數(shù)電交通燈課程設(shè)計(jì)(定稿)doc

1、華北科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)交通燈控制電路目錄1設(shè)計(jì)目的 22設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 33設(shè)計(jì)思路 34設(shè)計(jì)過程 3 4.1方案論證3 4.2電路設(shè)計(jì)7 4.2.1秒脈沖發(fā)生器 7 4.2.2定時(shí)器9 4.2.3控制器 11 4.2.4譯碼電路 14 4.2.5顯示部分 155系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果16 6結(jié)論 17 7設(shè)計(jì)心得體會178附錄 18 9 參考文獻(xiàn) 20交通燈控制電路1 、設(shè)計(jì)目的（1）熟悉集成電路的引腳安排。（2）掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。（3）了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法。（4）了解數(shù)字交通燈控制電路的組成及工作原理。（5）學(xué)會用仿真軟件對設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行仿真。（6）熟悉數(shù)字交通燈控制電路的設(shè)計(jì)

2、與制作。2、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求： 設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口交通信號燈控制器，其要求如下： 1 它們的工作方式滿足圖1順序的工作流程，途中設(shè)南北向的紅、黃、綠燈分別為NSR、 NSY、NSG，東西向的紅、黃、綠燈分別為EWR、EWY、EWG，其中紅燈(R)亮，表示該條道路禁止通行，黃燈(Y)亮表示停車，綠燈(G)亮表示允許通行。 2 兩個(gè)方向的工作時(shí)序：東西向亮紅燈時(shí)間應(yīng)等于南北向亮黃、綠燈時(shí)間之和，南北向亮紅燈時(shí)間應(yīng)等于東西向亮黃、綠燈時(shí)間之和。 3 十字路口有數(shù)字顯示，作為時(shí)間提示，以便人們更直觀地把握時(shí)間。 4 可以手動調(diào)整和自動調(diào)整，夜間為黃燈閃耀。3.設(shè)計(jì)思路（1）設(shè)計(jì)秒脈沖發(fā)生器（2）設(shè)計(jì)交通燈

3、定時(shí)電路（3）設(shè)計(jì)交通燈控制電路（4）設(shè)計(jì)交通燈譯碼電路（5）設(shè)計(jì)交通燈顯示時(shí)間電路4.設(shè)計(jì)過程 4.1方案論證方案一 用數(shù)電電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)交通燈控制 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)鐘信號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作，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：用甲車道表示南北方向的道路，乙車道表示東西方向的車道。 TL: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時(shí)間間隔為30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

4、：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。由它控制定時(shí)器開始下個(gè)工作狀態(tài)的定時(shí)。 圖1 系統(tǒng)的原理框圖 交通燈控制器的ASM 如圖2所示（1）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ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （2）乙車道黃燈亮，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ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （3）甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮。表

5、示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行綠燈亮足規(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ST，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。 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)及功能如表1、2所示，控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見，把燈的代號和燈

6、的驅(qū)動信號合二為一，并作如下表1規(guī)定：表1 控制器的工作狀態(tài)及功能控制狀態(tài)信號燈狀態(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，乙車道通行S2（10）甲紅，乙黃甲車道禁止通行，乙車道緩行NSG=1甲車道綠燈亮甲車道通行EWG=1乙車道綠燈亮乙車道通行NSY=1甲車道黃燈亮甲車道緩行EWY=1乙車道黃燈亮乙車道緩行NSR=1甲車道紅燈亮甲車道禁止通行EWY=1乙車道紅燈亮乙車道禁止通行由此得到交通燈的ASM圖，如 圖2所示。設(shè)控制器的初始狀態(tài)為S0（用狀態(tài)框表示S0），當(dāng)S0的持續(xù)時(shí)間小于25

7、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ST（用條件輸出框表示ST），并轉(zhuǎn)換到下一個(gè)工作狀態(tài)。圖2 交通燈的ASM圖方案二 用單片機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)交通燈控制 用單片機(jī)技術(shù)來來實(shí)現(xiàn)交通燈控制是最容易實(shí)現(xiàn)的，而且該電路可靠性也很高，但是這是要求設(shè)計(jì)者要有單片機(jī)編程的基礎(chǔ)上才能完成設(shè)計(jì)。由于本人單片機(jī)編程基礎(chǔ)不是很好，所以選用了數(shù)字電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)交通燈控制。4.2單元電路的設(shè)計(jì) 4.2.1秒脈沖發(fā)生器 秒脈沖發(fā)生器由LM555CN電路及外圍電路組成，其中R16=10K、R15=10K,R23=100K,C1=10nF,C2

8、=1uF的電阻電容值決定了脈沖寬度。既T=(R23+2R16)C1ln2當(dāng)T=1S，即可湊出R8、R9、C2其中C2=1uF是為了保持輸出的波形的穩(wěn)定。 如圖3所示， R16=10K、R15=10K,C2=1uF組成一個(gè)串聯(lián)RC充放電電路，在LM555CN的7腳上輸出一個(gè)方波信號，C2上得到一個(gè)三角波。此三角波送到NE555的2腳輸入端。由LM555CN內(nèi)部的比較器和門電路共同作用，維持7腳上的方波信號和3腳上的輸出方波。圖3 秒脈沖發(fā)生器原理圖秒脈沖還可以由芯片CD4060和74LS74及其外圍電路構(gòu)成如圖5，該電路選用石英晶體結(jié)構(gòu)成振蕩器，在經(jīng)過分頻電路得到秒脈沖。振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精

9、度越高。如果精度要求不高也可以采用集成邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器以及由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。因此，該設(shè)計(jì)選著由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器來產(chǎn)生秒脈沖。圖4 石英晶體和分頻器構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器4.2.2定時(shí)器 定時(shí)器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，要求計(jì)數(shù)器在狀態(tài)信號ST作用下，首先置數(shù)，然后在時(shí)鐘脈沖上升沿作用下，計(jì)數(shù)器從置入的數(shù)開始進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，當(dāng)減到零時(shí)通過非同步借位輸出端向控制器提供脈沖。計(jì)數(shù)器選用集成電路40192BD進(jìn)行設(shè)計(jì)較簡便。40192BD是10進(jìn)制同步減法計(jì)數(shù)器，它具有異步清零、同步置數(shù)的功能。40192BD功

10、能表如表2所示。表2 40192BD功能表CLKCPUCPD PL MR工作狀態(tài)XX XX1X X 1 1000X011 置零 預(yù)置數(shù) 減計(jì)數(shù) 加計(jì)數(shù)表中PL是高電平有效的同步清零輸入端，MR是低電平有效才同步并行置數(shù)控制端，CPU是減計(jì)數(shù)端，CPD是加計(jì)數(shù)端，CIK為脈沖。 圖5 交通燈定時(shí)器其工作原理為：由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖CLK送給U6的減計(jì)數(shù)端，如圖5所示，MR接低電平，CPU接高電平，1、9輸入端接地，10、15輸入端接控制器輸出的信號，2、3、6、7輸出端接4511BD譯碼器使得輸出的信號通過譯碼器輸入到顯示器上顯示出來，將13（非同步借位輸出端）接U5的減計(jì)數(shù)端，U5的MR

11、也接低電平，CPU接高電平，9、10輸出端接地，1、15輸入端接控制器輸出的信號，同樣2、3、6、7輸出端接4511BD譯碼器使得輸出的信號通過譯碼器輸入到顯示器上顯示出來，將13（非同步借位輸出端）接U5和U6的置數(shù)端使得當(dāng)13有脈沖輸出時(shí)U5和U6置入相應(yīng)的數(shù)。4.2.3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)則控制信號燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換?？刂破饔芍鲝腏K觸發(fā)器構(gòu)成，主從JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表如下表3：表3主從JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表 主從JK觸發(fā)器的波形圖如下圖6圖6 主從JK觸發(fā)器的波形圖控制器原理圖如圖7所示。圖中U1A的JK觸發(fā)器因?yàn)镴端和K端相連，所以它實(shí)現(xiàn)的

12、功能為T觸發(fā)器的功能。列出T觸發(fā)器的特性表如下表4： 表4 T觸發(fā)器特性表TQQ*001101010110圖7 交通燈控制器其原理為： CLK分別送給U1A和U1B的3和13的脈沖輸入端。當(dāng)開始時(shí)U1B的10輸入端輸入的是0時(shí)，當(dāng)脈沖到來時(shí)輸出端15輸出的為0，且一部分輸出信號輸送給計(jì)數(shù)器的輸入端和74ALS11AM即譯碼電路，另一部分信號輸入到U1A的J和K端故U1A的實(shí)際功能為T觸發(fā)器，當(dāng)脈沖到來時(shí)U1A的1輸出端保持原先的輸出狀態(tài)，同樣輸出的信號一部分輸送到了計(jì)數(shù)器的輸入端和74ALS11AM即譯碼電路，另一部分信號輸入到了4081BD中通過這些與門和或門的邏輯選擇，最后又輸入到U1B的

13、10端，而這是輸入到10端的就變成1了，當(dāng)脈沖到來時(shí)U1B的輸出端15輸出的為1，同理U1A的J和K端就接收到1，當(dāng)脈沖到來時(shí)輸出端則輸出1狀態(tài)，然后又回到4081BD中這樣循環(huán)下去。4.2.4譯碼電路 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)，翻譯成南北、東西車道上6個(gè)信號燈的工作狀態(tài)?？刂破鞯臓顟B(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關(guān)系如表5所示。表中NS,EW代表南北、東西車道。表5 控制器狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表Q1 Q0NSG綠燈NSY黃燈NSR紅燈EWG綠燈EWY黃燈EWR紅燈0 01000010 10100011 00011001 1001010由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生了周期性

14、變化的CLK脈沖，一部分送給了定時(shí)器的40192BD芯片，另一部分送給通過開關(guān)控制的4081BD。在脈沖ST同時(shí)加到定時(shí)器40192BD 芯片的情況下，單滿足一點(diǎn)條件時(shí)40192BD芯片的TCD(非同步借位輸出端)輸出的高低電位會發(fā)生變化，然后送到4027BD的脈沖輸入端?？刂破髦械男盘栐谒徒o由芯片4081BD組成的譯碼器后再通過電路中的指示燈從而得到交通燈的邏輯電路，這種電路的結(jié)果最終通過小燈的正常閃爍來實(shí)現(xiàn)。電路圖設(shè)計(jì)如圖8：圖8譯碼器部分原理圖4.2.5顯示部分 顯示部分由40192BD和共陰極七段數(shù)碼管組成，4511BD作為譯碼器，對40192BD的輸出信號進(jìn)行譯碼，然后通過七段數(shù)碼管

15、顯示出40192BD的計(jì)數(shù)。即交通燈需要顯示的時(shí)間。其設(shè)計(jì)如圖9：圖9 由4511BD和數(shù)碼管組成的電路5系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果（1）組裝調(diào)試秒脈沖電路。（2）進(jìn)行定時(shí)電路的組裝和調(diào)試。當(dāng)輸人1Hz的時(shí)鐘脈沖信號時(shí)，要求電路能進(jìn)行減計(jì)時(shí)，從30減計(jì)時(shí)到0時(shí)，能輸電有效的定時(shí)時(shí)間到信號。（3）調(diào)試交通燈控制器以及顯示部分。 （4）判斷各部分電路之間的時(shí)序配合關(guān)系。然后檢查電路各部分的功能，使其滿足設(shè)計(jì)要求。最終調(diào)試如下：接上電源,便可以進(jìn)行交通燈控制系統(tǒng)的仿真，電路默認(rèn)把通車時(shí)間設(shè)為30秒，南北車道方向綠燈亮，行人車輛都可自由通行；東西車道方向車道的紅燈亮，車輛禁止通行。時(shí)間顯示器從預(yù)置的30秒，以每秒

16、減1，減到0時(shí)，南北道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，其余燈都不變。時(shí)間顯示器置為5秒，然后以每秒減1，減到0后時(shí)南北車道的黃燈轉(zhuǎn)換為紅燈；南北車道的紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈。如此循環(huán)下去。6、結(jié)論1、能實(shí)現(xiàn)的功能   交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和計(jì)時(shí)時(shí)間的顯示，基本能實(shí)現(xiàn)南北、東西車道路方向顯示通行功能，可避免發(fā)生交通事故。夜間黃燈閃爍。2、不足之處 交通燈的紅燈顯示時(shí)間是綠燈和黃燈時(shí)間之和，結(jié)果顯示器顯示的時(shí)候紅燈的時(shí)間成了兩段，一段是綠燈的時(shí)間，一段是紅燈的時(shí)間。還有就是用的芯片太多，線連得有點(diǎn)亂。 7、設(shè)計(jì)心得體會開始拿到題目的時(shí)候，不知道怎么去做,因?yàn)閿?shù)電這門課學(xué)的不是很好了，自己對這門課的設(shè)計(jì)都

17、不是很會，對很多的芯片的功能都不是很清楚，所以做得特別認(rèn)真，雖然做的過程中遇到了一些問題不過還是在其他同學(xué)的幫助下順利地解決了。從收集資料到仿真一共用了兩周的時(shí)間。這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)兩個(gè)星期。通過這兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)了自己的很多缺點(diǎn)與不足，自己知識的漏洞，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還急需提高。 通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我動手、思考和解決問題的能力.現(xiàn)在設(shè)計(jì)已經(jīng)做好了,但是控制器控制信號燈不是很好。雖然花了很多的時(shí)間，但學(xué)到了很多東西。做課程設(shè)計(jì)的時(shí)候,自己把整個(gè)書本都看了幾遍，增強(qiáng)了自己對知識的理解，很多以前不是很懂的問題現(xiàn)在都已經(jīng)一一解決了。在課程設(shè)計(jì)的過程中

18、，我想了很多種方案，對同一個(gè)問題(像計(jì)數(shù)器的接法)都想了很多種不同的接法，運(yùn)用不同的芯片進(jìn)行了比較，最后還是采取了上面的方法進(jìn)行連接。本次課程設(shè)計(jì)也讓我加深了對電子線路基本知識的理解，提高了我的綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力，增強(qiáng)了我的根據(jù)課程需要選學(xué)參考資料，查閱手冊、圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力。同時(shí)我也初步學(xué)習(xí)到了關(guān)于課程設(shè)計(jì)的基本方法、步驟和撰寫設(shè)計(jì)論文的格式。8 、附錄 總原理圖11和原件表6：圖11 仿真圖 表6 所用元件明細(xì)表描述RefDes數(shù)量1CMOS_5V, 4511BD_5VU7, U8, U24, U2542CMOS_5V, 40192BD_5VU5, U6, U22, U2343CAPACITOR, 10nFC114RESISTOR, 10k 5%R15, R1625CAP_ELECTROLIT, 1µFC21674LS, 74LS90DU2117SWITCH, SPDTJ118CMOS_5V, 4069BCL_5VU419CMOS_5V, 4027BD_5VU1110CMOS_5V, 4081BD_5VU2, U11, U13311CMOS_5V, 4071BD_5VU3112TIMER, LM555CNU1211374ALS, 74ALS05ANU20114LED_yellow