十字路口交通灯控制的实现 数电.doc

_ 目 录摘要1一、设计任务与分析21.1基本要求2二设计方案与选择32.1方案设计32.1.1方案一：数字电路实现32.1.2方案二：单片机实现42.2方案分析与选择5三、电路设计53.1电路组成53.2单元电路的设计63.2.1秒脉冲发生器63.2.2减计数定时电路的设计83.2.3控制电路的设计133.2.4信号灯显示电路15四、总电路图及仿真174.1总电路图174.2工作原理174.3仿真与调试184.3.1主干道绿灯，次干道红灯184.3.2主干道黄灯，次干道红灯184.3.3主干道红灯，次干道绿灯194.3.4主干道红灯，次干道黄灯19五、个人体会20六、元件清单21七、参考文献22摘要本次课程设计是设计十字路口交通灯，主要通过运用学过的数字电路设计的知识完成基础的交通灯基本功能，包括用减计数器定时显示和交通灯各种状态之间的转换， 并且要实现通行、缓行和禁行三种状态的时间的设置，本次设计采用仿真软件Multisim对所设计的电路进行数字电路仿真和测试，观察仿真结果看设计是否符合要求，最后作出实物并调试达到预期效果。关键字：交通灯 减计数器 状态转换 数字电路仿真 十字路口交通灯的设计与实现一、设计任务与分析1.1基本要求1、要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行（以红绿灯指示）；变更车道以前，黄灯先亮5秒钟，黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次；两个车道均以减计数方式显示时间，用2位数码管显示。2、两车道的灯亮时间关系为：甲车道绿、黄、红灯亮的时间分别为m秒、5秒、n秒；乙车道绿、黄、红灯亮的时间分别为n5秒、5秒、m5秒。m和n可以预置。3、确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和集成电路，设计分电路，阐述基本原理。4）绘制总体电路原理图。1.2设计思路1、本次设计用红黄绿三种颜色的LED模拟交通灯；2、主道路绿、黄、红灯亮的时间预置为60秒、5秒、25秒； 次道路绿、黄、红灯亮的时间预置为20秒、5秒、65秒；3、主、次道路时间指示采用减计数器定时，用2位数码管显示。 图1 信号灯状态转换二设计方案与选择2.1方案设计2.1.1方案一：数字电路实现 根据设计要求，主道路绿、红、黄灯亮的时间分别为60s、25s、5s,次道路绿、红、黄灯亮的时间分别为20s、65s、5s。设主干道方向红绿黄灯分别为R,G,Y,次道路方向红绿黄灯分别为r,g,y。用十进制减数计数器控制三种状态的保持和切换，主干道和次干道共用同步的脉冲信号，主干道方向先由60s减数到0s的时候切换为黄灯并开始5s倒计时，到第二次减数到0s时切换为绿灯并开始25s倒计时，待减数到0s时在切换为绿灯，为一个循环（周期为90s）。同理，次干道方向红黄绿三灯保持亮的时间分别为65s、20s、5s，一个循环也是90s，可实现红黄绿的切换。如图为工作流程图： 图2方案二流程图2.1.2方案二：单片机实现根据题目要求，可以利用单片机来实现，设计了如图3所示的控制系统结构： 图3减计数器定时采用2位数码管显示，用独立键盘控制交通灯的状态。2.2方案分析与选择方案一采用的是数字电子技术中所学的基本原理与芯片，原理简单，只是简单的计数，译码再通过逻辑门电路对其进行控制。各部分电路相互独立的，即可以采用分开接线，分开测试的方法，方便检查线路，当各部分电路检测输出无误后再将各部分连接成整体。方案二采用单片机的方法实现，焊接好之后只需编程调试，简单方便。但这样不能将所学的数字电路的知识加以运用，所以选择了方案一，将理论用于实践才能更好的提升自己。所以选择方案一。三、电路设计3.1电路组成根据要求中交通指示灯定时亮灭，时间指示采用倒计时显示，则需要由定时系统，计数器，时钟电路等来满足，状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过译码器分别点亮相应状态的信号灯。秒信号发生器产生整个定时系统的时基脉冲，通过减法计数器对秒脉冲计数，达到控制每一种工作状态的持续时间。减法计数器的的回零脉冲时状态控制器完成状态转换。电路由秒脉冲发生器、减计数定时器和译码显示电路、主控制电路和信号灯显示电路4部分组成。3.2单元电路的设计3.2.1秒脉冲发生器 秒脉冲发生器采用555定时器构成的多谐振荡器，振荡电路输出频率为1Hz、幅度为5V。由555定时器构成的1Hz多谐振荡器电路原理图如图4所示，其仿真输出波形如图5所示。电路由一个555芯片、两个电阻和两个电容组成，通过电阻给电容充电、放电的过程来产生振荡，从而输出矩形脉冲。因为该电路输出脉冲周期为：T（R1+R2）Cln2,要使输出频率为1HZ，即T=1s,令C=10F，可得R1=15K，R2=68K。 图4 图5 3.2.2减计数定时电路的设计交通灯的减计数分主干道和支干道两部分，由于两部分的计数时间不同因而要分别采用两个计数器对其进行计数，计数采用倒计时的方式，因而需要采用带减计数功能的计数芯片，并且需要计数的长度可以进行预置。所以采用74LS192和74LS153芯片实现。通过74LS153芯片进行预置数，74LS192则实现减计数的功能。1、74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟十进制可逆计数器、异步并行置数功能、保持功能以及清零功能。引脚图及功能表如图6、图7所示： 图6图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。 图7 74LS192功能表2、74LS153芯片引脚图及功能： 图8 153 为两组 4 选 1 数据选择器，数据选择端（AB）为两组共用，按二进制译码。1G、2G为两个独立的使能端；B、A为公用的地址输入端；1C01C3和2C02C3分别为两个4选1数据选择器的数据输入端；Y1、Y2为两个输出端。 当使能端1G（2G）1时，多路开关被禁止，无输出，Y0。 当使能端1G（2G）0时，多路开关正常工作，根据地址码B、A的状态，将相应的数据C0C3送到输出端Y。 B A00 则选择CO数据到输出端，即YC0。 B A01 则选择C1数据到输出端，即YC1，其余类推。选择输入数据输出选通输入输出BAC0C1C2C3GYLLLLLHLLLHLHLHLLLLHHLHHLLLLHLHLHHHLLLHHHLH 图9 74LS153功能表3、 电路设计 图10计数器电路具有65s倒计时（计数范围为651的减数计数）、60s倒计时（计数范围为601的减计数）、25s 、20s 、以及5s 计时功能。仿真三个状态如下： 图11 第一状态 图12 第二状态 图13 第三状态3.2.3控制电路的设计 1、交通灯控制系统可划分为四个状态（D0，D1，D2，D3），具体表现为（注：表格中1表示相应的灯亮，0表示相应的灯灭） 主道交通灯 次道交通灯状态 绿 黄 红 绿 黄 红00 1 0 0 0 0 101 0 1 0 0 0 110 0 0 1 1 0 011 0 0 1 0 1 0 图14 信号灯状态表从信号灯状态图中可以看出有四个状态的转换与循环，可以利用普通的两位计数器完成状态控制模块的设计，也可以通过仅使用普通四位计数器的低两位即可完成相应的功能，这里选择了后者，计数器的低两位按如下方式进行循环： 图15 控制电路状态转换图00状态：主干道置数60s开始倒计时，同时次干道置数65s开始计时01状态：主干道置数5s开始倒计时，次干道置数20s开始倒计时10状态：主干道置数25s开始倒计时，次干道置数5s开始倒计时主干道绿灯变红灯时有60s减至00s此时次干道红灯倒计时至5s，主干道变黄灯由5s开始倒计时至0s而次干道红灯继续由5s倒计时至0s，此时主干道变红为25s开始倒计时次干道变绿灯有20s开始倒计时，20s后主干道还处于红灯状态由5s继续倒计时，而此时次干道正为黄灯开始5s倒计时，5s以后变为00状态，开始新一轮循环，仿真图如下： 图163.2.4信号灯显示电路1、状态表： 状态控制输出 主干道交通灯 次干道交通灯Q1Q0 G Y R g y r 00 0 0 1 0 1 001 1 0 0 0 0 110 0 1 0 1 0 0 图17有真值表可求出各信号灯的逻辑函数表达式为： G=Q0 g=Q1 Y=Q1 y= R= r=Q0电路图如下： 图18 主干道信号灯电路图 图19 次干道信号灯电路图四、总电路图及仿真4.1总电路图 图20 十字路口交通灯总电路图4.2工作原理交通灯控制系统主要由状态控制模块，减计数模块，译码显示模块，计时时间预置模块，秒脉冲发生模块几部分构成，系统初次上电时由于状态控制器的计数器初始值不确定，因而会进入一不确定状态，但在依次状态转换（主道和次道任一计数器减计数至零）后，系统即可进入正常的工作状态。在正常工作状态下，状态计数器的低两位一直在四个状态之间循环，通过对四种状态的输出（Q1，Q0）的译码即可控制交通灯的四个工作状态，同时对其状态译码还可以控制主道和次道减计数器下一状态的预置数，从而实现不同时间的定时。从设计要求所给的波形图可以发现，主道和次道任一计数器减计数至零时即进行依次状态转换，而减计数至零时将进行预置数，因而可以通过预置数反馈线信号取反后经过或非门为状态控制器的计数器提供转换信号，使在任一计数器减计数至零时均会发生状态转换。假设状态计数器处于Q1=Q0=0的状态，经状态译码电路后,G=r=1，Y=R=g=y=0,交通灯主道的绿灯亮，次道的红灯亮；T2=0；T1=T3=t1=t2=t3=1，三态总线收发芯片主道黄灯的计时周期预置数工作，在主道计数减计数至00时，产生的借位信号经反馈为主干道计数器预置数，实现依据计时需要选择不同的预置数。同时错位信号产生的时钟上升沿使状态计数器的状态加一，进入下一计数状态，然后再进行状态译码，减计数，预置数，从而实现循环。4.3仿真与调试4.3.1主干道绿灯，次干道红灯 图214.3.2主干道黄灯，次干道红灯 图224.3.3主干道红灯，次干道绿灯 图234.3.4主干道红灯，次干道黄灯 图24 五、个人体会 刚拿到题目的时候，不知道怎么做，脑子里没有思路，后来查阅了很多书籍才开始有了头绪，首先确定了大体思路，确定需要什么样功能的芯片，又查阅资料了解需要芯片的功能就开始使用Multisim软件仿真调试，不断的修正完善，最后仿真成功。接着就是做实物焊接电路，由于芯片过多，且引脚不规律，所以在焊接过程也遇到了很多的困难，最后都一点点克服，通过这次课程设计，增强了我动手、思考和解决问题的能力，虽然花了很多时间，但学到了很多东西。做课设的时候自己认真查阅各种资料，加强了自己对知识的理解。 在整个课程设计的过程中，细节很重要，不管是在仿真还是在焊接实物的时候，都要特别的细心，因为不小心搭错一根线就会不会成功，这让我明白了细节的重要性，不仅仅是在数电课程设计中如此，在其他实验，甚至是生活中都是这样，这也让我学到了人生的哲理。最后就是，理论确实和实践有很大的区别，实践能帮组我们更好的理解、记住理论的知识，能让我们多方面的思考，如果只仅仅停留在理论上而不能将理论运用到时间实践中去，这样的学习是没有太大的意义的。在这次课程设计中，我还看到了自身很多的不足，在以后的学习生活中会更加努力的完善自己。六、元件清单类别型号数量备注集成芯片74LS192674LS453674LS004 74LS322 NE555 显示器共阴极七段LED数码管4发光二极管62绿2黄2红电阻15K