交通灯控制设计A课程设计

1、目录1 选题背景················································

2、3;·············11.1 指导思想···································&

3、#183;····················11.2 方案论证···························

4、3;····························11.3 设计任务与要求···················

5、3;······························41.4 电路特点··················&

6、#183;·····································42 电路设计···········

7、··················································

8、·42.1 总体方框图···············································&#

9、183;······42.2 工作原理··········································

10、;··············43 各主要电路及部件工作原理·································&#

11、183;············53.1 NE555构成多谐振荡器··································

12、83;··········53.2 74LS192和74HC153部分····································

13、;·······63.3 主控制器·········································&#

14、183;··············63.4 译码电路··································

15、;······················74 相关计算··························

16、3;···································84.1限流电阻计算·············

17、········································84.2时钟信号产生········&#

18、183;············································85 总原理图····&

19、#183;·················································&

20、#183;·······86 元器件清单·········································

21、;···················97 调试过程及仿真结果·····························

22、;·······················97.1未通电检查·························&#

23、183;·····························97.2 通电检查···················

24、;·····································10 7.2.1 NE555单元调试··········

25、;···································10 7.2.2 发光二极管单元调试············

26、;····························10 7.2.3 脉冲选通信号调试···················

27、·······················10 7.2.4 状态循环电路调试························&

28、#183;·················107.3 结果分析······························

29、83;·························107.4 小结·······················&

30、#183;····································108 设计体会············

31、;··················································

32、;11参考文献资料················································

33、83;···········121 选题背景 随着社会的发展，交通成了现代不可缺少的一部分。人们的日常生活中，处处都离不开交通。交通问题可以说是人们关注的热点。那么如何控制管理交通呢？这就用到了交通信号灯控制。如何采用合适的控制方法，最大限度利用道路，缓解交通拥挤的状况等，交通灯可谓是必不可少的。本次课程设计，需要利用所学知识来模拟出交通灯控制，设计主干道方向45秒，支干道方向25秒，黄灯过度5秒的交通灯控制信号电路，其中红灯为禁止通行，绿灯为允许通行，黄灯为停止通行。1.1 指导思想

34、由NE555产生脉冲，再由计数器74LS192（异步清零）计数产生计时信号，分别按45秒、5秒、25秒、5秒的顺序依次输入到74HC153的输入端D0D4，通过对74HC153的选择端置数对输入端选择输出，依次输出D0D4，即依次在经过45秒、5秒、25秒、5秒时产生脉冲信号，产生的脉冲信号从74HC153的同相输出端输出作为以74LS192和74HC138构成的四个状态循环电路的脉冲信号,而74HC153的反相输出端则作为74LS192的清零信号，即每输出一个计时信号74LS192就清零一次，重新计时。同时利用74LS192的输出端的低两位作为74HC153的控制端的低两位信号，而74HC1

35、53的最高为控制信号接低电平，从而实现D0D4的选择输出，即实现了四个状态的倒计时循环控制。1.2 方案论证方案一：由555产生5秒脉冲，输入到74LS192的CLK端构成80s的计时器，再经门电路译码输出45秒、50秒、75秒、80秒的信号经或门作为以74LS192和74HC138构成的四个状态的循环电路的脉冲信号。方案一特点：门电路多易于发生竞争冒险，译码部分复杂，连线多，不便于检查。其原理图如下（见下页）。 图1-2（1） 方案一原理图方案二：由555产生5秒脉冲，由计数器74LS192（1）计数产生计时信号。从计数器的输出端输出的计时信号经门电路再经74HC153对其进行选择依次在经过

36、45秒、5秒、25秒、5秒时产生的同相输出信号作为以74LS192(2)和74HC138构成的四个状态循环电路的脉冲信号。方案二特点：电路所需元器件少，连线简单，所需门电路少，前后联系紧密，便于检查，其原理图如下。 图1-2（2） 方案二原理图 综合方案一二考虑，方案二简单易行，并且方案二可实现倒计时，所以采用方案二。1.3 设计任务与要求设计一个交通信号灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则停止行驶（给行驶中的车辆有时间停在禁行线以外）。具体要求如下：（）用红、绿、黄发光二极管作信号指示灯。（）主支干道

37、交替允许通行。主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒。（）在每次由绿灯亮转换到红灯亮的过程中，要亮5秒钟的黄灯作为过渡。1.4 电路特点本实验电路采用NE555定时器对电路输入5秒的脉冲，所产生的脉冲信号与计数器74LS192(1)合作构成定时器。计数器选择74LS192，是因为74LS192是同步十进制可逆计数器，可实现倒计时。计数器的输出端经门电路再经74HC153对其进行选择依次在经过45秒、5秒、25秒、5秒时产生的信号作为以74LS192(2)和74HC138构成的四个状态循环电路的脉冲信号，从74HC138输出的信号控制LED信号灯相应状态的转换。2 电路设计2.1 总体方框图

38、根据课程设计要求，交通灯控制系统主要由秒脉冲信号发生器、定时电路和控制电路及译码电路组成，原理框图如下图2-1所示，秒脉冲发生器是该系统计数电路的标准时钟信号源。 计 时 器支干道信号灯红 绿 黄 控制部分 时钟信号主 控 器译 码 电 路主干道信号灯 红 绿 黄图2-1 原理框图2.2 工作原理由555产生5秒的脉冲，输入到74LS192（1）的CLK端计数，计到10（即45s）时，由门电路送到74HC153的D0端，此时门电路的控制端对D0选通，通过74HC153的输出端输出，输出的信号作为第二片74LS192（2）的时钟信号源从而实现计数，74LS192(2)的输出端的部分状态信号送到7

39、4HC138进行部分译码控制LED的状态。这里面所有的状态转换都是由脉冲实现，分别是在依次经过45s、5s、25s、5s这四点给脉冲。脉冲过后，对74LS192进行异步清零。具体信号灯状态转换关系如表1所示.（1）主车道绿灯亮，支车道红灯亮。表示主车道允许通行，支车道禁止通行。规定时间为45秒。控制器发出跳转信号ST，转到下一工作状态。（2）主车道黄灯亮，支车道红灯亮。表示主车道上停止通行，支车道禁止通行。规定黄灯亮5秒，控制器发出跳转信号ST，转到下一工作状态。（3）主车道红灯亮，支车道绿灯亮。表示主车道禁止通行，支车道允许通行。规定时间25秒。控制器发出跳转信号ST，转到下一工作状态。（4

40、）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行，支车道停止通行。规定黄灯亮5秒，控制器发出状态转换信号ST，重复运行（1）状态。以上四种状态均由控制器控制。设控制器的四种状态编码为00、01、10、11，并分别用S0、S1、S2、S3表示，则控制器的工作状态及功能如下所示：S0 主绿灯亮，支红灯亮S1 主黄灯亮，支红灯亮S2 主红灯亮，支绿灯亮S3 主红灯亮，支黄灯亮 3 各主要电路及部件工作原理3.1 NE555构成多谐振荡器NE555可以构成一个多谐振荡器并产生一个5秒脉冲。其工作原理为：接通电源，由于电容电压不能突变，所以高低电平端<1/3VCC，触发器置1，此时定时器内部放电三

41、极管截止，VCC 向电容充电，Uc逐渐升高。当其上升到1/3VCC 时，定时器输出高电平。当其上升到2/3VCC 时，定时器输出低电平。当电容放电时，Uc按指数规律下降，当到2/3VCC 时，状态不变。当下降到1/3VCC 时，定时器输出高电平，重复上述状态。本次设计我们要的周期是5秒，频率是0.2Hz。周期T可以由下面的公式可知：T(R1+2R2)Cln2 (3-1)其中R1=R2=47K,C1=10,C2=0.01，把数据带入T=(R1+2R2)C1ln2，得T=5s，即周期为5秒，输出0.2Hz的信号，电路如图3-1。555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI

42、VDD5VR147kR247kGNDC110µFC20.01µF图3-1 555构成多谐振荡器连接图3.2 74LS192和74HC153部分我们采用异步置零的方法，使74LS192（1）在经74HC153将计时信号选通输出一次就清零一次再从新开始计，从而使74HC153实现依次在经45s、5s、25s、5s输出端输出脉冲信号。其连接如图3-2所示。VDD5VGNDU174HC161D_4VQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U2A4081BT_5VU2B4081BT_5VU374HC151D_4VW6D04

43、D13D22D31D415D514D613D712A11C9B10Y5G7图3-2 选通控制电路3.3 主控制器主控电路是整个的核心，其实它是由前一部分脉冲信号的选通控制电路和后一部分四个状态循环电路的部分电路组成，它的输出信号经译码后分别控制主干道和支干道的三个信号灯。主干道和支干道的三种灯（红、黄、绿），正常工作时，只有4种状态：1)主干道绿灯亮支干道红灯亮S0： QBQA=00 控制器等待45s时钟信号的到来。2)主干道黄灯亮支干道红灯亮S1：QBQA=01控制器等待前一状态后5s时钟信号的到来。3)主干道红灯亮支干道绿灯亮S2：QBQA=10 控制器等待前一状态后25s时钟信号的到来。

44、4)主干道红灯亮支干道黄灯亮S3：QBQA=11控制器等待前一状态后5s时钟信号的到来。3.4 译码电路选用计数器74LS192（2）来实现，则其输出状态编码与车道状态的对应关系为S0=0000，S1=0001,S2=0010,S3=0011(输出的编码从左至右分别为QD、 QC、QB、QA )。通过信号灯与车道状态的关系可进一步得到，计数器输出状态编码与信号灯状态的对应关系如下表所示。表 1 状态编码与信号灯状态关系表QD QC QB QA G1 Y1 R1 G2 Y2 R20 0 0 0 1 0 0 0 0 10 0 0 10 1 0 0 0 10 0 1 0 0 0 1 1 0 00 0

45、 1 1 0 0 1 0 1 0由表1可以得出信号灯状态的逻辑表达式：G1=QAQBQCQD Y1=QAQBQCQD R1=QBQCQDG2= QAQBQCQD Y2= QAQBQCQD R2=QBQCQD车道状态由S0-S1-S2-S3的逐步转换，就是计数器74LS192（2）减法计数的过程。74LS192是一个十进制计数器，但也可以当作四进制计数器来用，此时只看74LS192输出的低两位QBQA，其状态从00开始计数，加至11后又返回00重新计数，观察74LS192的功能表，只需对74LS192（2）的低两位QBQA输出，这样就可以实现上述变化。因此，只需将74LS192（2）的输出端QB

46、、QA通过74HC138译码和门电路实现三种LED灯的四个状态变换。图3-4 译码电路4 相关计算4.1限流电阻计算由于74HC门电路的VOL(MAX)=0.33V, IOL(MAX)=5.2 mA;LED发光二极管正常工作时的电流为ID=320mA，压降为VD=1.22.5V。当取VOL(MAX)=0.33V、VD=2V时，可计算出R=(VCCVDVOL(MAX)/ ID=513.4.因此，取R=520。4.2 时钟信号产生如右图所示，时钟脉冲产生电路是由NE555搭成的多谐振荡器。可以产生5秒的时钟信号。由T=(R1+R2)Cln2=5,q=(R1+R2)/(R1+2R2)=2/3,取C=

47、10F，可计算出：R1= R2=47K。故取C2=0.01F C1=10F R1= R2=47K则 555的输出端即可产生频率为0.2Hz的脉冲。5 原理总图5-1 总原理图6 元器件清单表6-1 元器件清单元器件名称数量配件备注NE 555174HC161174HC138174HC153174HC08(2输入与门）1块（内含4个与门）实用4个与门74LS1922减法计数器74LS1261三态门共阴极数码管2数码显示LED 绿色2模拟绿灯LED红色2模拟红灯LED黄色2模拟黄灯R电阻47K×2个330×6个220×14个C电容10uF×1个10nF

48、15;1个电路板15×20导线排线与排针焊锡7 调试过程及仿真结果7.1 未通电检查 未通电之前，利用万用表检查各部分线路，是否有短路、断路、虚焊等现象。将一个表笔放在接地处，用另一表笔分别接触电路中应该接地的触电，观察是否导通。若导通则进行下一个点的测量；若未导通，则继续焊接。再将表笔放置高电平处，步骤相同。最后，根据原理图，检查是否有漏焊，桥连现象，方法同上述。用万用表可快速明了地对未通电前的电路进行检查。当基本检查完毕后，装上元器件，进行下一步上电检查。7.2 通电检查7.2.1 NE555单元调试单独给NE555单元电路加+5V电压，并将其输出端接在示波器上。调节示波器，观察波形，记录波形幅值和其它参数。NE555单元电路输出波形参数：电压+5V，周期5s。此单元电路无较大误差。7.2.2 发光二极管单元调试未接电源时，二极管的正负极判断方法：万用表打到二极管挡上，然后用万用表的表笔分别接到二极管的两个极上去。当红表笔接触的是二极管的正极，黑表笔接触的是二极管的负极，即二极管处于正向接法时，二极管导通，阻值较小，此时二极管发出微弱的亮光；当黑表笔接触的是二极管的正极，红表笔接触的是二极管的负极，即二极管处在反向接法时，二极管截止，阻值很大，此时二极管不发光。7.2.3 脉冲选通信号调试单独用信号发生器给74LS192与74HC153这个系统提供5秒的脉冲信号，参