交通燈的仿真與設(shè)計(jì)

1、交通燈的仿真與設(shè)計(jì)1引言在城鎮(zhèn)街道的十字交叉路口，為了保證交通秩序和行人安全，一般在每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號(hào)燈，其中紅燈亮，表示該條道路禁止通行；黃燈亮表示該條道路上未過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛停止通行，已過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛繼續(xù)通行；綠燈亮表示該條道路允許通行。交通燈控制電路自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，指揮各種車(chē)輛和行人安全通行，實(shí)現(xiàn)十字路口交通管理的自動(dòng)化。交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)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。因此，如何采用合適的方法，使交通信號(hào)燈的控制與交通疏導(dǎo)有機(jī)結(jié)合，最大限度緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵?tīng)顩r，越來(lái)

2、越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門(mén)亟待解決的主要問(wèn)題。以下就一簡(jiǎn)單的交通燈控制系統(tǒng)的原理、設(shè)計(jì)和仿真等問(wèn)題進(jìn)行討論。2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的交通燈控制電路，要求甲車(chē)道和乙車(chē)道兩條交叉道路上的車(chē)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(chē)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）2.2 設(shè)計(jì)要求：1、畫(huà)出總體設(shè)計(jì)框圖，以說(shuō)明交通燈由哪些相對(duì)獨(dú)立的功能模塊組成，標(biāo)出各個(gè)模塊之間互相聯(lián)系，時(shí)鐘信號(hào)傳輸路徑、方向和頻率變化。并以文字對(duì)原理作輔助說(shuō)明。2、設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊的電路圖、真值表（或狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖）并加上原理說(shuō)

3、明。3、有條件時(shí)選擇合適的元器件，在面包上接線(xiàn)驗(yàn)證、調(diào)試各個(gè)功能模塊的電路，在接線(xiàn)驗(yàn)證時(shí)設(shè)計(jì)、選擇合適的輸入信號(hào)和輸出方式，在充分電路正確性同時(shí)，輸入信號(hào)和輸出方式要便于電路的測(cè)試和故障排除。4、設(shè)計(jì)整個(gè)電路的電路圖，加上原理說(shuō)明。有條件時(shí)對(duì)整個(gè)電路的元器件和布線(xiàn)進(jìn)行合理布局，并進(jìn)行整個(gè)交通燈電路的接線(xiàn)調(diào)試。3交通燈控制電路的設(shè)計(jì)方案3.1 總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)功能要求，交通燈控制系統(tǒng)應(yīng)主要由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器電路和信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器組成，原理圖如圖1所示。秒脈沖信號(hào)發(fā)生器是該系統(tǒng)中倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)電路和黃燈閃爍控制電路的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源。倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器輸出兩組驅(qū)動(dòng)信號(hào)T5和T0，分別為黃燈閃爍和變換

4、為紅燈的控制信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器控制信號(hào)燈工作。倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)電路是系統(tǒng)的主要部分，由它控制信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器的工作。 東西方向 G Y RT5 信號(hào)燈 轉(zhuǎn)換器 倒計(jì)時(shí) 計(jì)數(shù)器 秒脈沖 發(fā)生器T0南北方向 G Y R 圖1 交通燈控制系統(tǒng)原理框圖3.2 單元電路設(shè)計(jì)3.2.1 信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器信號(hào)燈狀態(tài)與車(chē)道運(yùn)行狀態(tài)如下： S0：東西方向車(chē)道的綠燈亮，車(chē)道通行；南北方向車(chē)道的紅燈亮，車(chē)道禁止通行； S1：東西方向車(chē)道的黃燈亮，車(chē)道緩行；南北方向車(chē)道的紅燈亮，車(chē)道禁止通行； S2：東西方向車(chē)道的紅燈亮，車(chē)道禁止通行；南北方向車(chē)道的綠燈亮，車(chē)道通行； S3：東西方向車(chē)道的紅燈亮，車(chē)道禁止通行；南北方向車(chē)道的

5、黃燈亮，車(chē)道緩行。用以下6個(gè)符號(hào)來(lái)分別代表東西（A）、南北（B）方向上各燈的狀態(tài)； GA=1：東西方向車(chē)道綠燈亮； YA=1：東西方向車(chē)道黃燈亮； RA=1：東西方向車(chē)道紅燈亮； GB=1：南北方向車(chē)道綠燈亮； YB=1：南北方向車(chē)道黃燈亮； RB=1：南北方向車(chē)道紅燈亮。 實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換有多種方法，現(xiàn)采用比較典型的兩種方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，比較其優(yōu)劣后可以找到一種較簡(jiǎn)單、更實(shí)用的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換工作。 選用JK觸發(fā)器較為簡(jiǎn)便，設(shè)編碼狀態(tài)為S0=00，S1=01，S2=11，S3=10，其輸出為Q1、Q0，則其與信號(hào)燈關(guān)系如表1所示。 表1 狀態(tài)編碼與信號(hào)燈關(guān)系表現(xiàn)態(tài) 次態(tài) 輸出 Q1n Q

6、0n Q1n+1 Q0n+1 GA YA RA GB YB RB0001100001011101000111100011001000001010 由表1可以得出信號(hào)燈狀態(tài)的邏輯表達(dá)式： GA=1n0n YA=1nQ0n RA=Q1n GB=Q1nQ0n YB=Q1n0n RB=1n 圖2 JK觸發(fā)器構(gòu)成的信號(hào)轉(zhuǎn)換器JK觸發(fā)器的輸出狀態(tài)是與J輸入端的狀態(tài)相同的，同時(shí)分析表1，觸發(fā)器0的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器1的次態(tài)相同，觸發(fā)器1的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器0的次態(tài)相反，因此可以將觸發(fā)器0的輸出端Q、（現(xiàn)態(tài)）分別接觸發(fā)器1的J、K輸入端（次態(tài)），觸發(fā)器1的輸出端Q、（現(xiàn)態(tài)）分別接觸發(fā)器0的K、J端（次態(tài)），取觸發(fā)器1為U

7、1B，觸發(fā)器0為U1A，連接后的電路如圖2所示。3.2.2 倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器十字路口的交通燈要有數(shù)字顯示，且是倒計(jì)時(shí)，以便人們能夠更好的把握好時(shí)間。具體的工作方式為：當(dāng)某方向的綠燈亮?xí)r，將顯示器置為25s，然后每秒減1，計(jì)數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為5和0，十字路口的燈互相變換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進(jìn)入下一工作循環(huán)。在倒計(jì)時(shí)過(guò)程中計(jì)數(shù)器還向信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器提供模5的定時(shí)信號(hào)T5和模0的定時(shí)信號(hào)T0，用以控制黃燈的閃爍和黃燈向紅燈的變換。倒計(jì)時(shí)顯示采用七段數(shù)碼管作為顯示，它由計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)并顯示計(jì)數(shù)器的輸出值。計(jì)數(shù)器選用集成電路74190進(jìn)行設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)便。74190是十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)加減法計(jì)數(shù)器，

8、它具有異步并行置數(shù)功能，保持功能。74190沒(méi)有專(zhuān)用的清零輸入端，但可以借助QD，QC，QB，QA的輸出端數(shù)據(jù)間實(shí)現(xiàn)清零功能。功能如表2所示。表2 74190的功能表D/UCLKABCDQA QB QC QD×××0××××A B C D011××××減計(jì)數(shù)001××××加計(jì)數(shù)1××1××××0 0 0 0 要實(shí)現(xiàn)25s的倒計(jì)時(shí)，需選用兩片74190芯片，構(gòu)成從99到0的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，其

9、中作為低位的74190芯片的CLK接秒脈沖發(fā)生器（頻率為1），再把低位74190芯片的輸出端QA、QD用一個(gè)與門(mén)連起來(lái)，再接在高位74190芯片的CLK端。當(dāng)?shù)臀恍酒瑴p到0時(shí)再減一位就會(huì)變成9，0(0000)和9（1001）之間的QA、QD同時(shí)由0變?yōu)?，把QA、QD相與接在高位片的CLK端，此時(shí)會(huì)給高位74190芯片一個(gè)脈沖數(shù)字減1，相當(dāng)于借位。預(yù)置數(shù)（即車(chē)的通行時(shí)間）功能：用8個(gè)開(kāi)關(guān)分別接在高位和低位74190芯片的D、C、B、A端。預(yù)置數(shù)范圍為199。今題目要求汽車(chē)的通行時(shí)間為25秒，所以接法如圖3所示。高位的A、C、D接0，B接VCC，即1；低位的B、D接0，A、C接1。即高位：001

10、0，翻譯為2，低位0101，翻譯為5。 圖3 預(yù)置數(shù)的連接方法 按照74190的功能表，CTEN端接低電平，加/減計(jì)數(shù)控制端D/U接高電平實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)。預(yù)置端LOAD接高電平時(shí)計(jì)數(shù)，接低電平時(shí)預(yù)置數(shù)。因此，工作開(kāi)始時(shí)，LOAD為0，計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)，置完數(shù)后，LOAD變?yōu)?，計(jì)數(shù)器開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)減到數(shù)00時(shí)，LOAD又變?yōu)?，計(jì)數(shù)器又預(yù)置數(shù)，之后又倒計(jì)時(shí)，如此循環(huán)下去。這可以借助兩片74190的8個(gè)輸出端來(lái)實(shí)現(xiàn)，用或門(mén)將8個(gè)輸出端連起來(lái)，再接在預(yù)置數(shù)端LOAD上。但由于沒(méi)有8輸入的或門(mén)，所以需要改用兩個(gè)4輸入的或非門(mén)連接，然后再用一個(gè)與非門(mén)連接來(lái)完成此功能。連接后的電路圖如圖4所示。圖4 倒計(jì)

11、時(shí)計(jì)數(shù)器電路3.2.3 倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器與信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器的連接倒計(jì)時(shí)信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器提供定時(shí)信號(hào)T5和T0以實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈轉(zhuǎn)換。T0表示倒計(jì)時(shí)減到“00”時(shí)（即綠燈的預(yù)制時(shí)間，因?yàn)榈健?0”時(shí)，計(jì)數(shù)器重新置數(shù)），此時(shí)給信號(hào)燈一個(gè)脈沖，使信號(hào)燈發(fā)生轉(zhuǎn)換，一個(gè)方向的綠燈亮，另一個(gè)方向的紅燈亮。接法為：把個(gè)位、十位計(jì)數(shù)器的輸出端QA、QB、QC、QD用一個(gè)4輸入的或非門(mén)連起來(lái)，再把這兩個(gè)4輸入或非門(mén)的輸出用一個(gè)與門(mén)連起來(lái)。T5表示倒計(jì)時(shí)減到數(shù)“05”（0000 0101）時(shí)，把十位計(jì)數(shù)器的輸出端QA、QB、QC、QD用一個(gè)4輸入的或非門(mén)連接起來(lái)，個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出端QB、QD用一個(gè)兩輸入的或非門(mén)連接起來(lái)，再把這兩個(gè)

12、或非門(mén)與個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出端QA、QC用一個(gè)4輸入與門(mén)連接起來(lái)。最后將T5和T0這兩個(gè)定時(shí)信號(hào)用或門(mén)連接接入信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘端。連接后的電路總圖如圖5所示。圖5 交通燈控制信號(hào)電路總圖3.2.4 黃燈閃爍控制要求黃燈每秒閃一次，即黃燈每0.5s亮，0.5s滅，故用一個(gè)頻率為1Hz的脈沖與控制黃燈的輸出信號(hào)用一個(gè)與門(mén)連接到黃燈。整個(gè)交通燈控制電路如圖6所示。3.2.5 秒脈沖電路的產(chǎn)生秒脈沖產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)，主要由振蕩器和分頻器組成。振蕩器是計(jì)時(shí)器的核心，振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的精準(zhǔn)度決定了計(jì)時(shí)器的準(zhǔn)確度，可由石英晶體振蕩電路或555定時(shí)器與RC組成的多諧振蕩器構(gòu)成。一般來(lái)說(shuō)，

13、振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)的精度就越高，但耗電量將增大，故在設(shè)計(jì)時(shí)，一定根據(jù)需要設(shè)計(jì)出最佳電路。石英晶體振蕩器具有頻率準(zhǔn)確、振蕩穩(wěn)定、溫度系數(shù)小的特點(diǎn)，但如果精度要求不高的時(shí)候可以采用555構(gòu)成的多諧振蕩器。振蕩器產(chǎn)生的時(shí)間信號(hào)通常頻率很高，要使它變成秒信號(hào)，需要用分頻器來(lái)完成。其功能蛀主要是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)，即每秒產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘上升沿，頻率為1Hz。分頻器的級(jí)數(shù)和每級(jí)的分頻次數(shù)要根據(jù)振蕩器頻率及時(shí)基頻率來(lái)決定。若選用的時(shí)基頻率為1kHz，可采用三級(jí)74160做分頻器。74160是一個(gè)十進(jìn)制加法計(jì)時(shí)器，其功能如表3所示。表3 74160的功能表ENPENTCLKA B C DQA QB QC Q

14、D0××××××××0 0 0 010××××××A B C D1111××××計(jì)數(shù) 此列的秒脈沖產(chǎn)生電路主要由一個(gè)555定時(shí)器和三個(gè)十進(jìn)制的74160計(jì)數(shù)器構(gòu)成。其中，555定時(shí)器與RC組成多諧振蕩器，三個(gè)74160計(jì)數(shù)器組成分頻器。電路如圖6。 電路中多諧振蕩器輸出的是1KHz的脈沖信號(hào)，此信號(hào)作為第一級(jí)計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)。計(jì)數(shù)器的4個(gè)使能端ENP、ENT、LOAD、CLR均接高電平。由于74160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因

15、此計(jì)數(shù)器每計(jì)數(shù)滿(mǎn)10次后就有一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，此信號(hào)即為經(jīng)第一級(jí)計(jì)數(shù)器分頻后得到的100Hz脈沖信號(hào)，同理，這樣繼續(xù)兩次分頻后，就會(huì)出現(xiàn)就會(huì)依次得到10Hz、1Hz的脈沖信號(hào)。用四通道的示波器就能看清楚。如圖7。 圖6 秒脈沖產(chǎn)生電路圖圖7 四通道示波器仿真波形 以上四個(gè)波形從上到下依次為1KHz輸入信號(hào)、十分頻信號(hào)、百分頻信號(hào)、千分頻信號(hào)。第三個(gè)74160輸出的進(jìn)位信號(hào)即為1Hz的秒脈沖信號(hào)，將此信號(hào)接入交通燈信號(hào)控制器，作為倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，即可形成一個(gè)完整的交通燈信號(hào)控制器作品。4. 電路的測(cè)試與仿真 單擊啟動(dòng)按鈕，便可以進(jìn)行交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)仿真，電路默認(rèn)把通行時(shí)間設(shè)為25s，打開(kāi)開(kāi)

16、關(guān)，東西方向車(chē)道的綠燈亮，南北方向車(chē)道的紅燈亮。時(shí)間顯示器從預(yù)置的25s，以每秒減一，減到數(shù)“5”時(shí)，東西方向車(chē)道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，而且黃燈每秒閃亮一次，南北方向車(chē)道的紅燈都不變。減到數(shù)“0”時(shí)，1s后顯示器又轉(zhuǎn)換成預(yù)置的25s，東西方向車(chē)道的黃燈轉(zhuǎn)換為紅燈，南北方向車(chē)道的紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈。減到數(shù)“5”時(shí)，南北方向車(chē)道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，而且黃燈每秒閃一次，東西方向車(chē)道紅燈不變。如癡循環(huán)下去。 通過(guò)撥動(dòng)預(yù)置時(shí)間開(kāi)關(guān)，可以把通車(chē)時(shí)間修改為其他的值再進(jìn)行仿真（時(shí)間范圍為1到99s），效果同上段一樣，總開(kāi)關(guān)一打開(kāi)，東西方向車(chē)道的綠燈亮，時(shí)間倒計(jì)數(shù)5，車(chē)燈進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，到0s時(shí)又進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而且時(shí)間重置為預(yù)置的數(shù)值，如此循環(huán)。5. 元件清單JK觸發(fā)器7473N*2時(shí)鐘信號(hào)*27408N*8PROBE_RED*2PROBE_YELLOW*2PROBE_GREEN*274190N*27400N*174LS21N*17432N*14002BD_5V*24001BD_5V*1DCD_HE*26. 總結(jié)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我的思考和解決問(wèn)題的能力。電路原理和連接，和芯片上的選擇。鞏固數(shù)字邏輯電路的理論知識(shí)，對(duì)190、163、等計(jì)數(shù)器更加了解，懂得它的功能與其它芯片替換等.使JK觸發(fā)器從書(shū)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. 更重要的是如何將邏輯電路靈活運(yùn)用于實(shí)際生活。我覺(jué)得做課程設(shè)計(jì)同時(shí)