路的仿真分析圖如圖3.1所示，給即時顯示電路置入初始值60,輸入1Hz的時鐘信號，經(jīng)譯碼顯示后，可以看到計數(shù)器以一秒的間隔遞減計數(shù)。當遞減到00時，計數(shù)器重新置入60，如此循環(huán)。2、時間預置和調(diào)整部分圖3.2主路時間預置和調(diào)整部分的仿真電路如圖3.2所示，通過開關(guān)給74245置入01100000、00100101、00000101，通過觀測三態(tài)輸入端的高低電平和示波器的波形，可以看出，三態(tài)輸入中保存的數(shù)據(jù)也，故可知電路可以正常的進行時間的預置。設(shè)計結(jié)果1.總電路圖總電路的工作過程如下:起始狀態(tài)開始后，信號燈的計數(shù)和倒計時計數(shù)開始工作，之后按預先設(shè)立的各個工作開始循環(huán)工作，實現(xiàn)交通信號燈的應用見圖4.1圖4.1總電路圖2、總體電路的仿真分析圖4.2主路綠燈輔路紅燈圖4.3主路黃燈輔路紅燈圖4.4主路紅燈輔路綠燈圖4.5主路紅燈輔路黃燈如圖4.1所示，打開總開關(guān)，對總體電路進行仿真。開始時，主道路計數(shù)器置入60，次道路計數(shù)器置入65，主次道路數(shù)碼管分別顯示60、65，主道路綠燈亮，此道路紅燈亮。計數(shù)器開始遞減計數(shù)。主道路由60減至00，此過程中主道路綠燈亮。之后，主道路黃燈亮，數(shù)碼管顯示05至00。再后，主道路紅燈亮，數(shù)碼管顯示25至00，以此規(guī)律進行循環(huán)。同時，次道路計數(shù)器有65減至00，此過程中次道路紅燈亮。之后，次道路數(shù)碼管顯示20至00，綠燈亮。再后，次道路數(shù)碼管顯示05至00，黃燈亮。以此規(guī)律進行循環(huán)。這樣，按照此規(guī)律一直循環(huán)下去，就實現(xiàn)了十字路口交通管理器的功能。五、設(shè)計評述及總結(jié)體會此設(shè)計方案的創(chuàng)新之處在于將計數(shù)器和信號控制，置數(shù)控制互相聯(lián)系，加入到了電路設(shè)計中，使得主次道路各個燈亮的時間可以一次置入(并且半途可以隨意修改)，而變燈后可以直接從三態(tài)輸入端中讀出該燈亮時間的二進制表達，大大省去了操作時間，使得人工操作過程更加簡潔。同時在解決數(shù)碼管的倒計時顯示時運用了192、245等芯片，192功能特點是可已從任意數(shù)開始進行加法或減法計數(shù)，為調(diào)整過程提供了極大方便。245芯片的加入大大簡化了設(shè)計過程，使設(shè)計效率大幅提高，從而讓電路真正實現(xiàn)了從繁到簡的蛻變。并且合理的運用了三臺控制245的使能端在無效輸入時其輸出為高阻態(tài)的特性，得到很好的效果。在做課程設(shè)計的前，由于十字路口中的交通燈在生活中時常見到，也懂得他的工作的外在過程，這對于我對題意有了更深層次的理解，也給我后面的設(shè)計做了很好的鋪墊。在做課程設(shè)計時，我到圖書館查閱了與交通燈相關(guān)的資料，也通過網(wǎng)絡(luò)查找資料，認真總結(jié)了相關(guān)資料，對其結(jié)構(gòu)有了初步的了解，腦海中也有了大體的設(shè)計思緒，為本次課程設(shè)計奠定了很多基礎(chǔ)，提高設(shè)計效率。本認為交通燈是一個很簡樸的數(shù)字電子系統(tǒng)，自己可以很容易的完畢任務(wù)，但在實際操作中還是碰到了不少問題。一方面我考慮的是運用三個鎖存器去完畢預置數(shù)功能，將主次道路的預置數(shù)一次性完畢。但是后來才發(fā)現(xiàn)這種方案很難實現(xiàn)，并且會大大增長電路的復雜度。后來，我放棄了開始的方案，重新開始設(shè)計，想到主次道路分開控制的方法，最終得到了滿足規(guī)定的電路，但是由于我的水平有限，電路還不是最合理最完善的電路，其中存在許多需要改善的地方。本次課程設(shè)計使我在平時中學到的數(shù)電知識得到了綜合應用，將理論知識用于實踐設(shè)計，使我對理論知識了解的更加透徹，也對自己所學的科目和專業(yè)產(chǎn)生了更為濃厚的愛好。在這次設(shè)計中，除了使用以前學習過的芯片，還接觸到了很多自己自己從未了解過的芯片，可見自己的實際操作不僅可以加深對過去知識的記憶，更能見識新事物，拓展知識面。本次課程設(shè)計我使用的仿真軟件是Multis