基于数字电路的交通灯设计

电子技术课程设计报告课程名称电子技术课程设计设计题目交通信号灯控制器所学专业名称电子信息工程班级电信1班学号2023210xxx学生姓名张XX指导教师XXX2023年6月1日电子技术课程设计任务书设计〔论文〕名称：交通信号灯控制器系(部)、专业：电气学院电子信息工程学生姓名：张XX指导教师：XXX下达时间：2023年5月25日一、课程设计应到达的目的：设计①设计一个十字路口交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间25秒；②要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；③黄灯亮时要求每秒闪亮一次。二、课程设计任务和根本要求设计任务：①设计一个十字路口交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间25秒；②要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；③黄灯亮时要求每秒闪亮一次。根本要求：①用交通灯控制十字路口的车辆通行，绿灯通行，黄灯缓行，红灯停止，每次通行25秒，那么要求绿灯每次亮25秒。②绿灯亮25秒后变成黄灯，黄灯再亮5秒，当甲车道亮绿灯时，乙车道红灯亮，那么当甲车道亮黄灯时，车辆缓行，此时乙车道不能通行，故亮红灯，所以红灯亮30秒。③黄灯闪亮，只需将黄灯的控制信号与时间的秒信号相与即可。目录TOC\o"1-3"\h\u摘要： 3第一章设计电路31.1设计任务与要求31.2设计分析3第二章总体设计方案42.1电路状态分析42.2时间控制分析5第三章单元电路设计53.1时标电路53.2分频电路678第四章电路总图9第五章元件清单10第六章心得体会10参考文献11芯片引脚与功能表11交通信号灯控制器摘要：在日常生活中，交通灯作为管理交通、调协车辆的一个便捷的手段，起着很大的作用。各种交通工具、行人都要根据交通灯的变化来决定是否前行，通行的时间的规定协调了它们的步伐，极大的减少了由于交通混乱引起的各种事故的发生。因此，一个完善的交通系统中，交通灯是必不可少的设备，一个完善的交通灯程序会更有效的管理当前道路中出现的实际情况，使车辆、行人的行进变得更顺畅、更和谐。设计电路1.1设计任务与要求①设计一个十字路口交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间25秒；②要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；③黄灯亮时要求每秒闪亮一次。1.2设计分析①用交通灯控制十字路口的车辆通行，绿灯通行，黄灯缓行，红灯停止，每次通行25秒，那么要求绿灯每次亮25秒。②绿灯亮25秒后变成黄灯，黄灯再亮5秒，当甲车道亮绿灯时，乙车道红灯亮，那么当甲车道亮黄灯时，车辆缓行，此时乙车道不能通行，故亮红灯，所以红灯亮30秒。③黄灯闪亮，只需将黄灯的控制信号与时间的秒信号相与即可。1.3设计原理与框图为了确保十字路口的车辆顺利、通畅地通过，往往都采用自动控制的红、黄、绿的交通灯来进行指挥。其中红灯亮，表示该道路禁止通行；黄灯亮表示该道路上未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆缓慢通行；绿灯表示该道路允许通行。交通灯的控制系统框图如图1-1所示：时标时标分频系统控制电路东西方向EW⊕⊕⊕GYR南北方向NS⊕⊕⊕GYR倒计时显示图1-1它主要由控制器、分频器、倒计时器和时标等局部组成。时标以秒脉冲发生器产生，倒计时器显示两组信号灯的控制时间，分频器将时标秒信号进行五分频，并将信号提供应控制器，控制器是系统的主要局部，由它控制倒计时器，和红绿黄灯的显示情况。总体设计方案2.1电路状态分析〔1〕两车道的运行状态共4种，如表2-1所示控制器状态信号灯状态车道运行状态及时间S0〔00〕S1〔01〕S2〔11〕S3〔10〕南北绿，东西红南北黄，东西红南北红，东西绿南北红，东西黄南北通行，东西禁止通行(5t)南北缓行，东西禁止通行(t)南北禁止通行，东西通行(5t)南北禁止通行，东西缓行(t)表2-1控制器工作状态及其功能表中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR,NSY,NSG;东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR,EWY,EWG。它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。应满足两个方向的工作时序，即东西方向亮红灯的时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和。同理，南北方向亮红灯的时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。本方案取时间t=5s，那么南北、东西方向亮绿、黄、红灯时间分别为25s、5s、30s。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。2.2时间控制分析〔2〕十字路口要有数字显示作为时间提示，以方便人们更直观地把握时间。具体应为当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式，直至减到数为“0〞，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。例如当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为30，并使计数器开始减“1〞计数。当减到绿灯灭而黄灯亮〔闪耀〕时，数显示应为5，当减到“0〞时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为30。时序工作流程图如图2-2所示：S0=00S0=0030sS1=015sS2=1030sS3=1125s图2-2(3)时标直接由集成的时钟信号源提供1s的单位秒脉冲；倒计时器由4块74LS192两两组合，分别记录南北、东西方向的通行情况，数字显示由四块集成的4输入端数码管承当；时间t=5s，有74LS161的五分频信号提供；控制器由2块74LS194组成扭环行12进制计数器，提供红黄绿灯的控制信号，再由集成的虚拟交通灯模拟红黄绿的显示情况。单元电路设计3.1时标电路秒脉冲由如图3-1所示的集成时钟信号源提供，本方案信号源采用5V的电压，它是整个电路的基准时间信号，它的秒脉冲直接提供应分频器74LS161，并触发其工作。〔也可以采用555定时器来提供秒脉冲信号〕图3-13.2分频电路该分频电路为五分频，具体设计情况如图3-2所示：图3-24位同步二进制计数器74LS161的封装及功能表见附录，将芯片的始能端ENP、ENT，清零端〔低电平有效〕，电源端接5V〔高电平〕，输出端QC五进制的进位端通过74LS04非门反应给置数端LOAD〔低电平有效〕，输入端A、B、C、D均接地〔低电平〕，计数器从0开始计时，当计数到4时，输出端QC为1〔高电平〕，此时置数端LOAD有效，输入端重新置为0，如此循环，计时器反复从0-4计五个数，该过程中CLK,QA,QB,QC的波形依次如图3-3所示：图3-3由波形图可知图3-2中的计数器是下降沿触发的，QB,QC均为五分频信号，本方案中选择QC信号并输入给下级的核心控制电路，作为74LS194的触发信号。控制电路局部由两块74LS194组成扭环行12进制计数器，然后经74LS04的非门与74LS08的与门译码，输出给十字路口南北、东西两个方向的信号灯，其中的黄灯信号与时标秒信号相与即可获得每秒闪亮一次的信号。扭环行计数器的状态表如下所示计数器输出南北方向东西方向Q0Q1Q2Q3Q4Q5NSGNSYNSREWGEWYEWR00000001000011100000100001211000010000131110001000014111100100001511111001000161111110011007011111001100800111100110090001110011001000001100110011000001001010根据状态表，可列出东西、南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式：东西方向绿：EWG=Q4·Q5’黄：EWY=Q4’·Q5(EWY’=EWY·CP)红：EWR=Q5’南北方向绿：NSG=Q4’·Q5黄：NSY=Q4·Q5’(NSY’=NSY·CP)红：NSR=Q5具体电路图3-4设计如下图：图3-474LS194四位双向移位存放器的引脚与功能表见附录，将其中一片74LS194的QD接至另一片的SR，将另一片的QA接到这片的SL，同时把两片的S1、S0、CLK和~CLR分别并联即可变成8位的双向移位存放器，如上图所示电路只采用右移功能，故只将左边的74LS194的QD接至右边的SR，再降右边输出端的QB接方向器非门反应给左边的SR，作为右移的输入信号，从而行成扭环12进制计数器，另上图两片74LS194输出端的QA、QB、QC、QD从左至右分别为Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8。按东西、南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式连接成上图所示电路的右边局部，黄灯闪亮那么需将EWY和NSY分别与时标信号相与。图中上面的交通灯模拟东西方向，下面的那么模拟南北方向。另外，S0、~CLR接高电平，S1接低电平，CLK接上级的五分频信号。并将东西、南北方向的黄灯信号与时标秒脉冲相与(EWY’=EWY·CP和NSY’=NSY·CP)的反向信号分别输出给下级南北、东西方向倒计时器的置数端，东西、南北反向的红灯信号和时标秒脉冲的与信号分别输出给下级南北、东西方向倒计时器，作为触发信号。电路具体设计如图3-5所示，左边两块74LS192和集成数码管记录和显示南北方向红灯亮的时间，右边两块74LS192和集成数码管记录和显示东西方向红灯亮的时间。将低位74LS192的借位输出端(~BO)和进位输出端(~CO)分别接至高位的减计数时钟输入端(DOWN)和加计数时钟输入端(UP)，组成两位十进制计数器。本计数器用来倒计时，将减计数时钟输入端(DOWN)，接上级相应控制电路红灯信号和时标秒脉冲的与信号，低位的加计数时钟输入端(UP)接5V的高电平，置数端接上级相应控制电路黄灯信号与时标秒脉冲相与的反向信号，置数输入端都置成30，异步清零(CLR)接地〔低电平〕。图3-5第四章电路总图第五章元件清单第六章心得体会刚开始看到电子设计的15个题目，我顿时感觉跃跃欲试，因为做了老久的实验。对各个集成块的各个管脚都大致有了了解；每次做实验我差不多都能一次完成及很好的完成接线任务；同学们说我做的不错。所以更想做此次的电设。当我看到交通灯控制器这个题目时，我情不自禁的就选择了它。因为我对交通灯怎么通行的很是好奇。并且想通过自己掌握的知识设计出一个能完成根本任务的交通灯。然后我开始慢慢的查找资料。进行设计环节。借阅了有关Multisim仿真软件的书籍。根本了解了怎么添加元件，修改元件，以及怎么仿真。设计过程没有想象的那么简单。在倒计时电路时遇到了些麻烦，所以花了比拟多的时间在上面。程老师要求说我们可以做出实物也可以交仿真文件。我感觉能做出仿真电路已经并非易事，要在去做出实物。那就更难了，总的来说此次设计，辛苦也有，失望也有，最重要的是我学习到了很多。可能更加加深了我对本专业的热爱，以及立志要成为一名优秀的硬件工程师的决心!参考文献[1]《数字电子技术根底》/阎石主编；清华大学电子学教研组编.-5版.-北京：高等教育出版社，2006.5〔2023重印〕[2][3]《数字电路与可编程技术实验教程》/吴俊鹏，孟昭林，附小晶主编—[4]《电子技术根底实验与仿真》/孙胜麟，郭照南主编—附录：芯片引脚与功能表=1\*GB3①4位同步二进制计数器74LS161的引脚及功能