交通燈控制電路設(shè)計數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計報告.docx

課 程 設(shè) 計 報 告設(shè)計題目：交通燈控制電路設(shè)計 摘要隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。為此，通過我應(yīng)用所學的知識設(shè)計了一套交通燈控制電路的方案。交通燈的控制系統(tǒng)主要由計時電路、主控電路、信號燈轉(zhuǎn)換器、脈沖信號發(fā)生器組成。分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合城鄉(xiāng)交通的實際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡單實用的城市交通燈控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方案。關(guān)鍵詞：計時電路、主控電路、信號燈轉(zhuǎn)換器、脈沖信號發(fā)生器目錄摘要1概述12. 課程設(shè)計任務(wù)及要求23.理論設(shè)計33.1方案論證33.2 系統(tǒng)設(shè)計43.2.1結(jié)構(gòu)框圖及說明43.2.2系統(tǒng)原理圖及工作原理43.3單元電路設(shè)計53.3.1單元電路工作原理53.3.2原件參數(shù)選擇124.軟件仿真134.1仿真電路圖134.2仿真過程144.3仿真結(jié)果145.安裝調(diào)試155.1安裝調(diào)試過程155.2 故障分析156.結(jié)論167.使用儀器設(shè)備清單178.參考文獻189. 收獲、體會和建議191概述伴隨著社會的發(fā)展以及人類生活水平的提高,汽車的數(shù)量在不斷的增加,交通的問題日益突出，單單依靠人力來指揮交通已經(jīng)不可行了,所以，設(shè)計交通燈來完成這個需求就顯的越加迫切了。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。交通信號燈作為一個用來指揮車輛順利、暢通通過十字路口的裝置與我們的生活緊密的聯(lián)系在一起。設(shè)計交通燈控制電路的方法有很多種，由于數(shù)字電子技術(shù)的邏輯性很強，用它來設(shè)計交通燈的控制電路非常方便。而且數(shù)字電子技術(shù)芯片只要在一定的范圍內(nèi)輸入，都能得到穩(wěn)定的輸出，調(diào)試簡單，電路的工作也比較穩(wěn)定。這次我設(shè)計的交通燈控制電路就是通過基本的一些數(shù)字芯片組合來對十字路口交通燈的六個不同信號燈的控制，另外還加以倒計時直觀顯示。這個電路的設(shè)計看似起來比較復(fù)雜，但它也是由一些基本的電路組成。只要將實現(xiàn)整個電路的基本設(shè)計思路和方案確定下來，畫出方框圖再對個功能方框的電路進行設(shè)計，一步步突破，最后整理設(shè)計出整個電路的原理圖來。在此對電路的詳細設(shè)計過程總體概括一下：首先，畫出設(shè)計的控制電路的方框圖。其次，對各功能電路的實現(xiàn)進行論證介紹。再次，對各功能電路的設(shè)計進行詳細的介紹。至此這次的課程設(shè)計也就完成了，但對電子知識和技能的學習與探索將永不停止。2. 課程設(shè)計任務(wù)及要求2.1設(shè)計任務(wù) 用常用的中、小規(guī)模數(shù)字集成電路（參見材料清單）設(shè)計一個交通燈控制電路。 自行設(shè)計，并完成系統(tǒng)功能的檢驗。2.2設(shè)計要求 （1）要求南北方向（主干道）車道和東西方向（支干道）車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，主干道每次通行時間都設(shè)為30秒、支干道每次通行間為20秒； （2）東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時間都用顯示器進行顯示（采用倒計時的方法）； （3）在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時，要求黃燈先亮5秒鐘，才能變換運行車道； （4）黃燈亮時，要求每秒閃亮一次； （5）同步設(shè)置人行橫道紅、綠燈指示。3.理論設(shè)計3.1方案論證 交通燈控制電路，要求每個方向有三盞燈，分別為紅、黃、綠，配以紅、黃、綠三組時間到計時顯示。一個方向綠燈、黃燈亮時，另一個方向紅燈亮。每盞燈順序點亮，循環(huán)往復(fù)，每個方向順序為綠燈、黃燈、紅燈。交通燈的運行狀態(tài)共有四種，分別為： 狀態(tài)0：東西方向車道的綠燈亮，人行道的綠燈亮；南北方向車道的紅燈亮，人行道的紅燈亮。 狀態(tài)1：東西方向車道的黃燈閃，人行道的紅燈亮；南北方向車道的紅燈亮，人行道的紅燈亮； 狀態(tài)2：東西方向車道的紅燈亮，人行道的紅燈亮；南北方向車道的綠燈亮，人行道的綠燈亮； 狀態(tài)3：東西方向車道的紅燈亮，人行道的紅燈亮；南北方向車道的黃燈閃，人行道的紅燈亮； 4種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)，并且車道紅燈的倒計初始值為綠燈的倒計初始值和黃燈的倒計初始值之和。交通燈電路的具體運行狀態(tài)如表2.1所示：表3.1 交通燈運行狀態(tài)燈運行狀態(tài)東西方向車道東西人行道南北方向車道南北人行道紅黃綠紅綠紅黃綠紅綠0亮滅滅亮滅滅滅亮滅亮1亮滅滅亮滅滅閃滅亮滅2滅滅亮滅亮亮滅滅亮滅3滅閃滅亮滅亮滅滅亮滅3.2 系統(tǒng)設(shè)計 3.2.1結(jié)構(gòu)框圖及說明 交通燈控制電路主要由以下幾部分構(gòu)成，如圖3.1所示，有脈沖電路、倒計時電、狀態(tài)控制電路、燈顯示電路。脈沖電路倒計時電路數(shù)碼管狀態(tài)控制電路燈顯示電路電源圖3.1 交通燈控制電路結(jié)構(gòu)框圖 3.2.2系統(tǒng)原理圖及工作原理東西方向黃燈南北方向紅燈東西方向綠燈南北方向紅燈東西方向紅燈南北方向黃燈東西方向紅燈南北方向綠燈3.3單元電路設(shè)計 3.3.1單元電路工作原理 3.3.1.1脈沖電路利用555定時器為主組成多諧振蕩器，輸出1Hz的矩型方波，實現(xiàn)脈沖電路功能。組成的脈沖電路如圖 3.2所示：R2R1圖3.2 脈沖電路參數(shù)計算如下：取R1=60kW（可調(diào)），R2=100 kW，C=4.7uF。即可實現(xiàn)調(diào)出1Hz的矩型方波。在輸出端接上了一個開關(guān)，可以控制系統(tǒng)工作的開始和暫停。 3.3.1.2倒計時電路十字路口要有數(shù)字顯示，作為倒計時提示，以便人們更直觀地把握時間。具體為：當某方向綠燈亮時，置顯示器為某值，然后以每秒減1的計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為5和0，十字路口綠、黃、紅燈變換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進入下一步某方向的工作循環(huán)。根據(jù)題目的要求南北方向（主干道）車道和東西方向（支 干道）車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，主干道每次通行時間都設(shè)為30秒、支干道每次通行時間為20秒。也就是一個循環(huán)是50秒，如此先顯示30秒后顯示20秒倒計時，然后再顯示30秒倒計時，以此類推。設(shè)計時采用兩塊74LS193，一塊是顯示十位，一塊是顯示個位。個位接成十進制，從9開始倒計時，當?shù)竭_0時，向高位發(fā)出一個借位信號，再繼續(xù)從9倒計時。一開始使十位數(shù)置數(shù)為3，二進制為0011，個位數(shù)為0，二進制為0000，此時個位產(chǎn)生一個借位信號給十位的脈沖輸入端，十位的74LS193芯片倒計時一次，結(jié)合個位的設(shè)置，電路從30開始倒計時。當主車道綠燈亮了25秒，倒計時也已經(jīng)數(shù)到了5了，此時，個位顯示5，十位顯示0，主車道的綠燈熄滅，主車道的黃燈開始倒計時閃亮5秒，當?shù)褂嫊r到0后，個位芯片74LS193發(fā)出一個借位信號，向高位借數(shù)，但是高位已經(jīng)是0了，按照要求此時十位應(yīng)該是從0翻轉(zhuǎn)2，即二進制0010，為了實現(xiàn)這功能，通過研究十位的二進制數(shù)發(fā)現(xiàn)，十位的二進制是從0011、0010、0001到0000計數(shù)完，翻轉(zhuǎn)為二進制0010，然后從0010、0001到0000倒計時，當?shù)?000后就結(jié)束一個循環(huán)，又從0011開始新的一個循環(huán)。從二進制0011和0010兩個不同的預(yù)置數(shù)，發(fā)現(xiàn)可以用1個D觸發(fā)器74LS74接成T觸發(fā)器并把Q端接至十位倒計時的最低位來完成這個功能。高位產(chǎn)生借位信號時將Q端的信號置入，當這個借位信號（低電平）消失后，產(chǎn)生一個上升沿的脈沖信號，使T觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)然后保持，下一個借位信號來時就把此時的Q值置入（此時Q值為原來的非，即由0變1或由1變0），然后翻轉(zhuǎn)。通過以上置數(shù)方式可實現(xiàn)0011和0010的交替置入。另外，通過在特定時刻（倒計時高位由0000變?yōu)?010后）對T觸發(fā)器進行清零，可實現(xiàn)主次干道通行時間的調(diào)整。最后將電路的倒計時接到譯碼器74HC4511，再接到共陰極數(shù)碼顯示管上顯示十進制數(shù)字。據(jù)此畫出倒計時電路如圖3.3所示：圖3.3倒計時電路設(shè)計圖 3.3.1.3譯碼顯示電路CD4511可以把8421編碼的二進制數(shù)譯成七段輸出a、b、c、d、e、f、g，用以驅(qū)動共陰極數(shù)碼管。譯碼顯示電路如圖3.4所示：圖3.4譯碼顯示電路設(shè)計圖 3.3.1.4狀態(tài)控制電路用倒計時控制燈的變化，先將圖示狀態(tài)0、1、2、3編碼為00、01、10、11，當?shù)褂嫊r為30、20、5的時候產(chǎn)生一個信號給狀態(tài)轉(zhuǎn)換的電路，而這個信號是電平信號的話就很難實現(xiàn)，所以又用了邊沿觸發(fā)，此時用計數(shù)器表示狀態(tài)，取其低兩位的計數(shù)態(tài)00、01、10、11為燈的狀態(tài)，這樣的話，來一個邊沿信號就能使計數(shù)器加一，實現(xiàn)上述四狀態(tài)轉(zhuǎn)換。畫出狀態(tài)控制電路信號轉(zhuǎn)換表如表3.2所示：表3.2 狀態(tài)控制電路信號轉(zhuǎn)換表高位低位狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號001100000010000000000101由表得出CP（）的表達式：用與非門和非門實現(xiàn)電路圖如圖3.5：圖3.5狀態(tài)顯示電路設(shè)計圖 3.3.1.5燈顯示電路 首先要把控制的脈沖接入計數(shù)器74LS193的非減數(shù)的脈沖端，因為脈沖主要有四個，四個為一個循環(huán)，只取計數(shù)器的低位兩位即可，除了讓計數(shù)器工作的接入端需要接電平外，其他端都不用接，計數(shù)器的低位兩位即可組成00、01、10、11四種狀態(tài)。用、表示主干道車道的綠燈、黃燈、紅燈，、表示主干道人行道的綠燈、紅燈；用、表示支干道車道的綠燈、黃燈、紅燈，、表示支干道人行道的綠燈、紅燈，得出狀態(tài)表如表3.3所示。表3.3 燈顯示電路狀態(tài)表狀態(tài)主車道支車道主人行道支人行道 000 0 11 0 00 11 0010 0 10 1 00 10 1101 0 00 0 11 00 1110 1 00 0 10 10 1由表得個各個燈的邏輯表達式： 為了讓黃燈能秒閃亮一次，可以在黃燈前加入一個與門，把黃燈發(fā)亮的信號當成是與門的開通信號，與門的另一端接入時間脈沖，那么黃燈就可以實現(xiàn)每秒閃亮一次的功能。畫出燈顯示電路如圖3.6所示： 3.3.2原件參數(shù)選擇取R1=60kW（可調(diào)），R2=100 kW，C=4.7uF。即可實現(xiàn)調(diào)出1Hz的矩型方波。在輸出端接上了一個開關(guān)，可以控制系統(tǒng)工作的開始和暫停。4.軟件仿真4.1仿真電路圖4.2仿真過程 開啟仿真按鈕之后，東西方向路燈綠燈，南北方向是紅燈，倒計時顯示的是一個隨機的數(shù)字，直到倒數(shù)到0后，東西方向黃燈，南北方向紅燈，過5秒后，東西方向紅燈，南北方向綠燈，此時倒計時顯示30，之后按照預(yù)先的設(shè)計，各個正常亮滅 4.3仿真結(jié)果 打到要求，具體如下表表4.1 交通燈轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)統(tǒng)計表次數(shù)主干道支干道20次綠黃黃紅紅綠綠黃黃紅紅綠正確正確正確正確正確正確表4.2 人行道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)統(tǒng)計表次數(shù)主干道支干道20次綠紅紅綠綠紅紅綠正確正確正確正確5.安裝調(diào)試5.1安裝調(diào)試過程 按照電路圖依依將電路元件安裝起來，并且在安裝過程中及時查錯，出算錯誤，馬上整改。5.2 故障分析 1、脈沖電路電路產(chǎn)生的脈沖的20個周期是18.5秒。產(chǎn)生誤差的原因是電容的容量比標準值4.7uF小，因此脈沖電路產(chǎn)生的周期沒有達到1秒。 2、調(diào)試中發(fā)現(xiàn)倒計時的過程中，從20倒計時至00，再變?yōu)?0時，數(shù)碼管閃現(xiàn)30,然后跳到29,或是從30倒計時至00變?yōu)?0，數(shù)碼管閃現(xiàn)20，然后跳到19。產(chǎn)生誤差的原因是十位計數(shù)器跟個位計數(shù)器都在同一個脈沖里發(fā)生借位，而十位計數(shù)器是在個位計數(shù)器借位之后再變化的，即一個脈沖上升沿到達個位計數(shù)器約半個脈沖周期之后，十位計數(shù)器再發(fā)生借位。因此數(shù)碼管的十位顯示“2”或“3”約半秒后就跳到下一個顯示狀態(tài)。6.結(jié)論 各燈的運行狀態(tài)正常。脈沖電路產(chǎn)生的脈沖周期跟標準值之間有微小的誤差，但不會影響倒計時電路和譯碼顯示電路的正常工作。倒計時器在狀態(tài)周期轉(zhuǎn)換時會出現(xiàn)顯示的誤差。但對兩個車道上的通行時間是沒有影響的。綜上所述，交通燈控制電路能在允許誤差范圍內(nèi)正常工作。7.使用儀器設(shè)備清單器件名稱規(guī)格數(shù)量備注CD4511216腳2位共陰數(shù)碼管1IC座24腳74LS00314腳74LS04（六返相器）214腳74LS74（帶置位復(fù)位正觸發(fā)雙D觸發(fā)器）114腳74LS193（可預(yù)置四位二進制雙時鐘可逆計數(shù)器）316腳IC座8腳1IC座14腳7IC座16腳5IC座24腳1插2位數(shù)碼管可調(diào)電阻10k1555定時器1按鈕開關(guān)（常開、常閉）31個常閉，2個常開發(fā)光二極管10紅綠各4個，黃2個電阻、電容若干8.參考文獻1. 馬學文，李景宏.電子技術(shù)實驗教程.北京：科學出版社.20132. 李景宏，王永軍編著.數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社，20123.高吉祥，易凡編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計.北京：電子工業(yè)出版社，20024.陳大欽編著. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗. 北京：高等教育出版社，20009. 收獲、體會和建議 通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)電子線路方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過