交通信號燈控制電路的設(shè)計與仿真 (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，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(jìn)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(jìn)程安排周 1 講解整個設(shè)計要實現(xiàn)的功能，查閱相關(guān)資料，畫出整體電路； 周 2、3 進(jìn)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)計成績評定表出勤天數(shù) 出勤情況 缺勤天數(shù)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）成績評定總成績（100 分）提問（答辯）問題情況5、7805 與 7905有什么區(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(jìn)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 1.16電子課程設(shè)計說明書1 1 引言電子技術(shù)是根據(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(jìn)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(jì)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(jìn)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(jìn)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。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(jìn)一步提高個人對電子技術(shù)的理解運用。電子課程設(shè)計說明書2 東西信號燈 南北信號燈組合邏輯電路十二進(jìn)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2 交通燈設(shè)計內(nèi)容2.1 工作方式設(shè)計交通信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：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(jìn)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：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電子課程設(shè)計說明書3 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XMM1C33.3mFXMM2U2LM7805CTV1220 Vrms 50 Hz 0 D13N2491243T113121110091在 Multisim 中進(jìn)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。電子課程設(shè)計說明書4 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。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U1LM555CMGND1DIS7OUT 3RST4VCC8THR6CON5TRI2C11uF C210nFR3360kR2410kXSC1A BExt Trig+_ + _075641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(jìn)行仿真得圖 3-4：圖 3-4 輸入脈沖仿真波形電子課程設(shè)計說明書5 由圖可得 T=1.005s，與要求相符。3.1.3 十二進(jìn)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(jìn)制（綠、黃、紅時間比例為5：1：6），因此需要設(shè)計十二進(jìn)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(jìn)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(jìn)制扭環(huán)形計數(shù)器U574LS164N&QA3QB4QC5QD6A1B2CLK8QE10QF11QG12QH13CLR9U6A74LS04NR15k J1Key = A 0115183.1.4 分頻器電路的設(shè)計上述十二進(jìn)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(jìn)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 所示電子課程設(shè)計說明書6 圖 3-6 分頻器電路仿真U19B74LS74D1D 21Q51Q61CLR 11CLK 31PR 4U20A74LS74D1D 21Q51Q61CLR 11CLK 31PR 4XSC2A BE