数字电子技术：交通灯控制电路设计.doc

数字电子技术课程设计课程设计报告课程名称： 数字电子技术 设计题目： 交通灯控制电路设计 院 系： 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 目 录一、设计目的2二、设计要求和设计指标2三、设计内容23.1 总体设计23.1.1交通灯控制的实现23.1.2总原理图43.2 单元电路的设计53.2.1秒脉冲发生器53.2.2定时器53.2.3译码电路63.2.4控制器73.2.5显示部分93.3 仿真结果与分析10四、总结10五、主要参考文献11交通灯控制电路设计一、设计目的由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁行线内。实现红、绿灯的自动指挥对城市交通管理现代化有着重要的意义。二、设计要求和设计指标（1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。（2）当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。（3）主支干道交替允许通行，主干道每次放行30s、支干道20s。设计30s和20s计时显示电路。（4）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s的黄灯作为过渡，设置5s计时显示电路。三、设计内容3.1 总体设计3.1.1交通灯控制的实现交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码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，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制区是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。秒脉冲发生器定时器控制器译码器甲车道信号灯乙车道信号灯图1 系统的原理框图设控制器的初始状态为S0，当S0的持续时间小于25秒时，TL=0,控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号，并转换到下一个工作状态。如图2所示：TLAGBRSTSTAYBRTYARBYTYSTSTAGBRTL图2 交通灯的ASM图3.1.2总原理图A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U174LS48A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U274LS48D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO15ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1U374LS160D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO15ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1U474LS160+5V123U5:A74LS00121312U6:A74LS10+5V+5V12U7:A74LS0434U7:B74LS0456U7:C74LS041X061Y71X151X241X332X0102Y92X1112X2122X313A14B21E12E15U874LS1531X061Y71X151X241X332X0102Y92X1112X2122X313A14B21E12E15U974LS153+5VD2Q5CLK3Q6S4R1U10:A74LS74D12Q9CLK11Q8S10R13U10:B74LS74123U11:A74LS08456U11:B74LS089108U11:C74LS08121311U11:D74LS08R1200C110nF+5V+5V+5VR2200R3200R4200R5200R6200R7200D1LED-REDD2LED-REDD3LED-GREEND4LED-GREEND5LED-YELLOWD6LED-YELLOWR4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U12NE555+5VC20.01uFC310uFR868kR915k?ABCDRSTCLKCE图3 总原理图3.2 单元电路的设计3.2.1脉冲信号发生器脉冲信号发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R8、R9、C3 的电阻电容值决定了脉冲宽度。既T=(R8+2R9)C2ln2当T=1S，即可凑出R8、R9、C3其中C3=0.01uF是为了保持输出的波形的稳定。 如图4所示，R9、C3组成一个串联RC充放电电路，在NE555的7脚上输出一个方波信号，C3上得到一个三角波，此三角波送到NE555的2脚输入端，由NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。图4 脉冲信号发生器原理图3.2.2定时器定时器由与系统脉冲信号（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。计数器选用集成电路74LS160进行设计。74LS160是十进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。设计图如图5所示：图5 交通灯定时器其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CLK分别送给两个74LS160的清零端9处。如图所示：输入端4，4，5，6分别接地。U1的7和10由U2的11、14经过与门相与后相连。即：只有当时11、14处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲。当U13C74LS04的ST信号分别送给U1和U2的LOAD。就可以得到TY和TY非是秒脉冲的5倍：TL和TL非的结果是秒脉冲的25倍。3.2.3译码电路译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，翻译成车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表1所示。表1 控制器状态编码与信号灯关系表Q1 Q0AG绿灯AY黄灯AR红灯BG绿灯BY黄灯BR红灯0 01000010 10100011 00011001 1001010由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CLK脉冲，一部分送给了定时器的74LS160芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST同时加到定时器74LS160芯片的情况下，通过芯片74LS10将会输出TY、TY非。即TY和TY非放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和TL非放大的结果是秒脉冲的25倍。前者输出的信号是后者的1/5。将定时器输出的TY、TY非、TL、TL非分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片74LS08组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。电路设计如图6：图6 译码器部分原理图3.2.4控制器控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。列出控制器的状态转换表，如表2所示。选用两个D触发器74LS74作为时序寄存器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1=00状态时，如果TL=0，则控制器保持在00状态；否则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项“X”表示。其余情况依次类推，就可以列出了状态转换信号ST。表2 控制器状态转换表输 入输 出现 态状态转换条件次 态状态转换信号Q1n Q0nTL TYQ1n+1 Q0n+1ST0 00 00 10 11 11 11 01 00 X1 XX 0X 10 X1 XX 0X 10 00 10 11 11 11 01 00 001010101根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1 、Q0n+1 和ST为1的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中“1”用原变量表示，“0”用反变量表示，然后将各与项相或。选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号，即可实现控制器的功能。控制器原理图如图7所示。图中R、C构成上电复位电路。由两个双多路转换器74LS153和一个双D触发器74LS74组成控制器。触发器记录4种状态，多路转换器与触发器配合实现4重状态的相互交换。图7 交通灯控制器其原理为：CLK分别送给U6A和U6B的3和11的清零端。将TY接入U4的5和U5的4和5；TY非接入U4的4。如上图所示：74LS74两个D触发器作为时序寄存器产生4种状态。选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。3.2.5显示部分显示部分由74LS48的共阴极七段数码管组成，74LS48作为译码器，对74LS160的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出74LS160的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计图如图8：图8 由74LS48和数码管组成的电路3.3 仿真结果与分析首先连接调试秒脉冲电路。其次进行定时电路的连接和调试。当输入1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到25秒时，能输电有效的定时时间到信号。判断各部分电路之间的时序配合关系，然后检查各部分的功能，使其满足设计要求。当电路检查无误后，开始播放，便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间定为25秒。时间显示器从预置的0秒，以每秒增1，增到25时换为0时，红灯转换为黄灯，其余灯都不变。从增至5秒又到0时，甲车道又由黄灯转换为红灯，乙车道的红灯转换为绿灯。由此循环下去。四、总结刚开始拿到题目时，真的是无从下手，因为自己对这门课不是那么的熟悉，学的也不是很好，做课程设计时，只能不断的翻书或查资料。这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力，由于时间比较紧，所以控