十字路口交通管理控制器的设计

中北大学信息商务学院课程设计任务书2023/2023学年第一学期系别：电子信息工程专业：电子信息工程学生姓名：苏慧敏学号：王晓腾学号：课程设计题目：十字路口交通管理控制器的设计起迄日期：2023年1月4日～2023年1月15日课程设计地点：S401，S301指导教师：庞存锁教授：王浩全下达任务书日期:2023年1月4日课程设计任务书1．设计目的：本课程设计重要针对电子信息科学与技术专业课程体系设立的规定，安排的一种综合性的课程设计。一方面为了培养学生在查阅资料、复习、学习知识的基础上，进行涉及光、电系统的设计、计算、仿真、调试等环节的综合能力培养；另一方面，也是对学生进行毕业设计前的一次大型训练，进一步培养学生独立分析、解决实际问题的能力。2．设计内容和规定（涉及原始数据、技术参数、条件、设计规定等）：在主、支道路的十字路口分别设立三色灯控制器，红灯亮严禁通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮规定压线车辆快速穿越。根据车流状况不同，可调整三色灯点亮或关闭时间。设计规定及技术指标：(1)主道路绿、黄、红灯亮的时间分别为60秒、5秒、25秒；次道路绿、黄、红灯亮的时间分别为20秒、5秒、65秒；(2)主、次道路时间指示采用倒计时制，用2位数码管显示。(3)主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置；主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整；3．设计工作任务及工作量的规定〔涉及课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：（1）给出完整的设计方案；（2）计算元件参数，给出具体计算过程；（3）提供用PROTEL99或DXP设计的电路原理图，给出印刷版电路图；（4）提供用Multisim、MaxplusII、Proteus等软件对电路的仿真与分析；（5）提供符合规定规定的课程设计说明书；（6）提供参考文献不少于10篇，且必须是相关的参考文献。课程设计任务书4．重要参考文献：[1]陈国顺，宋新民，马峻等.网络化测控技术[M],电子工业出版社，2023.9.[2]庞君，计算机辅助测试的发展趋势[J]，攀枝花学院学报，2023.6:83-83.[3]汪敏生等.LabVIEW基础教程[M].电子工业出版社，2023.1-20.其他参考文献，务必按照国标GB7714-87《文后参考文献著录规则》书写。5．设计成果形式及规定：(1)课程设计说明书;(2)电路原理图;(3)仿真结果。6．工作计划及进度：2023年1月5日~1月6日：分析课程设计任务书，查找资料，拟定初步方案；1月7日~1月9日：论证拟定方案以及核心电路的设计；1月10日~1月12日：进行具体设计，电路仿真，分析仿真结果1月13日~1月14日整理资料，完毕设计总结报告（附完整电路图）1月15日答辩或成绩考核系主任审查意见：签字：年月日目录摘要......................................................................1一、设计方案简介..........................................................1二、设计条件及重要参数表..................................................21、脉冲信号发生.......................................................32、信号灯的转换.......................................................43、计时和显示电路.....................................................74、时间预置和调整部分.................................................9三、设计重要参数计算.....................................................111、计时器.............................................................112、时间预置和调整部分.................................................12四、设计结果.............................................................121、总电路图...........................................................122、总体电路的仿真分析.................................................14五、设计评述及总结体会...................................................16六、元器件清单...........................................................18七、参考文献.............................................................19摘要本次课程设计规定做一个十字路口交通管理控制器，在主、支道路的十字路口分别设立三色灯控制器，红灯亮严禁通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮规定压线车辆快速穿越，之后根据车流状况不同，再调整三色灯点亮或关闭时间。课程设计中已经给出了交通灯工作的时序图，整体分析知，主次道路的交通灯共有三种不同的状态，可以选用一个计数器来模拟相应的状态，或者是用移位寄存器来完毕相应的控制。由其真值表，化简后可以得到主次道路交通灯的逻辑关系，从而可以比较容易的完毕设计规定的基本部分。题目中的扩展部分规定主次道路三色灯的时间可以分别预置和调整，考虑到锁存器的数据存储功能，所以选用锁存器来实现此功能。由于主道路的三色灯亮的时间一旦固定，次道路三色灯亮的时间也相应的固定下来。为实现主次道路时间的同时预置,采用主次道路分开控制，各用三个锁存器来完毕相应的时间预置和调整。主次道路共用一个时钟信号，除开始预置的时间不同外，其余部分都相同。一、设计方案简介在主、支道路的十字路口分别设立三色灯控制器，红灯亮严禁通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮规定压线车辆快速穿越。根据车流状况不同，可调整三色灯点亮或关闭时间。南北方向绿灯：东西方向绿灯：南北方向黄灯：南北方向红灯：东西方向黄灯：东西方向红灯：南北方向绿灯：东西方向绿灯：南北方向黄灯：南北方向红灯：东西方向黄灯：东西方向红灯：5秒5秒60秒25秒20秒65秒循环周期图1-1交通灯工作时序图时钟电路主道计数器时钟电路主道计数器次道计数器译码显示器译码显示器组合电路组合电路秒脉冲电路主绿主黄主红次绿次黄次红计数器组合逻辑电路图SEQ图\*ARABIC1.2交通控制器框图二、设计条件及重要参数表整个电路系统分为主次道路两个子系统，两个子系统共用一个时钟信号，除了起始时刻预置的时间不同样外，其余部分均同样。因此，只对主道路系统进行说明。如图2-1所示系统由控制器、定期器（即计数器）、秒脉冲信号发生器、信号灯、预置数电路和译码显示电路组成。其中控制器是核心部分，由它控制定期器和译码器的工作。秒脉冲信号发生器产生定期器所需要的标准信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。控制器的时钟信号计数器产生，每来一个时钟信号，控制器都会进入到下一个状态，从而控制相应颜色的灯亮。此方案可以方便的实现交通灯的控制，并且可以准确的实现交通灯时间的预置和调整,方便、简洁、高效、实用。图2.1交通灯控制器框图本方案整体组成是2个大部分：主道路和次道路。但是由于主次道路除计数器预置的初始值不同外，其余均相同。因此，只对主道路做说明。整个电路实现重要涉及信号灯的转换、计时和显示电路、时间预置和调整三大部分，各部分的具体功能实现如下：1、脉冲信号发生产生脉冲的方式是由555定期器组成的秒脉冲信号产生电路，具体的电路原理图见下图。图2.2脉冲信号发生2、信号灯的转换设编码状态为S0=00、S1=01、S2=11、S3=10，其输出为Q0、Q1,其中GA、YA、RA分别代表主绿、主黄、主红，GB、YB、RB分别代表次绿、次黄、次红信号灯，高电平“1”代表灯亮，低电平“0”代表灯灭，其交通灯工作时序图及状态编码与信号灯关系如下图：南北方向绿灯：南北方向绿灯：东西方向绿灯：南北方向黄灯：南北方向红灯：东西方向黄灯：东西方向红灯：5秒5秒60秒25秒20秒65秒循环周期图2.3交通灯工作时序图根据设计规定各信号灯的工作顺序流程图如图2.3所示。信号灯有三种不同的状态，分别用S0（主绿灯亮）表达、S1（主黄灯亮）、S2（主红灯亮）表达，其状态编码即状态图2.4及状态转换图如图2.5所示。图2.4信号灯状态转换图表2.1状态编码与信号灯关系表现态次态输出主道交通灯次道交通灯GAYARAGBYBRB000110000101110101001000001010因此，可以用74LS160N做成一个模三计数器，然后通过与或非等逻辑电路关系转化输出高低电平到信号灯，供信号灯工作，从00——01——10三个状态循环工作，相应的绿、黄、红信号灯来回切换。而次道路的信号则与主道路相呼应，00——01——10相应的是红、绿、黄，它们之间相应的时间配合显示。主道路绿灯（00）——黄灯（01）——红灯（10）相应的是次道路的红灯（00）——绿灯（01）——黄灯（10）相应的是具体转换电路图看图2.5图2.5信号灯状态转换电路图74LS160N的异步清零端CLR=为0时候，即QBQA=11，直接清零，重新从00开始，实现00——01——10三个状态循环。脉冲信号输入端口CLK，下降沿有效，仅当两个74LS192N计数器的四个输出QDQCQBQA均为0000时，通过逻辑变换实现下降沿脉冲，驱动74LS160N计数器计数，达成同步循环。3、计时和显示电路图2.6计时和显示电路图根据设计规定，交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定期时间的定期器，以完毕60秒、5秒、25秒和20秒、5秒、65秒的定期任务。该定期器由两片74LS192N构成的两位十进制可预置减法计数器完毕；时间状态两支LED数码管对减法计数器进行译码显示。电路如图2.6。 例如当S1(Q1Q0=00)时，，规定减法计数器按初值60开始计数。计数器接受来自74LS245三态输出信号，得到的输出为高四位DCBA=0110，低四位DCBA=0000。之后个位计数器接受秒脉冲信号，在上升沿触发倒计时计数，直到个位为0是（DCBA=0000），跳到9（1001），最高位D端产生个上升沿，直接作用于十位计数端的脉冲信号输入，触发计数器减数计数一次，以此类推！图2.774LS192拐角示意图74LS192是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。当清除端MR为高电平“1”时，计数器直接置零当MR为高电平时，置数端PL也为低电平，数据直接从置数端A、B、C、D置入计数器。当CLR为低电平LOAD高电平时，执行计数功能。执行加计数时，减计数端DOWN接高电平，计数脉冲由UP输入；在计数脉冲上升沿进行8421码十进制加法计数。执行减计数时，加计数端UP接高电平，计数脉冲由减计数端DOWN输入。LOAD——置数端UP——加法数端DOWN——减法计数端CLR——清除端TCU——非同步进位输出端TCD——非同步借位输出端D0、D1、D2、D3——计数器输入端A、B、C、D——数据输出端表2.274LS192的功能表输入输出CLRLOADUPDOWND3D2D1D0QDQCQBQA1×××××××000000××dcbadcba01↑1××××加法器011↑××××减法器图2.8计时和显示电路4、时间预置和调整部分如图2.9所示，三台输入芯片74LS245，方向控制器DIR为高电平时，数据从A传到Ｂ，三态允许端～Ｇ，低电平工作，高电平封锁。三态允许端接受的信号直接来自信号灯通过个非门后的信号，实现整体电路的控制。时间的预置和调整是直接输入进入到三态输入。图2.9预置和调整时间部分电路图5、自制稳压电源图2.91自制稳压电源设计重要参数计算1、计时器图3.1计时和显示电路的仿真分析图如图3.1所示，给即时显示电路置入初始值60,输入1Hz的时钟信号，经译码显示后，可以看到计数器以一秒的间隔递减计数。当递减到00时，计数器重新置入60，如此循环。2、时间预置和调整部分图3.2主路时间预置和调整部分的仿真电路如图3.2所示，通过开关给74245置入01100000、00100101、00000101，通过观测三态输入端的高低电平和示波器的波形，可以看出，三态输入中保存的数据也，故可知电路可以正常的进行时间的预置。设计结果1.总电路图总电路的工作过程如下:起始状态开始后，信号灯的计数和倒计时计数开始工作，之后按预先设立的各个工作开始循环工作，实现交通信号灯的应用见图4.1图4.1总电路图2、总体电路的仿真分析图4.2主路绿灯辅路红灯图4.3主路黄灯辅路红灯图4.4主路红灯辅路绿灯图4.5主路红灯辅路黄灯如图4.1所示，打开总开关，对总体电路进行仿真。开始时，主道路计数器置入60，次道路计数器置入65，主次道路数码管分别显示60、65，主道路绿灯亮，此道路红灯亮。计数器开始递减计数。主道路由60减至00，此过程中主道路绿灯亮。之后，主道路黄灯亮，数码管显示05至00。再后，主道路红灯亮，数码管显示25至00，以此规律进行循环。同时，次道路计数器有65减至00，此过程中次道路红灯亮。之后，次道路数码管显示20至00，绿灯亮。再后，次道路数码管显示05至00，黄灯亮。以此规律进行循环。这样，按照此规律一直循环下去，就实现了十字路口交通管理器的功能。五、设计评述及总结体会此设计方案的创新之处在于将计数器和信号控制，置数控制互相联系，加入到了电路设计中，使得主次道路各个灯亮的时间可以一次置入(并且半途可以随意修改)，而变灯后可以直接从三态输入端中读出该灯亮时间的二进制表达，大大省去了操作时间，使得人工操作过程更加简洁。同时在解决数码管的倒计时显示时运用了192、245等芯片，192功能特点是可已从任意数开始进行加法或减法计数，为调整过程提供了极大方便。245芯片的加入大大简化了设计过程，使设计效率大幅提高，从而让电路真正实现了从繁到简的蜕变。并且合理的运用了三台控制245的使能端在无效输入时其输出为高阻态的特性，得到很好的效果。在做课程设计的前，由于十字路口中的交通灯在生活中时常见到，也懂得他的工作的外在过程，这对于我对题意有了更深层次的理解，也给我后面的设计做了很好的铺垫。在做课程设计时，我到图书馆查阅了与交通灯相关的资料，也通过网络查找资料，认真总结了相关资料，对其结构有了初步的了解，脑海中也有了大体的设计思绪，为本次课程设计奠定了很多基础，提高设计效率。本认为交通灯是一个很简朴的数字电子系统，自己可以很容易的完毕任务，但在实际操作中还是碰到了不少问题。一方面我考虑的是运用三个锁存器去完毕预置数功能，将主次道路的预置数一次性完毕。但是后来才发现这种方案很难实现，并且会大大增长电路的复杂度。后来，我放弃了开始的方案，重新开始设计，想到主次道路分开控制的方法，最终得到了满足规定的电路，但是由于我的水平有限，电路还不是最合理最完善的电路，其中存在许多需要改善的地方。本次课程设计使我在平时中学到的数电知识得到了综合应用，将理论知识用于实践设计，使我对理论知识了解的更加透彻，也对自己所学的科目和专业产生了更为浓厚的爱好。在这次设计中，除了使用以前学习过的芯片，还接触到了很多自己自己从未了解过的芯片，可见自己的实际操作不仅可以加深对过去知识的记忆，更能见识新事物，拓展知识面。本次课程设计我使用的仿真软件是Multis