新改十字路口交通管理控制器

十字路口交通管理控制器的設(shè)計科目：科目：數(shù)電實驗老師：組員：

題目:十字路口交通管理控制器的設(shè)計要求完成的主要任務(wù):基本部分①可用LED模擬交通燈；②主道路綠、黃、紅燈亮的時間分別為30秒、30秒、30秒；次道路綠、黃、紅燈亮的時間分別為30秒、30秒、30秒；③主、次道路時間指示采用倒計時制，用2位數(shù)碼管顯示。摘要交通燈控制系統(tǒng)在城市交通控制中發(fā)揮著重要的作用，本次課程設(shè)計就是以城市交通燈控制系統(tǒng)為背景的，主要通過運用學(xué)過的數(shù)字電路設(shè)計的知識完成基礎(chǔ)的交通燈基本功能，包括時間的定時和交通燈各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，并且要實現(xiàn)通行和禁行的時間的設(shè)置，通過結(jié)果看設(shè)計是否符合要求。關(guān)鍵字：交通燈減計數(shù)器狀態(tài)譯碼數(shù)字電路仿真引言交通信號燈在城市交通中起著非常重要的作用，他通過主道和次道的交通信號燈之間的變換，控制著交通，交通信號燈的控制主要依靠數(shù)字電路，運用所數(shù)字電路的設(shè)計知識可以輕松的設(shè)計交通信號燈的控制系統(tǒng)。交通燈控制系統(tǒng)主要由狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器，減計數(shù)器，譯碼顯示，秒脈沖發(fā)生等幾個模塊組成，其中狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器主要完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換和對各種狀態(tài)的譯碼功能，減計數(shù)器主要完成交通燈時間倒計時的功能，譯碼顯示模塊主要實現(xiàn)對減計數(shù)器內(nèi)數(shù)值進行譯碼顯示的功能，其計數(shù)脈沖的時鐘源來自秒脈沖發(fā)生模塊。本次課程設(shè)計主要目的便是設(shè)計具有交通燈控制系統(tǒng)基本功能的數(shù)字電路的設(shè)計，并對所設(shè)計電路進行調(diào)試。

十字路口交通管理控制器的設(shè)計1.十字路口交通管理控制器設(shè)計說明1.1設(shè)計說明在主、支道路的十字路口分別設(shè)置三色燈控制器，紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮要求壓線車輛快速穿越。時鐘電路時鐘電路主道計數(shù)器次道計數(shù)器譯碼顯示器譯碼顯示器組合電路組合電路秒脈沖電路主綠主黃主紅次綠次黃次紅計數(shù)器組合邏輯電路

圖1交通管理控制器框圖1.2設(shè)計要求基本部分①可用LED模擬交通燈；②主道路綠、黃、紅燈亮的時間分別為30秒、30秒、30秒；次道路綠、黃、紅燈亮的時間分別為30秒、30秒、30秒；③主、次道路時間指示采用倒計時制，用2位數(shù)碼管顯示。時序關(guān)系應(yīng)該符合如下要求：

30秒主道路綠燈：30秒主道路綠燈：30秒主道路黃燈：30秒主道路黃燈：60秒主道路紅燈：60秒主道路紅燈：30秒次道路綠燈：30秒次道路綠燈：30秒次道路黃燈：30秒次道路黃燈：60秒次道路紅燈：60秒次道路紅燈：循環(huán)周期循環(huán)周期圖2交通燈時序圖2.方案的設(shè)計與論證2.1系統(tǒng)設(shè)計框圖本次交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計主要由狀態(tài)控制模塊，減計數(shù)模塊，譯碼顯示模塊，計時時間預(yù)置模塊，秒脈沖發(fā)生模塊幾部分構(gòu)成，各模塊間的方案設(shè)計與論證如下：2.2狀態(tài)控制器模塊方案設(shè)計本次交通燈控制系統(tǒng)可劃分為四個狀態(tài)（S0,S1,S2,S3）,具體表示為表1：交通燈狀態(tài)表狀態(tài)主道交通燈次道交通燈綠黃紅綠黃紅S0100001S1010001S2001100S3001010注：表格中1表示相應(yīng)的燈亮，0表示相應(yīng)的燈滅。由于涉及四個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換與循環(huán)，屬于時序邏輯電路的范疇，根據(jù)學(xué)過的數(shù)字電路的相關(guān)知識可以利用同步時序邏輯電路的設(shè)計方法利用觸發(fā)器和常見的邏輯門設(shè)計一狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路，由于只有四種狀態(tài)，因而僅需要兩個觸發(fā)器和常見的邏輯門電路即可，該方案的優(yōu)點是電路的針對性強，能很好的達到設(shè)計要求。按如下方式進行循環(huán)0000011011狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖具體狀態(tài)分配如下：表2：計數(shù)器狀態(tài)分配表狀態(tài)Q1Q0S000S101S210S311該方案不僅能完成設(shè)計要求，而且電路簡單，因而選擇該方案。2.3狀態(tài)譯碼器模塊方案設(shè)計狀態(tài)譯碼器主要完成對計數(shù)器的四種狀態(tài)進行譯碼，從而見計數(shù)器的各種狀態(tài)轉(zhuǎn)化為交通燈的各種狀態(tài)，另外在本次設(shè)計中狀態(tài)譯碼器還要完成對主次道路減計數(shù)預(yù)置數(shù)的選擇功能。對應(yīng)對交通燈狀態(tài)譯碼真值表如下：表4：交通燈譯碼真值表狀態(tài)Q1Q0主道交通燈次道交通燈GYRgyrS000100001S101010001S210001100S311001010各個交通燈的邏輯函數(shù)表達式如下： 狀態(tài)譯碼器選擇下面方案由于只涉及四個狀態(tài)，并且從得到的邏輯函數(shù)表達式來看，函數(shù)表達式較為簡單，因而可以采用簡單的門電路進行譯碼，從結(jié)果來看之需要兩個非門和四個與門即可完成對狀態(tài)的譯碼。2.4減計數(shù)模塊的設(shè)計交通燈的減計數(shù)分主干道和支干道兩部分，由于兩部分的計數(shù)時間不同因而要分別采用兩個計數(shù)器對其進行計數(shù)，計數(shù)采用倒計時的方式，因而需要采用帶減計數(shù)功能的計數(shù)芯片。方案設(shè)計：減計數(shù)器采用74190，功能表如下表5：74190功能表應(yīng)用時將計數(shù)器接成減計數(shù)狀態(tài)，通過改變計數(shù)的初始值來改變計數(shù)周期，預(yù)置數(shù)通過預(yù)置數(shù)模塊提供，計數(shù)長度超過十，因而要采用兩片減計數(shù)芯片，具體實現(xiàn)電路如下：圖2減計數(shù)電路電路采用將借位輸出反饋至預(yù)置數(shù)控制端實現(xiàn)預(yù)置數(shù)的功能，減計數(shù)時鐘采用秒脈沖發(fā)生模塊提供的秒脈沖信號，從而實現(xiàn)減計時的功能。兩片芯片采用同一時鐘源，可有效的防止干擾。2.5譯碼顯示模塊方案設(shè)計譯碼顯示模塊主要實現(xiàn)對計數(shù)器的狀態(tài)進行譯碼顯示的功能，告知行人所剩余的通行時間或等待時間，使交通燈的設(shè)計更人性化，該模塊主要由譯碼器和數(shù)碼管組成，譯碼器采用常用的4511芯片，該芯片可實現(xiàn)將BCD轉(zhuǎn)換為供數(shù)碼管顯示所需的信號的功能，其引腳圖和真值表如下：表6：74HC4511真值表輸入輸出LEDCBAabcdefg顯示XXLXXXXHHHHHHH8XLHXXXXLLLLLLLLHHLLLLHHHHHHL0LHHLLLHLHHLLLL1LHHLLHLHHLHHLH2LHHLLHHHHHHLLH3LHHLHLLLHHLLHH4LHHLHLHHLHHLHH5LHHLHHLLLHHHHH6LHHLHHHHHHLLLL7LHHHLLLHHHHHHH8LHHHLLHHHHLLHH9LHHHLHLLLLLLLLLHHHLHHLLLLLLLLHHHHLLLLLLLLLLHHHHLHLLLLLLLLHHHHHLLLLLLLLLHHHHHHLLLLLLLHHHXXXX**注： 1）X代表任意狀態(tài)； 2）*代表LE由0跳變至1時輸入的BCD碼。七段數(shù)碼管實際上是由若干發(fā)光二極管組成的，根據(jù)接法不同分為共陰極和共陽極兩種，共陰極數(shù)碼管所有的發(fā)光二級管陰極接到一起，陽極為單獨引腳，共陽極的剛好相反，從4511的真值表可以看出4511用于驅(qū)動共陰極的數(shù)碼管，具體的實現(xiàn)電路如下：圖3譯碼顯示模塊2.6秒脈沖發(fā)生模塊設(shè)計秒脈沖主要用于提供主道和次道計數(shù)器的時鐘源，秒脈沖可以由下面方案得到。采用555芯片接成多諧振蕩器的方法來獲得秒脈沖，具體實現(xiàn)電路如圖。圖5秒脈沖產(chǎn)生電路該方案原理較為簡單，涉及原器件較少，雖然輸出脈沖精度較差，但是交通燈控制系統(tǒng)并不需要精確的計時，綜合考慮，采用第二種設(shè)計方案。3.總體電路原理交通燈控制系統(tǒng)主要由狀態(tài)控制模塊，減計數(shù)模塊，譯碼顯示模塊，秒脈沖發(fā)生模塊幾部分構(gòu)成，系統(tǒng)初次上電時由于狀態(tài)控制器的計數(shù)器初始值不確定，因而會進入一不確定狀態(tài)，但在依次狀態(tài)轉(zhuǎn)換（主道和次道任一計數(shù)器減計數(shù)至零）后，系統(tǒng)即可進入正常的工作狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)下，狀態(tài)計數(shù)器的低兩位一直在四個狀態(tài)之間循環(huán)，通過對四種狀態(tài)的輸出（Q1，Q0）的譯碼即可控制交通燈的四個工作狀態(tài)，同時對其狀態(tài)譯碼還可以控制主道和次道減計數(shù)器下一狀態(tài)的預(yù)置數(shù)，從而實現(xiàn)不同時間的定時。從設(shè)計要求所給的波形圖可以發(fā)現(xiàn)，主道和次道任一計數(shù)器減計數(shù)至零時即進行依次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，而減計數(shù)至零時將進行預(yù)置數(shù)，因而可以通過預(yù)置數(shù)反饋線信號取反后經(jīng)過或非門為狀態(tài)控制器的計數(shù)器提供轉(zhuǎn)換信號，使在任一計數(shù)器減計數(shù)至零時均會發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換。假設(shè)狀態(tài)計數(shù)器處于Q1=Q0=0的狀態(tài)，經(jīng)狀態(tài)譯碼電路后,G=r=1，Y=R=g=y=0,交通燈主道的綠燈亮，次道的紅燈亮；T2=0；T1=T3=t1=t2=t3=1，三態(tài)總線收發(fā)芯片主道黃燈的計時周期預(yù)置數(shù)工作，在主道計數(shù)減計數(shù)至00時，產(chǎn)生的借位信號經(jīng)反饋為主干道計數(shù)器預(yù)置數(shù)，實現(xiàn)依據(jù)計時需要選擇不同的預(yù)置數(shù)。同時錯位信號產(chǎn)生的時鐘上升沿使?fàn)顟B(tài)計數(shù)器的狀態(tài)加一，進入下一計數(shù)狀態(tài)，然后再進行狀態(tài)譯碼，減計數(shù)，預(yù)置數(shù)，從而實現(xiàn)循環(huán)。4.元件參數(shù)計算5.電路調(diào)試及仿真分析結(jié)果電路的調(diào)試和仿真主要是基于數(shù)字電路仿真軟件Proteus進行的，Proteus對于數(shù)字電路仿真功能十分強大，并且提供了豐富的數(shù)字電路調(diào)試工具。具體的電路調(diào)試主要由以下幾部分組成。5.1狀態(tài)譯碼器的仿真調(diào)試譯碼器主要完成對狀態(tài)計數(shù)器的輸出進行譯碼的工作，是整個設(shè)計的核心所在，也是電路其它部分正常工作的基礎(chǔ)，調(diào)試時將狀態(tài)計數(shù)器接至Proteus提供的數(shù)字脈沖源，將脈沖周期設(shè)置為1s，仿真運行，觀察主道和次道個交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換與狀態(tài)計數(shù)器的輸出與表3和表7列出的真值表進行對比看是否符合要求，經(jīng)仿真分析，在采用74HC192作為裝態(tài)計數(shù)器時僅能正確循環(huán)兩次，緊接著便出現(xiàn)預(yù)置數(shù)錯誤和交通燈顯示的錯誤，經(jīng)仔細分析發(fā)現(xiàn)是由計數(shù)器的計數(shù)進制為十進制造成的錯誤，采用74HC192時，芯片的低兩位并不完全按圖1所示方式進行循環(huán)，而是按照如下方式進行循環(huán)的。0000010001101101101100圖6十進制計數(shù)器低兩位狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖因而循環(huán)方式并非預(yù)期的循環(huán)方式，經(jīng)分析，將計數(shù)器改為四位十六進制計數(shù)器可以滿足設(shè)計要求，其低兩位輸出的循環(huán)方式為圖1所示的循環(huán)方式。將裝態(tài)控制器的計數(shù)器改為74HC161并進行仿真分析，仿真結(jié)果符合表3和表7的輸出要求。5.2計數(shù)器模塊和譯碼顯示的聯(lián)合仿真調(diào)試計數(shù)器模塊主要實現(xiàn)倒計數(shù)功能，而譯碼顯示則是將計數(shù)器的狀態(tài)進行譯碼并通過數(shù)碼管加以顯示，仿真調(diào)試主要是觀察計數(shù)器能否正確減計數(shù)，并且在減計數(shù)至00時能否自動進行預(yù)置數(shù)，在仿真調(diào)試時將兩片計數(shù)器的預(yù)置數(shù)端接Proteus調(diào)試工具中的邏輯狀態(tài)（LogicState），時鐘脈沖選用Proteus提供的時鐘信號源，進行仿真分析，觀察計數(shù)器的計數(shù)是否符合要求，并且在減計數(shù)至00時能否自動進行預(yù)置數(shù)。5.3預(yù)置數(shù)模塊的仿真調(diào)試預(yù)置數(shù)模塊主要實現(xiàn)通過狀態(tài)譯碼電路的譯碼結(jié)果選通相應(yīng)的總線收發(fā)芯片，將輸入端的預(yù)置數(shù)傳送至數(shù)據(jù)總線連接至減計數(shù)器的數(shù)據(jù)預(yù)置端，在狀態(tài)控制器和減計數(shù)器模塊調(diào)試通過的前提下可以直接進行預(yù)置數(shù)模塊的調(diào)試，減計數(shù)器的時鐘信號仍然選擇Proteus中提供的時鐘脈沖源。進行仿真調(diào)試觀察減計數(shù)器的計數(shù)周期是否能夠按預(yù)置數(shù)的不同而發(fā)生變化，經(jīng)仿真分析，預(yù)置數(shù)模塊能夠完成減計數(shù)器初始值預(yù)置選擇的功能，符合設(shè)計要求。5.4秒脈沖發(fā)生模塊仿真調(diào)試秒脈沖模塊主要為減計數(shù)器提供時鐘脈沖源，其測試較為簡單，只需觀察能否正常輸出周期為1s的秒脈沖即可，通過Proteus提供的虛擬示波器可以很好的觀察脈沖的輸出結(jié)果，經(jīng)仿真分析，555構(gòu)成的多諧振蕩器輸出方波的周期約為1s，由于交通燈控制系統(tǒng)并不需要十分精確的計時，因而秒脈沖發(fā)生模塊符合設(shè)計的需要。5.5電路的整體仿真調(diào)試將電路各模塊相互連接，進行聯(lián)合調(diào)試，觀察控制個交通燈的信號的波形，仿真結(jié)果如下：圖7交通燈仿真波形在圖中高電平代表相應(yīng)的燈亮，ZG代表主道綠燈；ZY代表主道黃燈；ZR代表主道紅燈；CG代表次道綠燈；CY代表次道黃燈；CR代表次道紅燈。經(jīng)觀察仿真得到的波形與題目要求中所給的波形完全一致，設(shè)計符合要求。

6實驗總結(jié)與體會通過本次有關(guān)十字路口交通管理控制器的設(shè)計和制作，我們充分利用所學(xué)的數(shù)字電路的設(shè)計知識進行設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)的基本電路，并且利用數(shù)字電路仿真軟件Proteus進行了仿真分析、電路調(diào)試與功能測試，仿真結(jié)果完全符合設(shè)計要求。在此次交通燈系統(tǒng)的設(shè)計過程中遇到過很多問題，尤其是在狀態(tài)譯碼器和預(yù)置數(shù)模塊的設(shè)計過程遇到很大困難，二者屬于組合邏輯電路設(shè)計的范疇，主要通過邏輯門電路實現(xiàn)狀態(tài)譯碼，而預(yù)置數(shù)模塊所遇到的困難更大，要實現(xiàn)依