課程設(shè)計(jì)（論文）交通燈控制電路設(shè)計(jì)

1、目錄一、引言 1二、設(shè)計(jì)任務(wù)及指標(biāo) 2三、交通燈控制電路設(shè)計(jì)1.交通燈運(yùn)行狀態(tài)分析 32.電路工作總體框圖 43.方案分析比較 54.單元電路的設(shè)計(jì) 4.1 電源電路設(shè)計(jì) 5 4.2 脈沖電路設(shè)計(jì) 6 4.3分頻電路設(shè)計(jì) 8 4.4 倒計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì) 10 4.5 控制電路設(shè)計(jì) 12 4.6 燈顯示電路設(shè)計(jì) 135.總體電路圖 156. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差分析 177. 體會總結(jié) 18四、致謝 19五、參考文獻(xiàn) 19引言當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀(jì)就已出現(xiàn)了。1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號

2、燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩個(gè)以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年始安裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示 “通行”。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按

3、一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對壓力敏感的路面時(shí)，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長 一段時(shí)間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國道路交通和道路標(biāo)志信號協(xié)定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，

4、但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。設(shè)計(jì)任務(wù)要求一、 設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)十字路口的交通燈控制電路，要求交通燈變化次序?yàn)椋?南北向 東西向1 綠燈30s 紅燈30s2 黃燈3s 紅黃燈3s3 紅燈20s 綠燈20s4 紅黃燈3s 黃燈3s5 綠燈30s 紅燈30s二、 基本原理多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器、門電路以及相關(guān)的模擬電路、數(shù)字電路知識。三、 功能描述：為方便描述及設(shè)計(jì)電路，將控制電路分為三層子電路。1. 時(shí)鐘信號發(fā)生層：產(chǎn)生方波作為時(shí)鐘信號。555定時(shí)器或運(yùn)放2. 計(jì)時(shí)層：提供各狀態(tài)的變更觸發(fā)信號。集成同（異）步計(jì)數(shù)器3. 狀態(tài)層：鎖存控制交通燈狀態(tài)。jk觸發(fā)器交通燈控制

5、電路設(shè)計(jì)1、交通燈運(yùn)行狀態(tài)分析交通燈控制電路，要求每個(gè)方向有三盞燈，分別為紅、黃、綠配以時(shí)間倒計(jì)時(shí)顯示。一個(gè)方向綠燈、黃燈亮?xí)r，另一個(gè)方向紅燈亮。每盞燈順序點(diǎn)亮，循環(huán)往復(fù)，每個(gè)方向順序?yàn)榫G燈、黃燈、紅燈。交通燈的運(yùn)行狀態(tài)共有四種，如圖1所示：北圖1 交通燈運(yùn)行狀態(tài)分析圖狀態(tài)0支干道綠燈亮狀態(tài)1支干道黃燈亮狀態(tài)2主干道綠燈亮狀態(tài)3主干道黃燈亮十字路口的交通燈控制系統(tǒng)的工作過程如下：狀態(tài)0：東西方向車道的綠燈亮，車道通行；南北方向車道的紅燈亮，車道禁止通行。 狀態(tài)1：東西方向車道的黃燈亮，車道緩行；南北方向車道的紅燈亮，車道禁止通行； 狀態(tài)2：東西方向車道的紅燈亮，車道禁止通行；南北方向車道的綠燈

6、亮，車道通行； 狀態(tài)3：東西方向車道的紅燈亮，車道禁止通行；南北方向車道的黃燈亮，車道緩行；4種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)，并且紅燈的倒計(jì)初始值為綠燈的倒計(jì)初始值和黃燈的倒計(jì)初始值之和。   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、s2表示，則控制器的工作狀態(tài)及功能如下表1所示。控制器狀態(tài)信號燈狀態(tài)車道運(yùn)行狀態(tài)s0（00）s1（01）s2（11）s3（10）甲綠，乙紅甲黃，乙紅甲紅，乙綠甲紅，乙黃甲車道通行，乙車道禁止通行甲車道緩行，乙車道禁止通行甲車道禁止通行，乙車道通行甲車禁止道通行，乙車道緩行表1

7、 控制器工作狀態(tài)及其功能 2、電路工作總體框圖交通燈控制電路主要由以下幾部分構(gòu)成，如圖2所示，有電源電路，脈沖電路，分頻電路，倒計(jì)時(shí)電路，(交通燈)狀態(tài)控制電路，燈顯示電路。脈沖電路分頻電路倒計(jì)時(shí)電路顯示器狀態(tài)控制電路燈顯示電路電路電源電路供電圖2 交通燈控制電路功能模塊框圖3、方案分析比較從交通燈控制電路功能模塊框圖可知在倒計(jì)時(shí)電路，狀態(tài)控制電路，燈顯示電路這三塊電路產(chǎn)生設(shè)計(jì)分歧。所以實(shí)現(xiàn)交通燈控制電路可以有2種方案：(1)先設(shè)計(jì)出讓交通燈按4種狀態(tài)循環(huán)變換的燈顯示電路，再通過燈的狀態(tài)控制倒計(jì)時(shí)顯示器的顯示的功能；(2)先設(shè)計(jì)讓倒計(jì)時(shí)顯示器按規(guī)律運(yùn)行的電路，再通過倒計(jì)時(shí)電路的信號來控制交通燈

8、按4種狀態(tài)循環(huán)變換；方案1，2均符合設(shè)計(jì)的要求，但通過具體實(shí)踐和分析方案1顯示電路需要比較多的芯片，其電路不是太復(fù)雜，但是過程比較繁瑣。而方案2讓顯示電路來控制燈的發(fā)亮，這樣顯示電路就不受其他信號的影響，并且通過顯示電路來控制交通燈的狀態(tài)變換比較容易。綜上所述，選擇方案2來設(shè)計(jì)具體的電路。4、單元電路的設(shè)計(jì)4.1 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，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

9、。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。multisim截圖如下：圖3：電源電壓電路4.2 脈沖電路利用555定時(shí)器為主組成多諧振蕩器，輸出4hz的矩型方波，實(shí)現(xiàn)脈沖電路功能。555定時(shí)器的原理圖如圖4所示，功能表如表2所示：圖4 555定時(shí)器原理圖表2 555定時(shí)器功能表輸入輸出閥

10、值輸入()觸發(fā)輸入()復(fù)位()輸出()放電管t00導(dǎo)通11截止10導(dǎo)通1不變不變組成的脈沖電路如圖 5所示：r2r1圖5 脈沖電路根據(jù)功能表和電路圖計(jì)算如下：取r1=10kw，r2=10 kw，c=1.6uf。即可實(shí)現(xiàn)輸出4hz的矩型方波。值得注意的是，在輸出端接上了一個(gè)開關(guān)，可以控制系統(tǒng)工作的開始和暫停。4.3 分頻電路分頻電路利用計(jì)數(shù)器74ls193來實(shí)現(xiàn)。圖6 74ls193原理圖：功能表：清零 預(yù)置 時(shí)鐘 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 輸出 rd ld cpu cpd a b c d qa qb qc qd h × × × × × ×

11、; × l l l l l l × × a b c d a b c d l h h × × × × 加計(jì)數(shù) l h h × × × × 減計(jì)數(shù)圖7 管腳：根據(jù)上面計(jì)算取4分頻，即輸出為端，電路如圖8所示：時(shí)間脈沖圖8分頻電路4.4 倒計(jì)時(shí)電路十字路口要有數(shù)字顯示，作為倒計(jì)時(shí)提示，以便人們更直觀地把握時(shí)間。具體為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置顯示器為某值，然后以每s減1的計(jì)數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為3和0，十字路口綠、黃、紅燈變換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進(jìn)入下一步某方向的工作循環(huán)。根據(jù)題目的要求南北

12、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(yùn)行，主干道每次通行時(shí)間都設(shè)為30s、支干道每次通行時(shí)間為20s。也就是一個(gè)循環(huán)是50s，如此先顯示30s后顯示20s倒計(jì)時(shí)，然后再顯示30s倒計(jì)時(shí)，以此類推。設(shè)計(jì)時(shí)采用兩塊74ls193，一塊是顯示十位，一塊是顯示個(gè)位。個(gè)位接成十進(jìn)制，從9開始倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)0時(shí)，向高位發(fā)出一個(gè)借位信號，再繼續(xù)從9倒計(jì)時(shí)。一開始使十位數(shù)置數(shù)為3，二進(jìn)制為0011，個(gè)位數(shù)為0，二進(jìn)制為0000，此時(shí)個(gè)位產(chǎn)生一個(gè)借位信號給十位的脈沖輸入端，十位的74ls193芯片倒計(jì)時(shí)一次，結(jié)合個(gè)位的設(shè)置，電路從30開始倒計(jì)時(shí)。當(dāng)主車道綠燈亮了27s，倒計(jì)時(shí)也已經(jīng)

13、數(shù)到了3了，此時(shí)，個(gè)位顯示3，十位顯示0，主車道的綠燈熄滅，主車道的黃燈開始倒計(jì)時(shí)閃亮3s，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)到0后，個(gè)位芯片74ls193發(fā)出一個(gè)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(shí)十位應(yīng)該是從0翻轉(zhuǎn)2，即二進(jìn)制0010，為了實(shí)現(xiàn)這功能，通過研究十位的二進(jìn)制數(shù)發(fā)現(xiàn)，十位的二進(jìn)制是從0011、0010、0001到0000計(jì)數(shù)完，翻轉(zhuǎn)為二進(jìn)制0010，然后從0010、0001到0000倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)?000后就結(jié)束一個(gè)循環(huán)，又從0011開始新的一個(gè)循環(huán)。從二進(jìn)制0011和0010兩個(gè)不同的預(yù)置數(shù)，發(fā)現(xiàn)可以用1個(gè)d觸發(fā)器74ls74接成t觸發(fā)器并把q端接至十位倒計(jì)時(shí)的最低位來完成這個(gè)功能。高

14、位產(chǎn)生借位信號時(shí)將q端的信號置入，當(dāng)這個(gè)借位信號（低電平）消失后，產(chǎn)生一個(gè)上升沿的脈沖信號，使t觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)然后保持，下一個(gè)借位信號來時(shí)就把此時(shí)的q值置入（此時(shí)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(shí)現(xiàn)0011和0010的交替置入。另外，通過在特定時(shí)刻（倒計(jì)時(shí)高位由0000變?yōu)?010后）對t觸發(fā)器進(jìn)行清零，可實(shí)現(xiàn)主次干道通行時(shí)間的調(diào)整。最后將電路的倒計(jì)時(shí)接到譯碼器74hc4511，再接到共陰極數(shù)碼顯示管上顯示十進(jìn)制數(shù)字。據(jù)此畫出倒計(jì)時(shí)電路如圖9所示：圖9 倒計(jì)時(shí)電路4.5 狀態(tài)控制電路如圖1，用倒計(jì)時(shí)控制燈的變化，先將圖示狀態(tài)0、1、2、3編碼為00、01、10、

15、11，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為30、20、3的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)信號給狀態(tài)轉(zhuǎn)換的電路，而這個(gè)信號是電平信號的話就很難實(shí)現(xiàn)，所以又用了邊沿觸發(fā)，此時(shí)用計(jì)數(shù)器表示狀態(tài)，取其低兩位的計(jì)數(shù)態(tài)00、01、10、11為燈的狀態(tài)，這樣的話，來一個(gè)邊沿信號就能使計(jì)數(shù)器加一，實(shí)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2所示：表3 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cp（）001100000010000000000101由表得出cp（）的表達(dá)式：電路圖如圖10：4.6 燈顯示電路首先要把控制的脈沖接入計(jì)數(shù)器74ls193的非減數(shù)的脈沖端，因?yàn)槊}沖主要有四個(gè)，四個(gè)為一個(gè)循環(huán)，只取計(jì)數(shù)器的低位兩位即可，除了讓計(jì)數(shù)器工作的

16、接入端需要接電平外，其他端都不用接，再將計(jì)數(shù)器的低兩位接入譯碼器74ls138的低位兩端，從譯碼器輸出四位、信號，低電平有效，每一種低電平表示一種狀態(tài)，用、表示主干道的綠燈、黃燈、紅燈，用、表示支干道的綠燈、黃燈、紅燈，得出狀態(tài)表如表4所示。表4 燈顯示電路狀態(tài)表狀態(tài)譯碼信號主車道支車道 0011101 0 00 0 10111010 1 00 0 11010110 0 11 0 01101110 0 10 1 0由表得個(gè)各個(gè)燈的表達(dá)式：= = = = =為了讓黃燈能每s閃亮一次，可以在黃燈那里加入一個(gè)與門，把黃燈發(fā)亮的信號當(dāng)成是與門的開通信號，與門的另一端接入時(shí)間脈沖，那么黃燈就可以實(shí)現(xiàn)每秒

17、閃亮一次的功能了。畫出燈顯示電路如圖11所示：圖11 燈顯示電路5、總體電路圖根據(jù)上面各功能電路的設(shè)計(jì)整合，用multisim仿真軟件畫出分層電路圖如下所示：接口6與下圖接口41相連接接口40與下圖接口24相連接口25與下圖接口18相連接6、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差分析（1）電源電路：表5 電源電路誤差分析表理想值實(shí)驗(yàn)值誤差電壓輸出5v5.04v0.8%結(jié)論：與理想值相差微小，原因?yàn)樵骷旧韱栴}，符合設(shè)計(jì)要求。（2） 十字路口交通燈轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì):表6 交通燈轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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結(jié)論：干道交通燈轉(zhuǎn)換無問題。（3） 調(diào)試中發(fā)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)的過程中，

18、從20倒計(jì)時(shí)至00，再變?yōu)?0或是從30倒計(jì)時(shí)至00，再變?yōu)?0，都有一瞬間有短暫的加快計(jì)數(shù)狀態(tài)，本來是一秒倒計(jì)一次，但實(shí)際上可能是0.7s左右。結(jié)論：這樣的誤差很小，不影響整個(gè)系統(tǒng)的功能。7、體會總結(jié)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，對計(jì)數(shù)器更加了解，懂得它的功能與其它芯片替換等.使dj觸發(fā)器從書本上的理論知識聯(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，同時(shí)也加強(qiáng)了對multisim仿真軟件的掌握。在做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，主要是因?yàn)闆]有動(dòng)手實(shí)踐過吧！認(rèn)識來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。故一個(gè)小小的課程設(shè)計(jì)，對我們的作用是如此之大。致謝感謝學(xué)校給我們鍛煉的機(jī)會，感謝老師們的指導(dǎo)，在同學(xué)們的互相幫助，互相啟示，最終設(shè)計(jì)出電路來，非常感謝在過程中幫助過我們的每一個(gè)人！ 在電路設(shè)計(jì)和論文寫作的過程中，得到了許多同學(xué)的寶貴建議，同時(shí)還得到他