交通信燈電子技術課程設計

1、 電子信息與控制工程系課程設計 交通信號燈系統(tǒng)設計 18 / 18一、內(nèi)容摘要3二、交通信號燈設計內(nèi)容及要求3三、方案分析3四、 原理圖設計51 信號燈狀態(tài)控制器52 信號燈譯碼驅(qū)動電路73 置數(shù)譯碼電路84 計時系統(tǒng)85 顯示譯碼器96 共陰七段LED共陰數(shù)碼管117 555振蕩器構(gòu)成的秒脈沖電路118 元件清單13五、 整體電路圖以及工作原理14六、 原理圖仿真14七、 收獲、體會和建議15八、 參考文獻16附錄一17一、內(nèi)容摘要本電路通過由兩個D觸發(fā)器組成的四進制計數(shù)器和由與非門組成的譯碼器來控制主干道和支干道紅、黃、綠燈的狀態(tài)變化，從而達到疏導車輛安全順利通過十字路口的作用，由555計

2、時和電容電阻組成秒脈沖發(fā)生器；計時器由兩個74LS190計數(shù)器組成，分別用于計時間的十位和個位；顯示譯碼器把74LS190輸出的BCD碼譯成7位二進制代碼，驅(qū)動數(shù)碼管顯示相應的BCD碼所對應的十進制數(shù)。二、交通信號燈設計內(nèi)容及要求 由一條主干道和一條支干道的匯合形成十字路口，為確保車輛安全、迅速地通行，在交叉路口的每一個入口處設置了紅、綠、黃三色信號燈。紅燈亮禁止通行；綠燈亮允許通行；黃燈亮則給行使中的車輛有時間?？康浇芯€之外；任務和要求： 1、主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒。2、 每次綠燈變紅燈時，黃燈先亮5秒，此時原紅燈不變。3、 用十進制數(shù)字顯示放行

3、及等待時間。三、方案分析 十字路口的紅綠燈指揮著行人和各種車輛的安全通行。有一個主干道和一個支干道的十字路口如圖所示。每邊都設置了紅、綠、黃色信號燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行，在綠燈變紅燈時先要求黃燈亮幾秒鐘，以便讓停車線以外的車輛停止運行。因為主干道上的車輛多，所以主干道放行的時間要長。 路口交通指揮系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)工作流程圖如圖所示。主干道綠燈亮，支干道紅亮，計數(shù)器由30開始遞減計數(shù)S1主干道黃燈亮，支干道紅燈亮，計數(shù)器由5開始遞減計數(shù)S2主干道紅燈亮，支干道綠燈亮，計數(shù)器由20開始遞減計數(shù)S3主干道紅燈亮，支干道黃燈亮，計數(shù)器由5開始遞減計數(shù)S4系統(tǒng)工作流程圖要實現(xiàn)上述交通信

4、號燈的自動控制，則要求控制電路由時鐘信號發(fā)生器、計數(shù)器、信號燈譯碼驅(qū)動電路、信號燈譯碼驅(qū)動電路和數(shù)字顯示譯碼驅(qū)動電路等幾部分組成，整機電路的原理框圖如圖所示。四個路口設有紅、黃、綠三色燈和兩位8421BCD碼的計數(shù)、譯碼顯示器。主干道信號燈 數(shù)碼管交通燈狀態(tài)控制器信號燈譯碼驅(qū)動電路譯碼器支干道信號燈計時系統(tǒng)置數(shù)譯碼電路時鐘信號發(fā)生器交通信號燈控制系統(tǒng)原理組成框圖十字路口車輛運行情況只有4種可能：1）設開始時主干道通行，支干道不通行，這種情況下主綠燈和支紅燈亮，持續(xù)時間為30s。2）30s后，主干道停車，支干道仍不通行，這種情況下主黃燈和支紅燈亮，持續(xù)時間為5s。3）5s后，主干道不通行，支干道

5、通行，這種情況下主紅燈和支綠燈亮，持續(xù)時間為20s。4）50s后，主干道仍不通行，支干道停車，這種情況下主紅燈和支黃燈亮，持續(xù)時間為5s。5s后又回到第一種情況，如此循環(huán)反復。因此，要求主控制電路也有4種狀態(tài)，設這4種狀態(tài)依次為：S0、S1、S2、S3。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖所示。S0S1S2S330s后5s后20s后5s后狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 4、 原理圖設計1 信號燈狀態(tài)控制器74LS90引腳排列圖與邏輯圖十字路口車輛運行情況只有4種可能，實現(xiàn)這4個狀態(tài)的電路，可用兩個觸發(fā)器構(gòu)成，也可用一個二-十進制計數(shù)器或二進制計數(shù)器構(gòu)成。我采用二-十進制計數(shù)器74LS90實現(xiàn)。采用反饋歸零法構(gòu)成4進制計數(shù)器,即可從輸出

6、端QBQA得到所要求的4個狀態(tài)。圖4-1 74LS90管腳排列圖,邏輯圖如圖所示。為以后敘述方便，設X1=QB,X0=QA。 74LS90管腳排列圖 主控制器的邏輯圖3.2 74LS90的功能表及引腳功能.74LS90功能表輸 入 輸 出 功 能 清 0 置 9 時 鐘 QD QC QB QA R0(1)、R0(2) S9(1)、S9(2) CP1 CP2 1 1 0 × × 0 × × 0 0 0 0 清 0 0 × × 0 1 1 × × 1 0 0 1 置 9 0 × × 0 0 

7、0;×× 0 1 QA輸出二進制計數(shù) 1 QDQCQB輸出五進制計數(shù) QA QDQCQBQA輸出 8421BCD 碼 十進制計數(shù) QD QAQDQCQB輸出 5421BCD 碼 十進制計數(shù) 1 1 不 變 保 持 如表7 4LS90功能表：7 4LS90邏輯功能為(1)計數(shù)脈沖從CP1輸入，QA作為輸出端，為二進制計數(shù)器。 (2)計數(shù)脈沖從CP2輸入，QDQCQB作為輸出端，為異步五進制加法計數(shù)器。 (3)若將CP2和QA相連，計數(shù)脈沖由CP1輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端，則構(gòu)成異步8421碼十進制加法計數(shù)器。 (4)若將CP1與QD相連，計數(shù)脈沖由CP2輸入，Q

8、A、QD、QC、QB作為輸出端，則構(gòu)成異步5421碼十進制加法計數(shù)器。 (5)清零、置9功能。a) 異步清零當R0(1)、R0(2)均為“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”時，實現(xiàn)異步清零功能，即QDQCQBQA0000。b) 置9功能當S9(1)、S9(2)均為“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”時，實現(xiàn)置9功能，即QDQCQBQA1001。2 信號燈譯碼驅(qū)動電路主、支干道上紅、黃、綠信號燈的狀態(tài)主要取決于狀態(tài)控制器的輸出狀態(tài)。它們之間的關系見真值表。對于信號燈的狀態(tài)，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅。列出信號燈的真值表：狀態(tài)控制器輸出主干道信號燈支干道信號燈Q1Q0紅（R）黃（Y）綠

9、（G）紅（r）黃（y）綠（g）00110101001101001000110000010010根據(jù)真值表可以寫出各信號燈的邏輯函數(shù)式： 用發(fā)光二極管模擬交通燈的工作狀態(tài)，根據(jù)邏輯函數(shù)表達式畫出的電路圖如圖所示。因為門電路帶灌電流負載的能力強，故設計成門電路輸出低電平時，相應的發(fā)光二極管亮。3 置數(shù)譯碼電路要實現(xiàn)30秒、20秒、5秒倒計時，就要在計數(shù)器倒計時到零的時候給計數(shù)器的置數(shù)端送入下一狀態(tài)相應的時間數(shù)。列出置真值表：Q1 Q0 h g f e d c b a0 00 11 01 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1

10、1 0 0 0 0根據(jù)真值表可以寫出邏輯函數(shù)表達式：h=0 g=0 f=Q0 e=Q1Q0 d=0 c=a=Q0' b=04 計時系統(tǒng)74LS192具有可對8421BCD進行計數(shù)、可逆計數(shù)、有聯(lián)級脈沖輸出、可由送數(shù)控制進行異步置數(shù)、并行輸出、可聯(lián)級到n位應用等功能，所以可以用74LS192做為計時系統(tǒng)的計時器。74LS192的時序圖：74LS192的引腳排序圖：74SL192的功能表：計時系統(tǒng)由兩片74LS192構(gòu)成的計數(shù)器、74HC00和74HC04構(gòu)成的置數(shù)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號輸出電路組成。如圖所示。用兩片74LS192組成兩位十進制減法計數(shù)器，當計數(shù)器狀態(tài)為零時，U5C輸出信號load

11、,作為置數(shù)控制信號，將置數(shù)譯碼器輸出的數(shù)據(jù)送入計數(shù)器。Load送入狀態(tài)計數(shù)器74LS90，作為狀態(tài)計數(shù)器的時鐘脈沖。RC是脈沖輸出，PL置數(shù)端，U/C=1減計數(shù)5 顯示譯碼器CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流。可直接驅(qū)動LED顯示器。CD4511 是一片 CMOS BCD鎖存/7 段譯碼/驅(qū)動器，引腳排列如圖所示。其中a b c d 為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被

12、點亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時， B1端應加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點，當輸入數(shù)據(jù)越過十進制數(shù)9(1001)時，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù)。ag是 7 段輸出，可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應用中應接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓5V時可使用300的限流電阻。CD4511引腳排序圖：七段顯示譯碼電路真值表：CD4511接線圖：6 共陰七段LED共陰數(shù)碼管數(shù)碼管分為共陽極結(jié)構(gòu)和共陰極結(jié)構(gòu)。若顯示器共陰極連接，則對

13、應陽極接高電平的字段發(fā)光；而顯示器共陽極連接，則接低電平的字段發(fā)光。數(shù)碼管的每段都加一個360的電阻。數(shù)碼管的接線圖：7 555振蕩器構(gòu)成的秒脈沖電路時器555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳排列圖，如內(nèi)部電路圖，引腳排列圖。555定時器內(nèi)部含有一個基本RS觸發(fā)器，配個電壓比較器C1,C2,一個放電三極管T由三個5K的電阻的分配器，555定時器因此而得名一個輸出緩沖器G3。比較器C1的參考電壓為2VCC/3加在同相輸入端C2的參考電壓為VCC/3加在反相輸入端，兩者均由分在器上取得。 555定時器引腳排列圖 555的內(nèi)部電路圖555定時器個引線端的用途如下：1端為接地線；2端為低電平觸發(fā)端，也稱為觸發(fā)輸入

14、端。當2端的輸入高電壓高 于VCC/3時，C2輸出為1；當輸入電壓低于VCC/3時，C2的輸出為0，使基本觸發(fā)器置1；3端U0為輸出端；4端是復位端，當=0時，基本觸發(fā)器直接置0，使Q=0，=1；5端UDD 為電壓控制端，如果CO 端另加控制電壓，則可以改變C1，C2的參考電壓。工作中不使用CO 端時，一般都通過一個0.01uF的電容接地，以防旁路干擾；6端TH 為高電平觸發(fā)端，當輸入電壓低于2VCC/3時，C1的輸出為1；當輸入電壓高于2VCC/3時，C1的輸出為0，使基本觸發(fā)器置0，即Q0=0，=1，這時定時器輸出U0=0；7端D為放電端。當基本觸發(fā)器的=1時，放電晶體管T導通，外接電容元

15、件通過T放電；8端VCC為電源端，可在4.3-1.6V范圍內(nèi)使用，若為CMOS電路，則VCC=3-18V。 555定時器功能表，它全面表示了555的基本功能：多諧振蕩器產(chǎn)生矩形波的自激振蕩電路，由于矩形波包含和高次諧波成分，因此稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時毋須外加發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩）。用555實現(xiàn)多諧振需要外接電阻R1，R2和電容C，并外接+5V的直流電源。只需在+VCC端接上+5V的電源，就能在3腳產(chǎn)生周期性的方波，如圖所示。3腳輸出的言方波的周期為 T=(R1+R2)Cln2本電路采取R1=15K,R2=68K,C1=0.1uF

16、,C2=10uF。8 元件清單元件數(shù)量74LS192274LS90174HC00274HC041CD45112NE5551電阻、電容若干LED6共陰數(shù)碼管25、 整體電路圖以及工作原理整體電路圖見附錄一。由555組成的振蕩器產(chǎn)生周期為一秒的時鐘信號，送給計時器，計時器做減法計數(shù)，CD4511譯碼器把計時器輸出的8421BCD碼譯成驅(qū)動數(shù)碼管顯示的七段二進制代碼，使數(shù)碼管顯示相應的十進制數(shù)。當計時器減到零狀態(tài)，RCO1和RCO2分別輸出一個低電平信號，通過非門和與非門，load輸出一個低電平信號，置數(shù)譯碼電路輸出的數(shù)據(jù)送入計時器，load在上升沿到來時，信號燈狀態(tài)控制器的計數(shù)器加1，信號燈轉(zhuǎn)到下

17、一狀態(tài)。計時器繼續(xù)倒計時，如此循環(huán)下去。6、 原理圖仿真這里用的是Proteus仿真軟件，仿真原理圖如下圖：主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，開始30秒倒計時。 主干道黃燈亮，支干道紅燈亮，開始5秒倒計時。 主干道紅燈亮，支干道綠燈亮，開始20秒倒計時。主干道紅燈亮，支干道黃燈亮，開始5秒倒計時。從仿真結(jié)果可知，計時器能夠正確置數(shù)，時間顯示正常，仿真符合題目要求。7、 收獲、體會和建議查找教材，資料，相應軟件，為了這次課程設計，我們在圖書館查找了大量的相關資料，終于被我找全了和本次課程設計相關的不懂問題。根據(jù)所分析的系統(tǒng)的電路原理圖，結(jié)合系統(tǒng)的設計要求，在Proteus環(huán)境下進行元器件之間的連線和編

18、譯與仿真，及時檢查元器件的放置、連線是否有錯誤。 根據(jù)交通燈系統(tǒng)的控制要求，經(jīng)過實驗，排除所有實驗中的錯誤并實現(xiàn)了預定的功能。在老師的指導下，通過學習交通燈系統(tǒng)控制器的設計的實驗，學習一種設計電子的軟件，增加了我們對電子設計的了解。通過這次課程設計我們對于EDA技術多多少少有了一些了解，EDA技術發(fā)展迅速，有著廣闊的應用前景，設計面廣，內(nèi)容豐富，它用軟件的方法設計硬件；用軟件方式設計的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關的開發(fā)軟件自動完成的；在設計過程中可用有關軟件進行各種仿真；系統(tǒng)可現(xiàn)場編程，在線升級；整個系統(tǒng)可集成在一個芯片上，體積小，功率低，可靠性高。EDA技術以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O計載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達方法，以計算機，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_發(fā)軟件及實驗開發(fā)系統(tǒng)為設計工具，通過有關的開發(fā)軟件，自動完成用軟件方式設計的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的邏輯編譯，邏輯化簡，邏輯分割，邏輯綜合及優(yōu)化，邏輯布局布線，邏輯仿真，直至特定目標芯片的適配便宜，邏輯映射，編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒囊婚T新技術。其中大規(guī)?？删幊唐骷抢肊DA技術進行電子系統(tǒng)設計的載體，硬件描述語言是利用EDA技術進行電子系統(tǒng)設計的主要表達手段，軟件開發(fā)工具是利用EDA技術進行電子系統(tǒng)設計的智能化的自動化