交通信号灯控制电路的设计与仿真 (1)

唐 山 学 院电子技术课 程 设 计题 目 交通信号灯控制电路的设计与仿真 系 (部) 信息工程系 班 级 10 应用电子技术 2班 姓 名 李程浩 学 号 3100212226 指导教师 成凤敏 王蕾 2012年 6月 25日至 6 月 29 日 共 1周2012年 6月 28日电子技术 课程设计任务书一、设计题目、内容及要求设计题目：交通信号灯控制电路的设计与仿真设计内容：1.信号灯白天工作方式某方向绿灯点亮 20 秒，然后黄灯点亮 4 秒，最后红灯点亮 24 秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。如果以 4 秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为 5：1：6。从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用 LED 红、绿、黄发光二极管模拟。2.夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。设计要求：（1）根据设计要求实现交通信号灯的显示功能（2）用 Multisim 进行电路仿真（3）撰写设计说明书二、设计原始资料Multisim 仿真软件、课件、芯片资料。三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）课程设计说明书、仿真电路图。四、进程安排周 1 讲解整个设计要实现的功能，查阅相关资料，画出整体电路； 周 2、3 进行仿真并调试；周 4 撰写课程设计任务书；周 5 课程设计答辩并提交设计说明书。五、主要参考资料1 付家才电子工程实践技术北京：北京工业出版社，20032 毕满清电子技术实验与课程设计北京：机械工业出版社，20013 阎石主编数字电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，20094 丁润涛主编电子工程手册北京：机械工业出版社，1995指导教师（签名）： 教研室主任（签名）：课程设计成绩评定表出勤天数 出勤情况 缺勤天数出勤情况及设计过程表现（20 分）课设答辩（20 分）设计成果（60 分）成绩评定总成绩（100 分）提问（答辩）问题情况5、7805 与 7905有什么区别？9、74LS164 是什么器件，在本设计中它处于什么工作状态？13、555 定时器在本设计中是什么工作状态，放电通路由哪些元件构成？22、 TTL 系列芯片所需电源电压为多少伏？综合评定指导教师签名：年 月 日目录1 引言 .12 交通灯设计内容 .22.1 工作方式 .22.2 控制特点 .23 总体设计 .33.1 单元电路设计 .33.1.1 系统电源 .33.1.2 秒脉冲产生电路 .43.1.3 十二进制计数器 .53.1.4 分频器电路的设计 .53.1.5 信号灯驱动电路 .73.1.6 白天夜间模式切换的设计 .73.1.7 交通灯逻辑控制电路 .83.2 仿真调试 .104 设计总结 .14附录 1.16电子课程设计说明书1 1 引言电子技术是根据电子学的原理运用电子器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学,包括信息电子技术和电力电子技术两大部分。随着时代的进步其获得了长足的提发展，在生活中被应用的越来越广泛。目前随着经济的发展，城市极度膨胀，人们生活水平的提高，私家车越来越多已成为不争的事实。然而路网建设并没有随着机动车保有量的增加而增加。城市道路堵塞日趋加重，交通事故频繁。城市交通越来越成为一个广泛性的问题，如何能够更好的应用当前科技成果造福人类业已成为热门话题。一个拥有活力的城市离不开各种系统，而城市交通控制系统是现代城市智能交通系统的重要组成之一。城市平交路口实现交通信号控制是城市交通管理现代化的基本标志之一，是提高交通管理效能的重要技术手段。路口信号控制器是控制交叉路口交通信号的设备，它是交通信号控制的重要组成部分。各种交通控制方案，最终都要由路口信号控制器来实现。为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。Multisim10 它是美国 NI 公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟、数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。在搭建实际电路之前，采用 Multisim10 仿真软件进行虚拟测试，可使实验方法和实验手段现代化，扩展实验容量，使实验内容更完备，提高了实验效率，节省大量的实验资源。有了 Multisim10 软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。由 Multisim10 软件设计的交通信号灯控制电路系统由控制器、四分频器、定时器、和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，555 定时器输出脉冲信号，控制电路控制定时器的工作，驱动电路驱动六只三色 LED 工作。此可见本次电子技术课程设计能够带领我们深入的了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用于实际生活中。进一步提高个人对电子技术的理解运用。电子课程设计说明书2 东西信号灯 南北信号灯组合逻辑电路十二进制计数器四分频器 秒脉冲产生电路系统电源工作方式控制开关图 2-2 整体电路设计框图2 交通灯设计内容2.1 工作方式设计交通信号控制灯要求白天的工作方式是：某方向绿灯点亮 20 秒，然后黄灯点亮 4 秒，最后红灯点亮 24 秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮，如此循环。如图 2-1：夜晚的工作方式是：南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮。设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。2.2 控制特点从点亮要求可以看出，有些输出是并行的。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。总的设计框图如图 2-2：南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 1t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t图 2-1 信号指示灯白天点亮流程图电子课程设计说明书3 3 总体设计3.1 单元电路设计3.1.1 系统电源本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V 直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为5V 的直流稳压电源。通过变压器将市电降压到交流9V，在通过整流桥整流滤波和稳压块 7805得到直流5V 电压。直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要。直流稳压电源包括变压器降压、二极管或整流桥整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。仿真图如图 3-1 所示图 3-1 直流稳压电源仿真图XMM1C33.3mFXMM2U2LM7805CTV1220 Vrms 50 Hz 0 D13N2491243T113121110091在 Multisim 中进行仿真 电压示数如图 3-2图 3-2 仿真电压表示数如图 3-2 所示通过变压器将市电降压到交流 8.718V，在通过整流桥整流滤波和稳压块 7805 得到直流 5.015V 电压，在允许范围与要求相符。电子课程设计说明书4 3.1.2 秒脉冲产生电路由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器 555 和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用 555 定时器组成多谐振荡器。其中由 555 构成本次课设的 1 秒脉冲电路如图 3-3 所示：图 3-3 用 555 定时器组成多谐振荡器U1LM555CMGND1DIS7OUT 3RST4VCC8THR6CON5TRI2C11uF C210nFR3360kR2410kXSC1A BExt Trig+_ + _075641振荡周期与频率的计算公式为：T=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C,电源电压为 V=5V，其中电路图中 C2 的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用 10nF 的瓷片电容。设计要求 T=1S，选 C1=1uF,R1=360k，由于系统误差选择电阻 R2=410k。 在 Multisim 中进行仿真得图 3-4：图 3-4 输入脉冲仿真波形电子课程设计说明书5 由图可得 T=1.005s，与要求相符。3.1.3 十二进制计数器 由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为5：1：6），因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LS164。仿真电路如图3-5所示图 3-5 12 进制扭环形计数器U574LS164N&QA3QB4QC5QD6A1B2CLK8QE10QF11QG12QH13CLR9U6A74LS04NR15k J1Key = A 0115183.1.4 分频器电路的设计上述十二进制计数器的时间单位为 4 秒，即它的 CP 脉冲为 4 秒。为了使整体电路工作步调一致，4 秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个 4 分频器电路。秒脉冲经 4 分频后得到 4 秒脉冲，将其作为十二进制计数器的 CP 脉冲。本次课程设计使用两个 D 触发器组成 4 分频器电路。其仿真电路如图 3-6 所示电子课程设计说明书6 图 3-6 分频器电路仿真U19B74LS74D1D 21Q51Q61CLR 11CLK 31PR 4U20A74LS74D1D 21Q51Q61CLR 11CLK 31PR 4XSC2A BE