電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)交通燈控制電路設(shè)計(jì)

1、淮海工學(xué)院電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)交通燈控制電路設(shè)計(jì)摘要: 隨著社會(huì)不斷的發(fā)展，人民的生活水平不斷的提高，汽車已經(jīng)成為人們生活必不可少的一部分,伴隨而來(lái)的是日趨復(fù)雜的交通問題。進(jìn)而城市交通問題越來(lái)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(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)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。 隨著城市機(jī)動(dòng)車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀

2、況。然而，隨著交通量的快速增長(zhǎng)和缺乏對(duì)高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。日趨復(fù)雜的交通指揮系統(tǒng)僅靠人力來(lái)完成是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單有效的交通燈控制系統(tǒng)來(lái)完成這些復(fù)雜的工作，從而使城市交通系統(tǒng)有序，安全地運(yùn)行。交通燈控制系統(tǒng)的出現(xiàn)是社會(huì)發(fā)展下的必然產(chǎn)物，在城市道路系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，它直接影響到城市的通車質(zhì)量。所以，一個(gè)簡(jiǎn)單有效的交通燈控制系統(tǒng)對(duì)一個(gè)城市的發(fā)展具有巨大的意義。本電路也正是基于前人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，全部由數(shù)字電路組成，比以前的方案

3、更為精確。 關(guān)鍵字： 交通控制 交通燈 譯碼器 計(jì)數(shù)器 控制器一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的交通燈控制電路，要求甲車道和乙車道兩條交叉道路 上的車輛交替運(yùn)行，每次通行時(shí)間都設(shè)為25秒；2要求黃燈先亮5秒，才能變換運(yùn)行車道； 3黃燈亮?xí)r，要求每秒鐘閃亮一次；4每路口均有時(shí)間顯示（兩位led）。二、設(shè)計(jì)目的1掌握綜合應(yīng)用理論知識(shí)和中規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)方法。2熟練掌握萬(wàn)用電表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱、示波器的正確使用方法。3能識(shí)別和正確使用各種所需的集成塊、電阻、電位器等，熟悉集成塊的管腳功能結(jié)構(gòu)。4自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)圖、檢查和排除故障。5掌握調(diào)試及電路主要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試方法。三、設(shè)計(jì)原理與

4、單元電路的設(shè)計(jì) 1分析系統(tǒng)的邏輯功能，畫出其框圖 交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由控制器、定時(shí)器、譯碼器和秒脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時(shí)器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時(shí)器和譯碼器的工作。圖中： tl: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時(shí)間間隔為25秒，即車輛正常通行的時(shí)間間隔。定時(shí)時(shí)間到，tl=1，否則，tl=0。ty：表示黃燈亮的時(shí)間間隔為5秒。定時(shí)時(shí)間到，ty=1，否則，ty=0。st：表示定時(shí)器到了規(guī)定的時(shí)間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)。由它控制定時(shí)器開始下個(gè)工作狀態(tài)

5、的定時(shí)。秒脈沖發(fā)生器定時(shí)器控制器譯碼器甲車道信號(hào)燈乙車道信號(hào)燈 圖1 系統(tǒng)的原理框圖2畫出交通燈控制器的asm（algorithmic state machine，算法狀態(tài)機(jī)）如圖2（1）圖甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間隔tl時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)信號(hào)st，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（2）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時(shí)間間隔ty時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)st，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（3）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行綠燈

6、亮足規(guī)定的時(shí)間間隔tl時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)st，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（4）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上位過縣停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔ty時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)st，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換的流程圖如下： 狀態(tài)s0甲綠燈，乙紅燈狀態(tài)s3甲紅燈，乙綠燈 狀態(tài)s1甲黃燈，乙紅燈狀態(tài)s2甲紅燈，乙黃燈定時(shí)25s定時(shí)25s定時(shí)5s定時(shí)5s 圖2 整體流程圖交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器器進(jìn)行控制的。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、11、10，并分別用s0、s1、s3、s

7、2表示，則控制器的工作狀態(tài)及功能如表1所示，控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號(hào)。為簡(jiǎn)便起見，把燈的代號(hào)和燈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)合二為一，并作如下規(guī)定：表1 控制器工作狀態(tài)及功能控制狀態(tài)信號(hào)燈狀態(tài)車道運(yùn)行狀態(tài)s0（00） 甲綠，乙紅甲車道通行，乙車道禁止通行s1（01） 甲黃，乙紅甲車道緩行，乙車道禁止通行s3（11） 甲紅，乙綠甲車道禁止通行，甲車道通行s2（10）甲紅，乙黃甲車道禁止通行，甲車道緩行ag=1：甲車道綠燈亮；bg=1：乙車道綠燈亮；ay=1：甲車道黃燈亮； by=1：乙車道黃燈亮； ar=1：甲車道紅燈亮；by=1：乙車道紅燈亮； 由此得到交通燈的asm圖，如圖3所示。設(shè)控制器

8、的初始狀態(tài)為s0（用狀態(tài)框表示s0），當(dāng)s0的持續(xù)時(shí)間小于25秒時(shí)，tl=0（用判斷框表示tl），控制器保持s0不變。只有當(dāng)s0的持續(xù)時(shí)間等于25秒時(shí)，tl=1，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)st（用條件輸出框表示st），并轉(zhuǎn)換到下一個(gè)工作狀態(tài)。依此類推可以弄懂a(chǎn)sm圖所表達(dá)的含義。tlagbrststaybrtyarbytyststagbrtl 圖3 交通燈的asm圖3單元電路的設(shè)計(jì)（1）電源電路 電源電路主要由整流、濾波、穩(wěn)壓三部分組成，用于供給數(shù)字電路的工作電源。整流部分由變壓器與整流橋kbp210g組成。220v、50hz的交流輸入經(jīng)過變壓器之后，輸出9v、50hz的交流電壓。該電壓輸入整流橋

9、，整流橋由四只整流二極管接成電橋的形式組成。整流橋輸出8.1v的直流電壓。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，由1mf的電容組成電容濾波電路。電容濾波電路簡(jiǎn)單，負(fù)載直流電壓較高，紋波也較小，適合負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。 穩(wěn)壓電路用于穩(wěn)定電壓的輸出，由三端集成穩(wěn)壓器l7805和電容組成。c2、c3用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，c4用于減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。其電路如下： 圖4 穩(wěn)壓電源（2）秒脈沖的設(shè)計(jì)脈沖信號(hào)發(fā)生器由ne555電路及外圍電路組成，其中r8、r9、c3 的電阻電容值決定了脈沖寬度。既t=(r8+2r9)c2l

10、n2當(dāng)t=1s，即可湊出r8、r9、c3其中c3=0.01uf是為了保持輸出的波形的穩(wěn)定。 如圖4所示，r9、c3組成一個(gè)串聯(lián)rc充放電電路，在ne555的7腳上輸出一個(gè)方波信號(hào)，c3上得到一個(gè)三角波，此三角波送到ne555的2腳輸入端，由ne555內(nèi)部的比較器和門電路共同作用，維持7腳上的方波信號(hào)和3腳上的輸出方波。脈沖輸出端圖5將輸出脈沖接入示波器可得輸出波形：圖6（3）定時(shí)器本設(shè)計(jì)用74ls192芯片計(jì)數(shù)，它是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，具有雙時(shí)鐘輸入，清除，置數(shù)。直接構(gòu)成減法計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘脈沖下降沿到來(lái)時(shí)，實(shí)現(xiàn)30進(jìn)制的倒計(jì)時(shí)，與數(shù)字顯示倒計(jì)時(shí)相符合。74ls192可以級(jí)聯(lián)，需要兩片即可實(shí)現(xiàn)三

11、十進(jìn)制的倒計(jì)時(shí)，用74ls192節(jié)省材料，節(jié)約成本，而且由于經(jīng)常應(yīng)用，因而使用起來(lái)比較方便，具有其獨(dú)特的優(yōu)良性。其引腳排列及邏輯符號(hào)如下所示：圖7 74ls192引腳排列及邏輯符號(hào)圖（a）引腳排列 (b) 邏輯符號(hào)74ls192的功能圖中：為置數(shù)端，為加計(jì)數(shù)端，為減計(jì)數(shù)端，為非同步進(jìn)位輸出端，為非同步借位輸出端，p0、p1、p2、p3為計(jì)數(shù)器輸入端，為清除端，q0、q1、q2、q3為數(shù)據(jù)輸出端。其功能表如下：表2 74ls192功能表 圖8中u2是個(gè)位計(jì)數(shù)器，u1是十位計(jì)數(shù)器。u2由秒脈沖供給脈沖。設(shè)計(jì)中采用置數(shù)發(fā)，u1和u2輸入分別為0011（3）和0000（0），u1計(jì)數(shù)從3倒計(jì)時(shí)，u2計(jì)

12、數(shù)從9計(jì)數(shù)到0倒計(jì)時(shí)，在u2計(jì)數(shù)為0時(shí)，bo端口產(chǎn)生一個(gè)低電平，供給u2做時(shí)鐘脈沖，此時(shí)u2計(jì)數(shù)減一，實(shí)現(xiàn)兩片芯片的級(jí)聯(lián)。由于整個(gè)電路是從30計(jì)數(shù)，減一到01，再恢復(fù)至30，重新開始計(jì)數(shù)。此電路實(shí)現(xiàn)了交通燈三十進(jìn)制的計(jì)數(shù)模塊。經(jīng)過門電路的簡(jiǎn)單譯碼把三十進(jìn)制的數(shù)字譯碼成一個(gè)控制信號(hào)，最后提供給控制電路，實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)顯示部分與控制部分的連接。譯碼仿真圖如下，在計(jì)數(shù)為0110（6）和0000（0）的時(shí)候輸出對(duì)應(yīng)的tl=1和ty=1。圖8 計(jì)時(shí)器（3）控制器 控制器是交通管理的核心，它應(yīng)該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號(hào)燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。從asm圖可以列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表3所示。選用兩個(gè)d觸發(fā)器ff

13、1、ffo做為時(shí)序寄存器產(chǎn)生 4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為tl和ty，當(dāng)控制器處于q1nq0n 00狀態(tài)時(shí)，如果tl 0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果tl=1，則控制器轉(zhuǎn)換到q1n+1q0n+1 01狀態(tài)。這兩種情況與條件ty無(wú)關(guān)，所以用無(wú)關(guān)項(xiàng)x表示。其余情況依次類推，同時(shí)表中還列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)st。表3控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表根據(jù)表3可以推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號(hào)方程，其方法是：將q1n+1、q0n+1和 st為1的項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的輸人或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與，其中1用原變量表示，0用反變量表示，然后將各與項(xiàng)相或，即可得到下面的方程：根據(jù)以上方程，選用數(shù)據(jù)選擇器 74ls153來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)d觸發(fā)器的輸入函數(shù)

14、，將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值（q1nq2n ）加到74ls153的數(shù)據(jù)選擇輸入端作為控制信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)控制器的功能?？刂破鞯倪壿媹D如圖8所示。圖中r、c構(gòu)成上電復(fù)位電路 。圖9控制器邏輯圖（4）譯碼器 譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出 q1、 q0的4種工作狀態(tài)，翻譯成甲、乙車道上6個(gè)信號(hào)燈的工作狀態(tài)。控制器的狀態(tài)編碼與信號(hào)燈控制信號(hào)之間的關(guān)系如表 4所示。表4控制器狀態(tài)編碼與信號(hào)燈關(guān)系表狀態(tài)（q1q0）ag ay arbg by br00 1 0 00 0 101 0 1 00 0 111 0 0 11 0 010 0 0 10 1 0由表得到燈光信號(hào)與控制器狀態(tài)變量的關(guān)系為: 圖10 譯碼輸出圖（器件

15、:選用74ls155 或74ls138，74ls139）注：為了讓黃燈每秒閃爍一次，要將頻率為2hz的脈沖分別與y1,y2相與再接入黃燈，圖9未畫出脈沖。(5)顯示電路采用74ls192進(jìn)行減計(jì)數(shù)，輸出的四位bcd碼，不能直接顯示在七段顯示數(shù)碼管上面，所以我們要通過cd4511進(jìn)行譯碼然后接到七段顯示譯碼器上才能正確的顯示；為了保證數(shù)碼管不被燒壞，在cd4511與數(shù)碼管之間串500到1000歐姆的電阻。如圖11圖11 數(shù)碼顯示電路四、總電路設(shè)計(jì)圖五、元器件清單：元器件數(shù)量電阻 51k1電阻 2006電阻 1k20可調(diào)電阻 10k1電容 15pf2電容 10 pf1電容47uf1電容 4700u

16、f1電容 0.33uf174ls1533計(jì)數(shù)器74ls19224060bd1cd45111d觸發(fā)器74ls742jk觸發(fā)器74ls7322輸入與或門74ls0442輸入與門74ls0833輸入與門74ls113非門74ls045發(fā)光二極管10整流橋kbp210g1脈沖信號(hào)發(fā)生器由ne5551七段顯示譯碼器1導(dǎo)線若干六、設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過一周的努力終于完成了關(guān)于交通燈控制電路的電子課程設(shè)計(jì)，通過不斷的查資料讓我積累了許多實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，已初步掌握了數(shù)電的應(yīng)用技術(shù)。鞏固了數(shù)電課程知識(shí)，加深對(duì)基本器件、ff、時(shí)序電路、邏輯電路的理解。我深刻體會(huì)到數(shù)字電子技術(shù)對(duì)當(dāng)今現(xiàn)代社會(huì)的重要作用。經(jīng)過這次設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了嚴(yán)

17、密的思考，構(gòu)想及怎樣把計(jì)劃付諸于實(shí)際行動(dòng)中。同時(shí)與社會(huì)的不斷高速發(fā)展的步伐相比，我認(rèn)識(shí)到自己所學(xué)的知識(shí)和技能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，有些實(shí)際問題還不能解決，很多更好的設(shè)想也無(wú)法實(shí)現(xiàn)，缺少很多有實(shí)際運(yùn)用價(jià)值的知識(shí)儲(chǔ)備，缺乏應(yīng)有的動(dòng)手解決實(shí)際問題的能力，缺乏高效利用及篩選大量資料的能力，有待在今后的學(xué)習(xí)實(shí)踐中進(jìn)一步提高。經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，我更加認(rèn)識(shí)到要學(xué)好自己的專業(yè)知識(shí)以適應(yīng)不斷發(fā)展的社會(huì)。除此之外通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我動(dòng)手、思考和解決問題的能力。電路原理和連接，和芯片上的選擇,也略懂。鞏固數(shù)字邏輯電路的理論知識(shí)， 方案總共只用了十個(gè)芯片，對(duì)計(jì)數(shù)器更加了解，懂得它的功能與其它芯片替換等.使d觸發(fā)器從書本上的理論知識(shí)聯(lián)系到實(shí)際,讓我更加了解它的功能.還有如何利用555芯片產(chǎn)生秒脈沖.計(jì)數(shù)器的工作原理。 更重要的是如何將邏輯電路靈活運(yùn)用于實(shí)際生活。協(xié)作的重要性。做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，平時(shí)看課本時(shí)弄不懂的一些問題