電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)(交通燈)

1、湖南文理學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱(chēng)： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 教學(xué)院部： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 報(bào)告成績(jī)： 評(píng)閱意見(jiàn)： 評(píng)閱教師 日期 目錄一、引言 3二、設(shè)計(jì)題目 3三、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 3四、方案選擇與論證 3五、單元電路設(shè)計(jì) 4 1、脈沖發(fā)生器 2、定時(shí)器 3、控制器 4、譯碼器 5、交通信號(hào)燈 六、總電路圖及其原理說(shuō)明 9七、仿真過(guò)程與效果分析 11 八、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及元器件清單 12 九、心得體會(huì)與總結(jié) 13 十、參考文獻(xiàn) 13 一、引言： 數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)是高等學(xué)校弱點(diǎn)類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。這門(mén)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。

2、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(chē)、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已經(jīng)成為交通管理部門(mén)亟待需要解決的問(wèn)題之一。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)代化城市交通監(jiān)測(cè)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(chē)量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京、長(zhǎng)沙等大城市都出現(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公路，在高速公路建成完成的初期，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)揮預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，也決定

3、了城市高速道路的交通道路必然受高速與普通道路耦合處交通住哪個(gè)科的制約。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(mén)亟待解決的問(wèn)題。為此，本次設(shè)計(jì)完成的就是交通燈設(shè)計(jì)。以下就是城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)的電路原理圖、設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)調(diào)試等問(wèn)題來(lái)具體分析討論。二、設(shè)計(jì)題目：交通燈控制器設(shè)計(jì)三、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的交通信號(hào)燈控制器，控制A、B兩條交叉道路上的車(chē)輛通行，具體要求如下：(1)每條道路設(shè)一組信號(hào)燈，每組信號(hào)燈有紅、綠、黃三個(gè)燈組成，綠燈表示允許通行，紅燈表示禁止通行，黃燈表示該車(chē)道

4、上已過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛繼續(xù)通行，未過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛停止通行。(2)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； (3)每次交換通行車(chē)道之前，要求黃燈先亮5秒，才能變換運(yùn)行車(chē)道； (4)黃燈亮?xí)r，要求每秒鐘閃亮一次 。 四、方案選擇與論證： 1 ）電源提供方案為使模塊穩(wěn)定工作，須有可靠電源，我們考慮了兩種電源方案方案一： 采用獨(dú)立的穩(wěn)壓電源，此方案的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點(diǎn)是各模塊都采用獨(dú)立，會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜，且可能影響電路電平。方案二： 采用單片機(jī)控制模塊提供電源，改方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)明扼要。節(jié)約成本；缺點(diǎn)是輸出功率不高。綜上所述，我們選擇第二種方案。

5、2 ) 顯示界面方案該系統(tǒng)要求完成倒計(jì)時(shí)、狀態(tài)燈等功能，基于上述原因，我們考慮了三種方案；方案一： 完全采用數(shù)碼管顯示，這種方案只顯示有限的符號(hào)和數(shù)碼字符，無(wú)法勝任題目要求。方案二： 完全采用點(diǎn)陣式LED顯示。這種方案實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且須完成大量的軟件工作,但功能強(qiáng)大，可方便的顯示各種英文字符、漢字、圖形等。方案三： 采用數(shù)碼管與點(diǎn)陣LED相結(jié)合的方法因?yàn)樵O(shè)計(jì)既要求倒計(jì)時(shí)數(shù)字輸出，又要求有狀態(tài)燈輸出等。為方便觀(guān)看并考慮到現(xiàn)實(shí)情況測(cè)探數(shù)碼管與LED燈分別顯示時(shí)間與提示信息，這種方案既滿(mǎn)足系統(tǒng)功能要求，又減少了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。權(quán)衡利弊。第三種方案可互補(bǔ)一二方案的公優(yōu)缺，我們決定采用方案三以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的顯

6、示功能。3）輸入方案： 題目要求系統(tǒng)能手動(dòng)設(shè)燈亮?xí)r間、緊急情況處理，我們討論了兩種方案：方案一： 采用8155擴(kuò)展I/O口及鍵盤(pán)，顯示等。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：使用靈活可編程，并且有RAM,及計(jì)數(shù)器。若用該方案，可提供較多I/O口，但操作起來(lái)稍顯復(fù)雜。方案二： 直接在I/O口線(xiàn)上接上按鍵開(kāi)關(guān)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)精簡(jiǎn)和優(yōu)化了電路，所以剩余的口資源還比較多，我們使用四個(gè)按鍵，分別是K1、K2、K3、K4。由于該系統(tǒng)對(duì)于交通燈及數(shù)碼管的控制，只用單片機(jī)本身的I/O口就可實(shí)現(xiàn)，且本身的計(jì)數(shù)器及RAM已經(jīng)夠用，估選擇方案二。五、單元設(shè)計(jì) (1)脈沖發(fā)生器 脈沖信號(hào)發(fā)生器用的是555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率為：

7、F=1.43/(R1+2R2)C電路圖如下圖1：圖1（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(hào)ST作用下，首先清零，然后在時(shí)鐘脈沖上升沿作用下，計(jì)數(shù)器從零開(kāi)始進(jìn)行增1計(jì)數(shù)，向控制器提供模5的定時(shí)信號(hào)TY和模25的定時(shí)信號(hào)TL。 計(jì)數(shù)器選用集成電路74LS163進(jìn)行設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)便。74LS163是4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，它具有同步清零、同步置數(shù)的功能。74LS163的外引線(xiàn)排列圖如圖2所示，其功能表如表1所示。圖2中CR是低電平有效的同步清零輸入端， LD是高電平有效才同步并行置數(shù)控制端，CTP、CTT是交通燈的ASM圖數(shù)控制端，CO是進(jìn)位輸出端，

8、D0D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q0Q3是數(shù)據(jù)輸出端。由兩片74LS163級(jí)聯(lián)組成的定時(shí)器電路如圖3所示。 圖2 74LS163的外引線(xiàn)排列圖表1 74LS163功能表（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(hào)燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。從ASM圖可以列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表1所示。選用兩個(gè)D觸發(fā)器FF1、FFO做為時(shí)序寄存器產(chǎn)生 4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為T(mén)L和TY，當(dāng)控制器處于Q1n+1Q0n+1 00狀態(tài)時(shí)，如果TL 0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果，則控制器轉(zhuǎn)換到Q1n+1Q0n+1 01狀態(tài)。這兩種情況與條件TY無(wú)關(guān)，所以用無(wú)關(guān)項(xiàng)"X"表示

9、。其余情況依次類(lèi)推，同時(shí)表中還列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST。 圖3定時(shí)器電路圖表2 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表根據(jù)表2可以推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號(hào)方程，其方法是：將Q1n+1、Q0n+1和 ST為1的項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的輸入或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與，其中"1"用原變量表示，"0"用反變量表示，然后將各與項(xiàng)相或，即可得到下面的方程： 根據(jù)以上方程，選用數(shù)據(jù)選擇器 74LS153來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值（ ）加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇輸入端作為控制信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)控制器的功能?？刂破鞯倪壿媹D如圖4所示。圖中R、C構(gòu)成上電復(fù)位電路 。 圖4 控制器邏輯圖（4）譯碼器 譯

10、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)，翻譯成甲、乙車(chē)道上6個(gè)信號(hào)燈的工作狀態(tài)。控制器的狀態(tài)編碼與信號(hào)燈控制信號(hào)之間的關(guān)系表3控制器的狀態(tài)編碼與信號(hào)燈控制信號(hào)關(guān)系圖5 交通信號(hào)燈圖（六個(gè)發(fā)光二極管，注意二極管的極性。）六、總電路圖及其原理說(shuō)明：交通燈控制系統(tǒng)的原理圖如圖6所示。它主要有控制器、定時(shí)器、譯碼器和脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分組成。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，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)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6中：TL：表示甲車(chē)道或乙車(chē)道綠燈亮的時(shí)間間隔為25秒，即車(chē)輛正常通行的時(shí)間

11、間隔。定時(shí)時(shí)間到，TL=1,否則，TL=0. TY: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(hào)。由它控制定時(shí)器開(kāi)始下個(gè)工作狀態(tài)的定時(shí)。 兩方向車(chē)道的交通燈的運(yùn)行狀態(tài)共有四種（因人行道的交通燈和車(chē)道的交通燈是同步的，所以不考慮），如圖6所示設(shè)計(jì)原理與參考電路：1 分析系統(tǒng)的邏輯功能，畫(huà)出其框圖 圖6 系統(tǒng)邏輯框圖交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖7所示。它主要由控制器、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，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈

12、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7中： TL: 表示甲車(chē)道或乙車(chē)道綠燈亮的時(shí)間間隔為25秒，即車(chē)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：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(hào)。由它控制定時(shí)器開(kāi)始下個(gè)工作狀態(tài)的定時(shí)。 圖7 交通燈控制系統(tǒng)原理框圖2畫(huà)出交通燈控制器的ASM（Algorithmic State Machine，算法狀態(tài)機(jī)） （1）圖甲車(chē)道綠燈亮，乙車(chē)道紅燈亮。表示甲車(chē)道上的車(chē)輛允許通行，乙車(chē)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)

13、出狀態(tài)信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （2）甲車(chē)道黃燈亮，乙車(chē)道紅燈亮。表示甲車(chē)道上未過(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，乙車(chē)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(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （3）甲車(chē)道紅燈亮，乙車(chē)道綠燈亮。表示甲車(chē)道禁止通行，乙車(chē)道上的車(chē)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(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （4）甲車(chē)道紅燈亮，乙車(chē)道黃燈亮。表示甲車(chē)道禁止通行，乙車(chē)道上位過(guò)縣停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛停止通行，已過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)輛停止通行，已過(guò)停車(chē)線(xiàn)的車(chē)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(hào)ST，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）

14、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4所示，控制器應(yīng)送出甲、乙車(chē)道紅、黃、綠燈的控制信號(hào)。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，把燈的代號(hào)和燈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)合二為一，并作如下規(guī)定： 表4 控制器工作狀態(tài)及功能控制狀態(tài)信號(hào)燈狀態(tài)車(chē)道運(yùn)行狀態(tài)S0（00）甲綠，乙紅甲車(chē)道通行，乙車(chē)道禁止通行S1（01）甲黃，乙紅甲車(chē)道緩行，乙車(chē)道禁止通行S3（11）甲紅，乙綠甲車(chē)道禁止通行，甲車(chē)道通行S2（10）甲紅，乙黃甲車(chē)道禁止通行，甲車(chē)道緩行電路的AG=1：甲車(chē)道綠燈亮； BG=1：乙車(chē)道綠燈亮；A

15、Y=1：甲車(chē)道黃燈亮； BY=1：乙車(chē)道黃燈亮；AR=1：甲車(chē)道紅燈亮； BY=1：乙車(chē)道紅燈亮；由此得到交通燈的ASM圖，如表四所示。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(hào)ST（用條件輸出框表示ST），并轉(zhuǎn)換到下一個(gè)工作狀態(tài)。依此類(lèi)推可以弄懂ASM圖所表達(dá)的含義。 七、仿真過(guò)程與效果分析1設(shè)計(jì)、組裝譯碼器電路，其輸出接甲、乙車(chē)道上的6只信號(hào)燈（實(shí)驗(yàn)時(shí)用發(fā)光二極管代替），驗(yàn)證電路的邏輯功能。 2設(shè)計(jì)、組裝秒脈沖產(chǎn)生電路得出時(shí)序波形圖。 圖8

16、時(shí)序波形圖3組裝、調(diào)試定時(shí)電路。當(dāng) CP信號(hào)為 1Hz正方波時(shí)，畫(huà)出CP、 Q0、 Q1、 Q2、Q3、Q4、TL、TY的波形，并注意它們之間一的時(shí)序關(guān)系。 4組裝、調(diào)試控制器電路。5完成交通燈控制電路的聯(lián)調(diào)，并測(cè)試其功能。 表5 交通燈校驗(yàn)時(shí)間表八、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及元器件清單 1 數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱 2 集成電路74LS74 1片，74LS10 1片，74LS00 2片，74LS153 2片，74LS163 3片，N555 1片 3 電阻47K 2個(gè)1K 1個(gè) 4 電容 10F 0.01F 1F 0.1F 各一個(gè)5 其它 發(fā)光二極管 6個(gè)九、實(shí)驗(yàn)心得與體會(huì) 經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，讓我明白了“知識(shí)就是力量”這一深刻的道理。同時(shí)，此次設(shè)計(jì)加強(qiáng)了我的動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。對(duì)電路原理圖畫(huà)法和連接及芯片的選擇上也懂