電子課程設(shè)計之交通燈設(shè)計

PAGE13電子技術(shù)課程設(shè)計報告系（部）：三系專業(yè)：電子信息工程班級：電子（2）班姓名：郭緒躍學(xué)號：20100310216成績：指導(dǎo)老師：李海霞開課時間：2011——2012學(xué)年2學(xué)期

一、設(shè)計題目交通信號燈控制器二、主要內(nèi)容分析設(shè)計題目的具體要求完成課題所要求的各個子功能的實現(xiàn)用multisim軟件完成題目的整體設(shè)計三、具體要求交通燈信號控制器仿真設(shè)計設(shè)計要求設(shè)計一個十字路口的交通燈控制電路，要求東西方向和南北方向車道兩條交叉道路上的車輛交替運(yùn)行，每次通行時間都設(shè)為45s。時間可設(shè)置修改。在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時，要求黃燈先亮5s，才能變換運(yùn)行車道。黃燈亮?xí)r，要求每秒閃亮一次。東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時間都用顯示器進(jìn)行顯示。假定+5V電源給定。四、進(jìn)度安排第一天：介紹所用仿真軟件；布置任務(wù)，明確課程設(shè)計的完整功能和要求。第二天：消化課題，掌握設(shè)計要求，明確設(shè)計系統(tǒng)的全部功能，圖書館查閱資料。第三天：確定總體設(shè)計方案，畫出系統(tǒng)的原理框圖。第四天：繪制單元電路并對單元電路進(jìn)行仿真。第五天：分析電路，對原設(shè)計電路不斷修改，獲得最佳設(shè)計方案。第六天：完成整體設(shè)計并仿真驗證。第七天：對課程設(shè)計進(jìn)行現(xiàn)場運(yùn)行檢查并提問，給出實踐操作成績。第八天：完成實踐報告的撰寫五、成績評定課程設(shè)計成績按優(yōu)、良、中、及格、不及格評定，最終考核成績由四部分組成：理論設(shè)計方案，演示所設(shè)計成果，總成績40％；設(shè)計報告，占總成績30％；回答教師所提出的問題，占總成績20％；考勤情況，占總成績10％；無故曠課一次，平時成績減半；無故曠課兩次平時成績?yōu)?分，無故曠課三次總成績?yōu)?分。遲到20分鐘按曠課處理。

目錄前言 11、總體設(shè)計思路、基本原理和框圖 21.1設(shè)計思路 21.2基本原理 21.3總體設(shè)計框圖 22、單元電路設(shè)計 32.1各芯片的用法和功能 32.1.1JK觸發(fā)器 32.1.274190 42.2單元模塊 52.2.1采用JK觸發(fā)器實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換器 52.2.2采用74190實現(xiàn)倒計時器電路 63、總設(shè)計 93.1各連接門的功能 93.2倒計時計數(shù)器與信號燈轉(zhuǎn)換器的連接 93.3黃燈閃爍控制 103.4電路測試與仿真 104、故障分析 135、總結(jié) 136、心得體會 147、元件清單 158、參考文獻(xiàn) 15PAGE2前言當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。紅綠燈有著它的發(fā)展史。紅綠燈的歷史其實并不復(fù)雜。從最初發(fā)明時的手牽皮帶轉(zhuǎn)動燈箱，到20世紀(jì)開始的電氣控制，從采用計算機(jī)控制到電子監(jiān)控感應(yīng)，其發(fā)展不超過150年。1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的會議大廈前的廣場上，安裝了世界最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。很多中文資料都認(rèn)定黃色信號燈的發(fā)明者是中國人胡汝鼎，時間是1927年，不少文章甚至繪聲繪色地寫道：一天，他站在繁華的十字路口等待綠燈信號，當(dāng)他看到紅燈而正要過去時，一輛轉(zhuǎn)彎的汽車呼的一聲擦身而過，嚇了他一身冷汗?；氐剿奚?，他反復(fù)琢磨，終于想到在紅、綠燈中間再加上一個黃色信號燈，他的建議立即得到有關(guān)方面的肯定。于是紅、黃、綠三色信號燈即以一個完整的馬路工具出現(xiàn)在世界上，造福后人。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來啟動紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時按一下喇叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。紅綠燈的出現(xiàn)規(guī)范了交通的秩序，保護(hù)了人們的生命和財產(chǎn)的安全，使人們按照一定的交通規(guī)則行駛車輛，頗受大眾的喜愛和遵從，所以，我們要好好學(xué)習(xí)紅綠燈，學(xué)習(xí)交通規(guī)則，為自己的生命安全多增一分保障，為他人的生命多一點(diǎn)尊重與保護(hù)。PAGE16交通信號燈控制器1、總體設(shè)計思路、基本原理和框圖1.1設(shè)計思路依據(jù)功能要求，交通燈控制系統(tǒng)應(yīng)主要由秒脈沖信號發(fā)生器﹑倒計時計數(shù)電路和信號燈轉(zhuǎn)換器組成，原理框圖如圖1.1所示。1.2基本原理秒脈沖信號發(fā)生器是該系統(tǒng)中倒計時計數(shù)電路和黃燈閃爍控制電路的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源。倒計時計數(shù)器輸出兩組驅(qū)動信號QUOTE和QUOTE，分別為黃燈閃爍和變換為紅燈的控制信號，這兩個信號經(jīng)信號燈轉(zhuǎn)換器控制信號燈工作。倒計時計數(shù)電路是系統(tǒng)的主要部分，由它控制信號燈轉(zhuǎn)換器的工作。1.3總體設(shè)計框圖圖1.1交通燈控制系統(tǒng)原理圖2、單元電路設(shè)計2.1各芯片的用法和功能2.1.1JK觸發(fā)器芯片介紹：JK觸發(fā)器是數(shù)字電路觸發(fā)器中的一種電路單元。JK觸發(fā)器具有置0、置1、保持和翻轉(zhuǎn)功能，在各類集成觸發(fā)器中，JK觸發(fā)器的功能最為齊全。圖2.1JK觸發(fā)器（1）CP=0時，觸發(fā)器處于一個穩(wěn)態(tài)。（2）CP由0變1時，觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，為接受輸入信號作準(zhǔn)備。（3）CP由1變0時觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)由此可知,該觸發(fā)器在CP下降沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，CP一旦到0電平，則將觸發(fā)器封鎖，處于(1)所分析的狀態(tài)。表2.1JK觸發(fā)器功能表QnQn+1JK000×011×10×111×02.1.274190芯片介紹：計數(shù)器選用集成電路74190進(jìn)行設(shè)計較簡單。74190是十進(jìn)制同步可逆計數(shù)器，它具有異步并行置數(shù)功能﹑保持功能。74190沒有專用的清零輸入端，但可以借助QUOTE﹑QUOTE﹑QUOTE﹑QUOTE的輸出數(shù)據(jù)間接實現(xiàn)清零功能。功能表如表2.2所示。表2.274190的功能表D\UCLKQUOTEABCDQUOTEQUOTEQUOTEQUOTE×××0××××ABCD01↑1××××減計數(shù)00↑1××××加計數(shù)1××1××××0000十字路口要有數(shù)字顯示作為倒計時提示，以便人們更直觀地把握時間。具體工作方式為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置顯示器為某值，然后以每秒減1，計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為“5”和“0”，十字路口綠﹑黃﹑紅燈變換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進(jìn)入下一步某方向的工作循環(huán)。在到倒計時過程中計數(shù)器還向信號燈轉(zhuǎn)換器提供模5的定時信號QUOTE和模0的定時信號QUOTE，用以控制黃燈的閃爍和黃燈向紅燈的變換。倒計時顯示采用七段數(shù)碼管作為顯示，它由計數(shù)器驅(qū)動并顯示計數(shù)器的輸出值。計數(shù)器選用集成電路74190進(jìn)行設(shè)計較簡單。74190是十進(jìn)制同步可逆計數(shù)器，它具有異步并行置數(shù)功能﹑保持功能。74190沒有專用的清零輸入端，但可以借助QUOTE﹑QUOTE﹑QUOTE﹑QUOTE的輸出數(shù)據(jù)間接實現(xiàn)清零功能。2.2單元模塊2.2.1采用JK觸發(fā)器實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換器用一下6個符號來分別代表東西（A）﹑南北（B）方向上各燈的狀態(tài)：QUOTE=1：東西方向車道綠燈亮；QUOTE=1：東西方向車道黃燈亮；QUOTE=1：東西方向車道紅燈亮；QUOTE=1：東西方向車道綠燈亮；QUOTE=1：東西方向車道黃燈亮；QUOTE=1：東西方向車道紅燈亮。芯片用法：設(shè)狀態(tài)編碼為QUOTE=00，QUOTE=01，QUOTE=11，QUOTE=10，其輸出為QUOTE﹑QUOTE，則其與信號燈狀態(tài)關(guān)系如表2.3所示。表2.3狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸出QUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTEQUOTE0001100001011101000111100011001000001010由表2.2.1可以得出信號燈狀態(tài)的邏輯表達(dá)式：QUOTE=QUOTEQUOTE=QUOTEQUOTEQUOTE=QUOTEQUOTE=QUOTEQUOTEQUOTE=QUOTEQUOTEQUOTE=QUOTEJK觸發(fā)器的輸出狀態(tài)是與J輸入端的狀態(tài)相同的，同時分析表2.2.1，觸發(fā)器0的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器1的次態(tài)相同，觸發(fā)器1的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器0的次態(tài)相反，因此可以將觸發(fā)器0的輸出端Q﹑QUOTE（現(xiàn)態(tài)）分別接觸發(fā)器1的J﹑K輸入端（次態(tài)），觸發(fā)器1的輸出端Q﹑QUOTE（現(xiàn)態(tài)）分別接觸發(fā)器0的K﹑J端（次態(tài)），取觸發(fā)器0為QUOTE﹑觸發(fā)器1為QUOTE，連接后的電路如圖2.2所示。圖2.2JK觸發(fā)器實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換2.2.2采用74190實現(xiàn)倒計時器電路（1）置顯示器為某值，然后以每秒減1，計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為“5”和“0”，十字路口綠﹑黃﹑紅燈變換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進(jìn)入下一步某方向的工作循環(huán)。在到倒計時過程中計數(shù)器還向信號燈轉(zhuǎn)換器提供模5的定時信號QUOTE和模0的定時信號QUOTE，用以控制黃燈的閃爍和黃燈向紅燈的變換。倒計時顯示采用七段數(shù)碼管作為顯示，它由計數(shù)器驅(qū)動并顯示計數(shù)器的輸出值。計數(shù)器選用集成電路74190進(jìn)行設(shè)計較簡單。74190是十進(jìn)制同步可逆計數(shù)器，它具有異步并行置數(shù)功能﹑保持功能。74190沒有專用的清零輸入端，但可以借助QUOTE﹑QUOTE﹑QUOTE﹑QUOTE的輸出數(shù)據(jù)間接實現(xiàn)清零功能。功能表如表2.4所示。表2.474190的功能表D\UCLKQUOTEABCDQUOTEQUOTEQUOTEQUOTE×××0××××ABCD01↑1××××減計數(shù)00↑1××××加計數(shù)1××1××××0000要實現(xiàn)45s的倒計時，需選用兩個74190芯片級聯(lián)成一個從9倒計到00的計數(shù)器，其中作為個位數(shù)的74190芯片的CLK接秒脈沖發(fā)生器（頻率為1），再把個位數(shù)74190芯片輸出端的QUOTE﹑QUOTE用一個與門連起來，再接在十位數(shù)74190芯片的CLK端。當(dāng)個位數(shù)減到0時，再減1就會變成9,0（0000）和9（1001）之間的QUOTE﹑QUOTE與起來接在十位數(shù)的CLK端，此時會給十位數(shù)74190芯片一個脈沖數(shù)字減1，相當(dāng)于借位，其引腳圖如圖2.3所示。圖2.374190引腳圖（2）預(yù)置數(shù)（即車的通行時間）功能：用8個開關(guān)分別接十位數(shù)74190芯片的D﹑C﹑B﹑A端和個位數(shù)74190芯片的D﹑C﹑B﹑A端。預(yù)置數(shù)的范圍為1~99。假如把通行時間設(shè)為45s，就像圖2.4的接法，A接0，B接1，C接0，D接0，F(xiàn)接1，G接0，H接1。接電源相當(dāng)于接1，懸空相當(dāng)于接0。圖2.4預(yù)置數(shù)連接方法按照74190的功能表，CTEN端接低電平，加、減計數(shù)控制端D、U接高電平實現(xiàn)減計數(shù)。工作開始時，LOAD為0，計數(shù)器預(yù)置數(shù)，置完數(shù)后，LOAD變?yōu)?，計數(shù)器開始倒計時，當(dāng)?shù)褂嫊r減到數(shù)00時，LOAD又變?yōu)?，計數(shù)器又預(yù)置數(shù)，之后又倒計時，如此循環(huán)下去。借助兩片74190的8個輸出端來實現(xiàn)。連接后的電路圖如圖2.5所示。圖2.574190倒計時器電路3、總設(shè)計3.1各連接門的功能除了在單元模塊中的功能外，總電路圖將兩個單元模塊連接起來，分別使用了四輸入與門74LS21N、二輸入或非門4001BD_5V、二輸入與門7408N和二輸入7432N或門各一個。其中，僅當(dāng)秒倒計時顯示器顯示為05時，四輸入與門74LS21N輸出為1；而僅當(dāng)秒倒計時顯示器顯示為00時，二輸入與門7408N的輸出為1。而這兩個門再由一個或門連接到兩個JK觸發(fā)器的1CLK端，即給觸發(fā)器一個沖擊，使之改變狀態(tài)，即實現(xiàn)交通燈紅黃綠之間的轉(zhuǎn)變。3.2倒計時計數(shù)器與信號燈轉(zhuǎn)換器的連接倒計時計數(shù)器向信號燈轉(zhuǎn)換器提供定時信號QUOTE和定時信號QUOTE以實現(xiàn)信號燈的轉(zhuǎn)換。QUOTE表示倒計時減到數(shù)“00”時（即綠燈的預(yù)置時間，因為到“00”時，計數(shù)器重新置數(shù)），此時給信號燈轉(zhuǎn)換器一個脈沖，使信號燈發(fā)生轉(zhuǎn)換，一個方向的綠燈亮，另一個方向的紅燈亮。接法為：把個位﹑十位計數(shù)器的輸出端QUOTE﹑QUOTE﹑QUOTE﹑QUOTE分別用一個4輸入或非門連起來，再把這兩個4輸入或非門的輸出用一個與門連起來。QUOTE表示倒計時減到數(shù)“05”時，給信號燈轉(zhuǎn)換器一個脈沖，使信號燈發(fā)生轉(zhuǎn)換，綠燈的綠燈的變?yōu)辄S燈，紅燈不變。接法為：當(dāng)減到數(shù)為“05”（00000101）時，把十位計數(shù)器的輸出端QUOTE﹑QUOTE﹑QUOTE﹑QUOTE用一個4輸入或非門連起來，個位計數(shù)器的輸出端QUOTE﹑QUOTE用一個4輸入與門連接起來。最后將QUOTE和QUOTE兩個定時信號用或門連接接入信號燈轉(zhuǎn)換器的時鐘端。連接后的電路如圖3.1所示。3.3黃燈閃爍控制要求黃燈每秒閃一次，即黃燈0.5s秒亮，0.5秒滅，故用一個頻率為1HZ的脈沖與控制黃燈的輸出信號用一個與門連接至黃燈。整個交通燈信號控制器的電路如圖3.1.1所示。3.4電路測試與仿真電路默認(rèn)把通行時間設(shè)為45s，打開開關(guān)，東西方向車道的綠燈亮，南北方向車道的紅燈亮。時間顯示器從預(yù)置的45s，以每秒減1，減到數(shù)“5”時，東西方向車道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，而且黃燈每秒閃一次，南北方向車道的紅燈都不變。減到數(shù)“0”時，1s后顯示器又轉(zhuǎn)換成預(yù)置的45s，東西方向車道的黃燈轉(zhuǎn)換為紅燈，南北方向車道的紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈。減到數(shù)“5”時，南北方向車道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，而且黃燈每秒閃一次，東西方向車道的紅燈不變。如此循環(huán)下去。通過撥動預(yù)置時間的開關(guān)，可以把通車時間修改為其他的值再進(jìn)行仿真，總開關(guān)一打開，東西方向車道的綠燈亮，時間倒計數(shù)5，車燈進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，到0s又進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而且時間重置為預(yù)置的數(shù)值，如此循環(huán)。如圖3.1和3.2所示，分別為總電路圖的靜止圖和運(yùn)行圖：3.1交通燈設(shè)計靜止圖3.2交通燈設(shè)計運(yùn)行圖4、故障分析4.1故障分析與解決電路接好后，黃燈只亮不閃，經(jīng)過排查電路，得知是由于沒有接通秒脈沖發(fā)生器，經(jīng)過接通，實現(xiàn)了錯誤的改正，使黃燈閃爍正常。4.2電路改進(jìn)開始的電路比較繁瑣，接線沒有規(guī)律，開關(guān)接線無規(guī)律，秒脈沖頻率過小，經(jīng)過修改，實現(xiàn)了精準(zhǔn)易排查。5、總結(jié)當(dāng)前，大量的信號燈電路正向著數(shù)字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，多值化方向發(fā)展隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。隨著社會的發(fā)展,城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,城市交通成為制約城市發(fā)展的一大因素,因此,有許多設(shè)計工作