交通信號(hào)燈控制電路的設(shè)計(jì)與仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、目錄1 引言12 信號(hào)燈的設(shè)計(jì)內(nèi)容22.1 信號(hào)燈工作方式22.2 控制電路的特點(diǎn)33 單元模塊43.1電源模塊43.2秒脈沖發(fā)生模塊53.3計(jì)數(shù)模塊63.4分頻模塊83.5控制電路模塊104交通信號(hào)燈的仿真與調(diào)試124.1仿真軟件簡(jiǎn)介124.2電路的仿真124.3交通燈完整功能的實(shí)現(xiàn)144.4調(diào)試方法144.5 調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題、原因分析及解決方法145總結(jié)15參考文獻(xiàn)16附錄171 引言數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)是高等學(xué)校弱電類各專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。這門課程發(fā)展迅速、實(shí)用性和應(yīng)用性強(qiáng)，側(cè)重于邏輯行為的認(rèn)知和驗(yàn)證。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問(wèn)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)

2、，已成為交通管理部門需要解決的重要問(wèn)題之一。十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那么靠什么來(lái)實(shí)現(xiàn)這井然秩序呢？靠的就是交通信號(hào)燈的自動(dòng)指揮系統(tǒng)。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。同時(shí)也隨著城市機(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(méi)有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市

3、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。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)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?tīng)顩r，越來(lái)越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問(wèn)題。為此，本次設(shè)計(jì)完成的就是交通燈設(shè)計(jì)。以下就城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)的電路原理、設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)調(diào)試等問(wèn)題來(lái)進(jìn)行具體分析討論。本系統(tǒng)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，555定時(shí)器輸出脈沖信號(hào)，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào)，控制電路控制定時(shí)器和譯碼器的工作，驅(qū)

4、動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)六只三色led工作。最后用電路仿真軟件繪制出數(shù)字鐘的完整電路圖。對(duì)數(shù)字電路的學(xué)習(xí)起到了良好的輔助作用。2 信號(hào)燈的設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1 信號(hào)燈工作方式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(hào)燈采用led紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬（白天點(diǎn)

5、亮?xí)r的工作換燈流程圖如圖2-1所示）。2.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。圖2-1交通燈工作換燈流程圖南北方向紅燈亮，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 1t2.2 控制電路的特點(diǎn) 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。因此采用組合邏輯設(shè)計(jì)。組合邏輯電路：將十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器作為組合邏輯電路的輸入

6、，而組合邏輯電路的輸出去驅(qū)動(dòng)?xùn)|西和南北兩個(gè)方向的信號(hào)燈的點(diǎn)亮。其整體電路框圖如2-2圖所示：東西信號(hào)燈南北信號(hào)燈組合邏輯電路十二進(jìn)制計(jì)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(kāi)關(guān)關(guān)圖2-2 信號(hào)燈的整體電路框圖3 單元模塊3.1電源模塊信號(hào)燈采用三極管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，電源電壓采用直流5v，通過(guò)變壓器將市電降壓到交流9v，在通過(guò)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作為一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源是必不可少的。本次課設(shè)設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控

7、制電路需要使用穩(wěn)定的5v直流穩(wěn)壓電源來(lái)驅(qū)動(dòng)各芯片使電路其正常工作。因此需要設(shè)計(jì)輸出為5v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。直流穩(wěn)壓電源原理圖如圖3-1所示圖3-1 直流穩(wěn)壓電源原理圖3.2秒脈沖發(fā)生模塊_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)生電路。秒脈沖產(chǎn)生電路實(shí)際就是一個(gè)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(shí)器555(圖3-2是555定時(shí)器的原理圖，圖3-3是555定時(shí)器的引腳圖)和電阻、電容組成的多諧振蕩器。為了電路簡(jiǎn)單和調(diào)節(jié)振蕩周期方便，選擇用555定時(shí)

8、器組成多諧振蕩器（如圖3-4所示）圖32 555定時(shí)器的原理圖ic555 圖3-3 555定時(shí)器的引腳圖圖34 用555定時(shí)器組成多諧振蕩器根據(jù)周期與頻率的計(jì)算公式：t=（+2）*cln2=0.7（+2）電源電壓=+5v，其中電路圖中的作用是防止電磁干擾對(duì)振蕩電路的影響，一般選用0.01uf的瓷片電容。再次課設(shè)中要求輸出t=1s，選取電容=1uf，=560k歐姆，根據(jù)震蕩周期計(jì)算，選擇電阻=434k歐姆。當(dāng)元件選取完成后，根據(jù)電路原理圖連接電路即可。3.3計(jì)數(shù)模塊74ls164 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5：1：6），因此需要

9、設(shè)計(jì)十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，循環(huán)工作控制白天信號(hào)燈的點(diǎn)亮。因此，用移位寄存器組成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，擬選用8位串入并出移位寄存器74ls164（其引腳圖如圖3-5所示，功能表如表3-1所示）。圖3-5 74ls164引腳圖輸入輸出清零時(shí)鐘串入rdcpabqaqbqcqdqeqfqgqhl×××llllllllhl××qaoqboqcoqdoqeoqfoqgoqhohhhhqanqbnqcnqdnqenqfnqgnhl×lqanqbnqcnqdnqenqfnqgnh×llqanqbnqcnqdnqenqfnqgn 表3-1 74ls164

10、功能表器原理表應(yīng)用電路：用74ls164組成的12進(jìn)制扭環(huán)型計(jì)數(shù)器電路 ，其電路圖如下圖3-6所示。 圖3-6 12進(jìn)制扭環(huán)型計(jì)數(shù)器3.4分頻模塊十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的時(shí)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(jì)一個(gè)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(jì)數(shù)器的cp脈沖。本次課程設(shè)計(jì)使用兩個(gè)d觸發(fā)器組成4分頻器電路，如圖3-7所示。1s4s 1s圖3-7 四分頻的電路原理圖74ls74是一個(gè)邊沿觸發(fā)器數(shù)字電路器件，每個(gè)器件中包含兩個(gè)相同的、相互獨(dú)立的邊沿觸發(fā)d觸發(fā)器電路模塊。圖3-8為其引腳排列和邏輯符號(hào) 圖3

11、-8 74ls74的引腳圖功能說(shuō)明：74ls74內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的d上升沿雙d觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（d）、置位輸入（）復(fù)位輸入（）、時(shí)鐘輸入（cp）和數(shù)據(jù)輸出。、的低電平使輸出預(yù)置或清除，而與其它輸入端的電平無(wú)關(guān)。當(dāng)、均無(wú)效（高電平式）時(shí)，符合建立時(shí)間要求的d數(shù)據(jù)在cp上升沿作用下傳送到輸出端。表32 74ls74功能表輸入輸出sdrdcpdqn+1qn01××1010××01.00××111101100111×qnqn表3-3 4分頻器電路邏輯功能表cpdqn+10xqn1001113.5控制電路模塊邏輯控制電路是本設(shè)

12、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)。組合邏輯電路的真值表如表3-4所示，邏輯控制原理圖如圖3-9所示 表3-4 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)qa qb qc qd qe qf nsg nsy nsr ewg ewy ewr0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 1 1

13、 0 0 0 1 0 0 0 0 11 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 11 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 11 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 00 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 00 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1ewgewyewrnsgnsgnsy4s1s 圖3-9 邏輯控制原理圖4交通信號(hào)燈的仿真與調(diào)試4.1仿真軟件簡(jiǎn)介ni multisim軟件結(jié)合了直觀的

14、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ni multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)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signalexpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(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。有如下特點(diǎn)：1.通過(guò)直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計(jì)電路 ；2.通過(guò)交互式spice仿真, 迅速了解電路行為； 3.借助高級(jí)電路分析, 理解基本設(shè)計(jì)特征 ；4.通過(guò)一個(gè)工具鏈, 無(wú)縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試 ；

15、5.通過(guò)改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程, 減少建模錯(cuò)誤并縮短研發(fā)時(shí)間。4.2電路的仿真圖4-1 對(duì)電源進(jìn)行仿真按照原理圖逐部分仿真圖4-2 對(duì)555定時(shí)器進(jìn)行仿真4.3交通燈完整功能的實(shí)現(xiàn)1. 交通信號(hào)燈的完整電路圖見(jiàn)附錄仿真圖2. 交通信號(hào)燈的工作原理：首先閉合開(kāi)關(guān)，電路工作在白天工作狀態(tài)。555定時(shí)器發(fā)出秒脈沖，通過(guò)四分頻器電路產(chǎn)生4秒脈沖，再此脈沖作用下，十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器發(fā)出0或1，通過(guò)邏輯電路使輸入各個(gè)二極管的電位發(fā)生變化，使某方向綠燈點(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

16、比例為5：1：6。閉合開(kāi)關(guān)后，十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器被異步置零，兩個(gè)或門工作，進(jìn)而只有兩個(gè)黃燈受控制，在通過(guò)秒脈沖的作用，使黃燈每秒閃動(dòng)一次，其它燈不亮。4.4調(diào)試方法1. 首先調(diào)試555定時(shí)器。用示波器觀察555定時(shí)器輸出波形，確定555定時(shí)器是否正常工作，振蕩頻率是否是2hz。調(diào)節(jié)電位器r1，使555定時(shí)器產(chǎn)生頻 率為1hz的方波信號(hào)。2. 調(diào)試分頻器。用示波器觀察分頻器輸出波形，確定信號(hào)頻率是否是0.25hz。3. 調(diào)試十二進(jìn)制計(jì)數(shù)示電路，將秒信號(hào)輸送各計(jì)數(shù)器觀察是否工作正常。4. 整體調(diào)試。各部分電路連接起來(lái)，觀察交通燈是否正常工作。4.5 調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題、原因分析及解決方法1 燈不正常發(fā)光

17、，原因是線接觸不良造成的2 555定時(shí)器形成的多諧振蕩器發(fā)出的1hz脈沖信號(hào)，由于元件制作誤差及環(huán)境干擾，仿真與實(shí)際示波器測(cè)出的脈沖信號(hào)有誤差?？梢允褂镁д裥纬?hz的脈沖信號(hào)，led發(fā)光時(shí)間應(yīng)該能夠更加準(zhǔn)確。3 電源中用變壓器降壓得不到9v交流電壓的原因是該變壓器的變比不合適造成的，改變變壓器變比可以得到相應(yīng)的電壓。5總結(jié)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。在開(kāi)始時(shí)我不知道如何下手，課本知識(shí)學(xué)起來(lái)感覺(jué)挺簡(jiǎn)單但應(yīng)用到實(shí)際中還是有些難，通過(guò)溫習(xí)課本和查閱資料我設(shè)計(jì)出了電路圖。但在連接電路的過(guò)程中很多新片的管腳圖不知道只好上網(wǎng)查找，自己查找設(shè)計(jì)收獲很大。經(jīng)過(guò)這一周的努力，在老師和

18、同學(xué)的幫助下，我完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我充分認(rèn)識(shí)到了自學(xué)的重要性，以及學(xué)以致用的道理，也體會(huì)到了自己完成一件事的喜悅和成功解決困難的樂(lè)趣。我在圖書館和網(wǎng)上查閱了大量的資料，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到了圖書館和網(wǎng)上搜索的重要作用。在今后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，應(yīng)該多到圖書館和網(wǎng)上看一些專業(yè)方面的書籍，以豐富自己的知識(shí)。也使我加深了對(duì)數(shù)字電路技術(shù)的理解和應(yīng)用。由于知識(shí)水平的局限，設(shè)計(jì)中可能會(huì)存在著一些不足，我真誠(chéng)的接受老師和同學(xué)的批評(píng)和指正。在設(shè)計(jì)過(guò)程，經(jīng)常會(huì)遇到這樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了。所以這幾天不管是吃飯還是睡覺(jué)，腦子里總是想著如何解決這些問(wèn)題，如何想出更好的連接方法。不過(guò)說(shuō)也奇怪，整天想著這些問(wèn)題，腦子和身體卻一點(diǎn)都不會(huì)覺(jué)得累。這一次的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多東西。首先對(duì)于數(shù)字電路的知識(shí)有了更深的掌握，包括各芯片的引腳及功能。其次對(duì)multisim軟件更加熟悉，掌握了芯片的搜索、線路的連接、仿真圖的繪制和檢查等。最后自己