湖南工業(yè)大學(xué)2013年電子技術(shù)課程設(shè)計-交通燈課程設(shè)計報告

1、電子技術(shù)課程設(shè)計報告（交通信號燈控制）學(xué)院（部）：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化學(xué)生姓名：班級：學(xué)號：指導(dǎo)教師XX：X江洪2013年11月-1-目錄一.設(shè)計任務(wù)和要求.2二.設(shè)計方案的選擇和論證2(1)總體電路分析3(2)仿真分析7(3)仿真說明7三.電路設(shè)計計算與分析9(1)1s計時電路.9(2)25s減計數(shù)電路10(3)15s減計數(shù)電路11(4)5s減計數(shù)電路.12(5)交通燈控制電路.13四.總結(jié)及反思.141-2-.設(shè)計任務(wù)和要求設(shè)計目的掌握綜合應(yīng)用理論知識和中規(guī)模集成電路設(shè)計方法掌握調(diào)試及電路主要技術(shù)指標(biāo)的測試方法設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個十字路口交通燈信號控制器，要求如下：(1)

2、.十字路口設(shè)有紅、黃、綠、左拐指示燈；有數(shù)字顯示通行時間，以秒單位作減法計數(shù)。(2).主、支干道交替通行，主干道每次綠燈亮40S，左拐指示燈15S；支干道每次綠燈亮20S，左拐指示燈亮10S。(3).每次綠燈變左拐時，黃燈先亮5S（此時另一干道上的紅燈不變），每次左拐指示變紅燈時，黃燈先亮5S（此時另一干道上的紅燈不變）。(4).當(dāng)主、支干道任意干道出現(xiàn)特殊情況時，進(jìn)入特殊運行狀態(tài)，兩干道上所有車輛都禁止通行，紅燈全亮，時鐘停止工作。(5).要求主、支干道通行時間及黃燈亮的時間均可在099S內(nèi)任意設(shè)定。二.設(shè)計方案選擇和論證某交通燈控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。狀態(tài)控制器主要用于紀(jì)錄十字路口交

3、通燈的工作狀態(tài)，通過狀態(tài)譯碼器分別點亮相應(yīng)狀態(tài)的信號燈。秒信號發(fā)生器產(chǎn)生整個定時系統(tǒng)的時基脈沖，通過減法計數(shù)器對秒脈沖減計數(shù)，達(dá)到控制每一種工作狀態(tài)的持續(xù)時間。減法計數(shù)器的回零脈沖使?fàn)顟B(tài)控制器完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時狀態(tài)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)下一個工作狀態(tài)決定計數(shù)器下一次減計數(shù)的初始值。減法計數(shù)器的狀態(tài)由BCD譯碼器譯碼、數(shù)碼管顯示。在黃燈亮期間，狀態(tài)譯碼器將秒脈沖引入紅燈控制電路，使紅燈閃爍。2譯碼，顯示主干道信號燈支干道信號燈-3-減法計數(shù)器狀態(tài)譯碼器紅燈閃爍控制置數(shù)控制狀態(tài)控制器秒脈沖發(fā)生器圖1交通燈控制系統(tǒng)組成框圖狀態(tài)控制器設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，各信號燈的工作順序流程如圖2所示。信號燈四種不同的狀態(tài)分別

4、用S0（主綠燈亮、支紅燈亮）、S1（主黃燈亮、支紅燈閃爍）、S2（主紅燈亮、支綠燈亮）、S3（主紅燈閃爍、支黃燈亮）表示，其狀態(tài)編碼及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。主干道綠燈亮支干道紅燈亮（30進(jìn)制計數(shù)器減1）主干道黃燈亮支干道紅燈閃爍（5進(jìn)制計數(shù)器減1）主干道紅燈亮支干道綠燈亮（20進(jìn)制計數(shù)器減1）主干道紅燈閃爍支干道黃燈亮（5進(jìn)制計數(shù)器減1）圖2.信號的工作順序流程3-4-S0S1S2S31000010000100001圖3.狀態(tài)編碼及狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖顯然，這是一個四位二進(jìn)制計數(shù)器。擬采用中規(guī)模集成計數(shù)器CD4017構(gòu)成狀態(tài)控制器，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

5、間的關(guān)系見真值表4.6.1。對于信號燈的狀態(tài)，“1”示燈亮，表“0表”示燈滅。表4.6.1信號燈信號的狀態(tài)狀態(tài)控制器輸出主干道信號燈支干道信號燈Q0Q1Q2Q3R(紅)Y(黃)G(綠)r(紅)y(黃)g(綠)1000001100010001010000101000010001100010根據(jù)真值表，可求出各信號燈的邏輯函數(shù)表達(dá)式為：R=Q0*Q1*(Q2Q3)r=(Q0Q1)*Q2*Q3G=Q0*Q1*Q2*Q3g=Q0*Q1Q2*Q3Y=Q0*Q1*Q2*Q3y=Q0*Q1*Q2*Q3現(xiàn)選擇半導(dǎo)體發(fā)光二極管模擬交通燈，由于門電路的帶灌電流的能力一般比帶拉電流的能力強(qiáng)，要求門電路輸出低電平時，

6、點亮相應(yīng)的發(fā)光二極管。故狀態(tài)譯碼器的電路組成見圖5所示。（備注：此圖連接不準(zhǔn)確，只為大家參考原理）根據(jù)設(shè)計要求，當(dāng)黃燈亮?xí)r，紅燈應(yīng)按1HZ頻率閃爍。從狀態(tài)譯碼器真值表中看出，黃燈亮?xí)r，Q1必為高電平；而紅燈點亮信號與Q1無關(guān)?，F(xiàn)利用Q1信號去控制三態(tài)門電路74LS245（或模擬開關(guān)），當(dāng)Q1為高電平時，將秒信號脈沖引到驅(qū)動紅燈的與非門的輸入端，使紅燈在黃燈亮期間閃爍；反之將其隔離，紅燈信號不受黃燈信號的影響。（備注：此圖連接不準(zhǔn)確，只為大家參考原理）4-5-定時系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求，交通燈控制系統(tǒng)要有一個能自動裝入不同定時時間的定時器，以完成30s、20s、5s的定時任務(wù)。擬采用74LS192組成

7、定時計數(shù)器，具體設(shè)計電路在文檔后面30s,20s,5s減計數(shù)電路體現(xiàn)。秒信號產(chǎn)生器產(chǎn)生秒信號的電路有多種形式，圖6時利用555定時器組成的秒信號發(fā)生器。因為該電路輸出脈沖的周期為：T0.7*(R1+2*R2)。若T=1S，令C=10f，R1=39K，則R247K。取固定電阻47K與5K的電位器相串聯(lián)代替電阻R2。在調(diào)試電路時，調(diào)試電位器RP，使輸出脈沖為1s。具體設(shè)計電路詳見后面秒鐘產(chǎn)生電路。4.CD4017簡介十進(jìn)制計數(shù)分頻器CD4017，其內(nèi)部由計數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實現(xiàn)對脈沖信號的分配，整個輸出時序就是O0、O1、O2、O9依次出現(xiàn)與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。CD

8、4017有10個輸出端（Y0Y9）和1個進(jìn)位輸出端C0。每輸入10個計數(shù)脈沖，C0就可得到1個進(jìn)位正脈沖，該進(jìn)位輸出信號可作為下一級的時鐘信號。CD4017有3個輸（MR、CP0和CP1），MR為清零端，當(dāng)在MR端上加高電平或正脈沖時其輸出Y0為高電平，其余輸出端（Y1Y9）均為低電平。CP0和CPl是2個時鐘輸入端，若要用上升沿來計數(shù)，則信號由CP0端輸入；若要用下降沿來計數(shù)，則信號由CPl端輸入。設(shè)置2個時鐘輸入端，級聯(lián)時比較方便，可驅(qū)動更多二極管發(fā)光。由此可見，當(dāng)CD4017有連續(xù)脈沖輸入時，其對應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。具體CD4017在電路連接詳見后面

9、的狀態(tài)控制電路。5-6-5.74LS192簡介74LS192是雙時鐘方式的十進(jìn)制可逆計數(shù)器。(bcd,二進(jìn)制)。CPU為加計數(shù)時鐘輸入端，CPD為減計數(shù)時鐘輸入端。LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出，BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。74ls192功能表：輸入輸出MRPLCPuCPdP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01xxxxxxx000000 xxdcbadcba011xxxx加計數(shù)011xxxx減計數(shù)74192的工作原理是：當(dāng)LD()=1，MR=0時，若時鐘脈沖加到CPu端，且CPd=1則計數(shù)器在預(yù)置數(shù)的基

10、礎(chǔ)上完成加計數(shù)功能，當(dāng)加計數(shù)到9時，TCu端發(fā)出進(jìn)位下跳變脈沖；若時鐘脈沖加到CPd端，且CPu=1，則計數(shù)器在預(yù)置數(shù)的基礎(chǔ)上完成減計數(shù)功能，當(dāng)減計數(shù)到0時，TCd端發(fā)出借位下跳變脈沖。74LS192具有下述功能：異步清零：MR=1，Q3Q2Q1Q0=0000異步置數(shù)：MR=0，PL()=0，Q3Q2Q1Q0=P3P2P1P0保持：MR=0，PL()=1，CPu=CPd=1,Q3Q2Q1Q0保持原態(tài)加計數(shù)：MR=0,PL()=1，CPu=CP，CPd=1，Q3Q2Q1Q0按加法規(guī)律計數(shù)減計數(shù)：MR=0,PL()=1，CPu=1，CPd=CP，Q3Q2Q1Q0按減法規(guī)律計數(shù)6-7-仿真電路的說明

11、與分析(1)主干路綠燈亮，支路紅燈亮(2)主干路黃燈閃爍，支路紅燈亮7-8-(3)支路綠燈亮，主干路紅燈亮(3)支路綠燈亮，主干路黃燈閃爍8-9-三.電路設(shè)計計算與分析(1).1s脈沖發(fā)生器%08R147k8U94RCQ31SC5kV7DCR25CVC239k0.01uFD2TRNTH6G1NE555C110uF該電路由一片555定時器芯片和電阻，電容構(gòu)成的多諧振蕩器，設(shè)計要求為1S脈沖，所以根據(jù)周期計算公式：T0.7*(R1+2*R2)。令C=10f，R1=39K，則R247K。取固定電阻47K與5K的電位器相串聯(lián)代替電阻R2。在調(diào)試電路時，調(diào)試電位器RP，使輸出脈沖為1s。3端為脈沖輸出端

12、。9-10-(2).25秒減計數(shù)器130-Q0G230-Q3G6430PL30-Q0D530-Q3D74LS20SW130MRSW-SPDTGGGGDDDD32103210QQQQQQQQ-0000000033333333U1U215D0Q0330-Q0G15D0Q031212D1Q130-Q1GD1Q1106106D2Q230-Q2GD2Q29797D3Q330-Q3GD3Q315UPTCU12115UPTCU12413413DNTCD30D30SDNTCD111130PLPL30PLPL141430MRMR30MRMR74LS19274LS19230-Q0D30-Q1D30-Q2D30-Q

13、3D1該電路由數(shù)碼管顯示模塊，置數(shù)模塊，清零模塊和減計數(shù)模塊組成。其中顯示模塊分別來自高位片74ls192（左邊為高位片）Q0Q3和低位片74ls192Q0Q3。74ls192輸出端為十進(jìn)制的BCD碼。置數(shù)模塊由一個4輸入與非門構(gòu)成，其中2個端口分別連接高位片的Q0和Q3，另外2個端口連接低位片的Q0和Q3。與非門的輸出連接高位片和低位片的PL端進(jìn)行置數(shù)。置數(shù)初始值由D0D3給定，由于該電路為25進(jìn)制減計數(shù)，所以高位片D3D0應(yīng)該賦值為“0010”，低位片D3D0賦值為“0100”。當(dāng)?shù)臀籙P端來一個1S脈沖低位片1，最終實現(xiàn)24減到0的減計數(shù)。UP端的1S來自前面的1S脈沖產(chǎn)生電路。最后清零

14、模塊則由一個電源，地和一個單刀雙擲開關(guān)構(gòu)成，當(dāng)需要清零時將開關(guān)打在電源端，正常計數(shù)時則將開關(guān)打在地端。10-11-(3).15秒減計數(shù)920-Q0G1020-Q3G81220-Q0D1320-Q3D74LS2020PL20MRSW-SPDTGGGGDDDD32103210QQQQQQQQ-0000000022222222U4U515D0Q0320-Q0G15D0Q031212D1Q120-Q1GD1Q1106106D2Q220-Q2GD2Q29797D3Q320-Q3GD3Q315UPTCU1215UPTCU12413413DNTCD20D20SDNTCD111120PLPL20PLPL141

15、420MRMR20MRMR74LS19274LS19220-Q0D20-Q1D20-Q2D20-Q3D該電路由數(shù)碼管顯示模塊，置數(shù)模塊，清零模塊和減計數(shù)模塊組成。其中顯示模塊分別來自高位片74ls192（左邊為高位片）Q0Q3和低位片74ls192Q0Q3。74ls192輸出端為十進(jìn)制的BCD碼。置數(shù)模塊由一個4輸入與非門構(gòu)成，其中2個端口分別連接高位片的Q0和Q3，另外2個端口連接低位片的Q0和Q3。與非門的輸出連接高位片和低位片的PL端進(jìn)行置數(shù)。置數(shù)初始值由D0D3給定，由于該電路為15進(jìn)制減計數(shù)，所以高位片D3D0應(yīng)該賦值為“0001”，低位片D3D0賦值為“0100”。當(dāng)?shù)臀籙P端來一

16、個1S脈沖低位片減1，最終實現(xiàn)14減到0的減計數(shù)。UP端的1S來自前面的1S脈沖產(chǎn)生電路。最后清零模塊則由一個電源，地和一個單刀雙擲開關(guān)構(gòu)成，當(dāng)需要清零時將開關(guān)打在電源端，正常計數(shù)時則將開關(guān)打在地端。11-12-(4).5秒減計數(shù)器15Q035PL5Q3274LS00SW-SPDTU65MR3210QQQQ555515D0Q0312D1Q1106D2Q297D3Q315UPTCU124135SDNTCD115PLPL145MRMR74LS1925Q05Q15Q25Q315D該電路由數(shù)碼管顯示模塊，置數(shù)模塊，清零模塊和減計數(shù)模塊組成。其中顯示模塊分別來自74ls192Q0Q3。74ls192輸出

17、端為十進(jìn)制的BCD碼。置數(shù)模塊由一個2輸入與非門構(gòu)成，其中2個端口分別連接在74ls192的Q0和Q3。與非門的輸出連接PL端進(jìn)行置數(shù)。置數(shù)初始值由D0D3給定，由于該電路為5進(jìn)制減計數(shù)，所以74ls192的D3D0賦值為“0100”。當(dāng)UP端來一個1S脈沖74ls192減1，最終實現(xiàn)4減到0的減計數(shù)。UP端的1S來自前面的1S脈沖產(chǎn)生電路。最后清零模塊則由一個電源，地和一個單刀雙擲開關(guān)構(gòu)成，當(dāng)需要清零時將開關(guān)打在電源端，正常計數(shù)時則將開關(guān)打在地端。12-13-(5).交通燈控制電路1R3ZRG1211Q012NQ0NQ061110S104ZRLG1GNQ174LS045174LS043497

18、4LS21Q1NQ1NQ010Q189874LS0412ZYL56NQ2Q2NQ213LED-REDLED-YELLOWLED-GREENNQ374LS04174LS21Q074LS042NQ1Q31312NQ3612ZGL4NQ25LLL74LS04NQ374LS2174LS04RYGzdr1ZZZ2zdrlG1NQ26344zdrl1LED-REDNQ3Q253174LS04ZR974LS212NQ0Q310NQ1856zdyl74LS136zdyl1S12NQ2LED-YELLOW13Q374LS044174LS21Q0NQ062zdrNQ1561312zdglQ14zdglG1Q274

19、LS1365NQ374LS041LED-GREEN74LS211S1XY230S1S11XY105SCC32110811914U831CLKCLKQ0Q0132EQ1Q1LL4Q2Q27GYQ3Q3ZZ101Q4MR30D12Q5438920D51SXY20S1SY5SC6Q6XCLK64Q75D9CC5Q85DC1174LS20Q956MRMR15MRCO1224401713llgdyzdz首先是CD4017芯片，來一個脈沖輸出Q0為高電平，再來一個脈沖Q1為高電平，依次類推。當(dāng)Q4為高電平時則將Q4連接到MR清零端進(jìn)行清零，從而構(gòu)成一個在Q0Q3的循環(huán)。其次就是通過Q0，Q1，Q2，Q3四個狀態(tài)來控制交通燈的四個狀態(tài)分別：主干路綠燈亮，支路紅燈亮；主干路黃燈亮，支路紅燈亮；主干路紅燈亮，支路綠燈亮；主干路紅燈亮，支路黃燈亮。Q0Q3與交通燈控制之間的控制關(guān)系的邏輯電路如上圖左上角所示。最后是通過Q0，Q1，Q2，Q3四個狀態(tài)來控制25s，15s，5s，5cs（支路黃燈亮）的一次運行。具體電路電路如上圖左下角4個傳輸門。Q0，Q1，Q2，Q3用來控制傳輸門的通斷，傳輸門的輸入端