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：電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)教學(xué)院部：專業(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:日期評(píng)閱教師目錄一、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) 41、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明 9七、仿真過程與效果分析 11八、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及元器件清單 1213九、心得體會(huì)與總結(jié) 13十、參考文獻(xiàn)、引言:數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)是高等學(xué)校弱點(diǎn)類各專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。這門課程發(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。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們

2、的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已經(jīng)成為交通管理部門亟待需要解決的問題之一。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)，也決定了城市高速道路的交通道路必然受高速與普通道路

3、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)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的問題。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)試等問題來具體分析討論。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，黃燈表示該車道上已過停車線的車輛繼續(xù)通行，未過停車線

4、的車輛停止通行。(2) 要求甲車道和乙車道兩條交叉道路上的車輛交替運(yùn)行，每次通行時(shí)間都設(shè)為25 秒；(3) 每次交換通行車道之前，要求黃燈先亮5 秒，才能變換運(yùn)行車道；(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。2 ) 顯示界面方案該系統(tǒng)要求完成倒計(jì)時(shí)、

5、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)的顯示功能。3)輸入方案：題目要求系統(tǒng)能手動(dòng)設(shè)

6、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，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，但操作起來稍顯復(fù)雜。方案二：直接在 I/O 口線上接上按鍵開關(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：F=1.43/(R1+2R2)C電

7、路圖如下圖1 ：種肥沖產(chǎn)牛器(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，D0D3是并行數(shù)

8、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的外引線排列圖表1 74LS163功能表*60100000db di da 詩，flwxfxX1修1tXxtx0XXXXX 曲 也 由XXX XXX XXX(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 TL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

9、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無關(guān)，所 以用無關(guān)項(xiàng)"X"表示。其余情況依次類推，同時(shí)表中還列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST。Q? Q 4弓 Qi Qi Qoco Q Qn Q Q)CTp74LSI63CTrCR a C5 D2D1DOQ3 Qi Q口 CTp 74LS163 ClyA C8D2DlD 口定忖篙電瑞閣圖3定時(shí)器電路圖表2 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表懈X幗出璃亳 1伏交豺整條怦次毒狀態(tài)轉(zhuǎn)投僖號(hào)Q產(chǎn) 8Tl TyQE QT1St000G0I01111I101。0X!xx0x10員1芟*0 X1000!0I】111010000

10、1 0 1 01 0 1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 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，"變量表示，然后將各與項(xiàng)相或，即可得到卜面的方程：和ST0”用反Q嚴(yán)1Q上不QTl=Q? Q>x + qTq? +q：qH tl 力ft .，StSr= Qi Q0n +Qi QS4 + Q?QW + Q小根據(jù)以上方程，選用數(shù)據(jù)選擇器 74LS153來實(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

11、所示。圖中R、C構(gòu)成上電復(fù)位電路 。74LS193圖4控制器邏輯圖(4)譯碼器譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出Q1、Q0的4種工作狀態(tài)，翻譯成甲、乙車道上6個(gè)信號(hào)燈的工作狀態(tài)?？刂破鞯臓顟B(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)系嫡AOAY ARBGBYBR00I 0 00 0 1010 1 00 0 1100 0 11 0 0110 0 10 1 0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

12、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:表示甲車道或乙車道綠燈亮的時(shí)間間隔為25秒，即車輛正常通行的時(shí)間問隔。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) 器開始下個(gè)工作狀態(tài)的定時(shí)。兩方向車道的交通燈的運(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，畫出其框圖圖6系統(tǒng)邏輯

13、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:表示甲車道或乙車道綠燈亮的時(shí)間間隔為25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 0TY: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

14、框圖2 . 11f出交通燈控制器的ASM (Algorithmic State Machine ,算法狀態(tài)機(jī))(1)圖甲車道綠燈亮，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(hào) ST,轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。(2)甲車道黃燈亮，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(hào) 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(hào)ST,轉(zhuǎn)到下一

15、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(hào) 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4所示，控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號(hào)。為簡(jiǎn)便 起見，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)車道運(yùn)行狀態(tài)S0(

16、00)甲綠，乙 紅甲車道通行，乙車道禁止通 行S1 (01 )E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，甲車道通 行S2 (10)甲紅，乙 黃甲車道禁止通行，甲車道緩 行電路的AG=1 :甲車道綠燈亮；BG=1 :乙車道綠燈亮;AY=1 :甲車道黃燈亮；BY=1 :乙車道黃燈亮；AR=1 :甲車道紅燈亮；BY=1 :乙車道紅燈亮；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

17、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)。依此類推可以弄懂 ASM 圖所表達(dá)的含義。七、仿真過程與效果分析6只信號(hào)燈（實(shí)驗(yàn)時(shí)用1 .設(shè)計(jì)、組裝譯碼器電路，其輸出接甲、乙車道上的 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 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)間表南北東西時(shí)間(S)財(cái)財(cái)1綠燈財(cái)icfr J100000250100014001100001010八、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47KQ 2個(gè)1KQ 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、思考和解決問題的能力