數(shù)電交通燈課程設(shè)計(jì)---交通燈控制電路

1、<p>　　數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告書</p><p>　　2010 年 12 月7 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 設(shè)計(jì)目的………………………………………………………4</p><p>　　2 設(shè)計(jì)思路………………………………………………………4</p>&

2、lt;p>　　3 設(shè)計(jì)過程………………………………………………………4 </p><p>　　3.1方案論證……………………………………………………4</p><p>　　3.2電路設(shè)計(jì)……………………………………………………6</p><p>　　3.2.1秒脈沖發(fā)生器………………………………………………………6</p><p>　　

3、3.2.2定時(shí)器………………………………………………7</p><p>　　3.2.3控制器………………………………………………9</p><p>　　3.2.4譯碼電路……………………………………………10</p><p>　　3.2.5顯示部分……………………………………………11</p><p>　　3.2.6總原理圖………………………

4、……………………12</p><p>　　4系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果………………………………………………12</p><p>　　5主要元件………………………………………………………12</p><p>　　6 結(jié)論……………………………………………………………13</p><p>　　7設(shè)計(jì)心得體會(huì)…………………………………………………13</

5、p><p>　　8 附錄……………………………………………………………13</p><p>　　8.1總原理圖……………………………………………………13</p><p>　　8.2 PCB圖………………………………………………………14</p><p>　　9參考文獻(xiàn)…………………………………………………………14</p><

6、;p><b>　　交通燈控制電路</b></p><p>　　摘要：交通信號(hào)燈常用于交叉路口，用來控制車輛的流量，提高交叉路口車輛的通行能力，減少交通事故。本交通燈設(shè)計(jì)主要由秒脈沖發(fā)生器、定時(shí)器、控制器、譯碼顯示電路組成。秒脈沖發(fā)生器由NE555產(chǎn)生脈沖，定時(shí)器由74LS160實(shí)現(xiàn)，控制器由74LS153和74LS74組成，譯碼電路采用74LS48和七段數(shù)碼管來顯示?？刂破魍ㄟ^ST信號(hào)

7、對(duì)定時(shí)器進(jìn)行控制，從而顯示紅黃綠燈的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　關(guān)鍵字：交通燈 控制器 秒脈沖發(fā)生器 定時(shí)器 譯碼器</p><p><b>　　1 、設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　?。?）熟悉集成電路的引腳安排。</p><p>　?。?）掌握各芯片的邏輯功能及使用方法。</p><p

8、>　?。?）了解面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法。</p><p>　?。?）了解數(shù)字交通燈控制電路的組成及工作原理。</p><p>　?。?）學(xué)會(huì)用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行仿真。</p><p>　?。?）熟悉數(shù)字交通燈控制電路的設(shè)計(jì)與制作。</p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)思路</b></p>&l

9、t;p>　　（1）設(shè)計(jì)秒脈沖發(fā)生器</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)交通燈定時(shí)電路</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)交通燈控制電路</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)交通燈譯碼電路</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)交通燈顯示時(shí)間電路</p><p><b>　　3 設(shè)計(jì)過程 </b></p>

10、;<p><b>　　3.1方案論證</b></p><p>　　方案一 用數(shù)電電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)交通燈控制</p><p>　　交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1-1所示。</p><p>　　它主要由控制器、定時(shí)器、譯碼器和秒脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時(shí)器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈的控制

11、信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時(shí)器和譯碼器的工作。圖中： </p><p>　　TL: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時(shí)間間隔為25秒，即車輛正常通行的時(shí)間間隔。定時(shí)時(shí)間到，TL=1，否則，TL=0。 </p><p>　　TY：表示黃燈亮的時(shí)間間隔為5秒。定時(shí)時(shí)間到，TY=1，否則，TY=0。 </p><p>　　ST：表示定時(shí)

12、器到了規(guī)定的時(shí)間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)。由它控制定時(shí)器開始下個(gè)工作狀態(tài)的定時(shí)。 </p><p>　　圖1-1 系統(tǒng)的原理框圖</p><p>　　交通燈控制器的ASM 如圖1-3所示</p><p>　?。?）甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間隔TL(25s)時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)

13、。 </p><p>　?。?）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時(shí)間間隔TY(5s)時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 </p><p>　　（3）甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔TL(25s)時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，轉(zhuǎn)

14、到下一工作狀態(tài)。 </p><p>　?。?）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔TY(5s)時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。 </p><p>　　交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器器進(jìn)行控制的。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、1

15、1、10，并分別用S0、S1、S3、S2表示，則控制器的工作狀態(tài)及功能如表1、2所示，控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號(hào)。為簡(jiǎn)便起見，把燈的代號(hào)和燈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)合二為一，并作如下表1-2規(guī)定：</p><p><b>　　表1-2</b></p><p>　　由此得到交通燈的ASM圖，如 圖1-3所示。設(shè)控制器的初始狀態(tài)為S0（用狀態(tài)框表示S0），當(dāng)S0的持續(xù)

16、時(shí)間小于25秒時(shí)，TL=0（用判斷框表示TL），控制器保持S0不變。只有當(dāng)S0的持續(xù)時(shí)間等于25秒時(shí)，TL=1，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST（用條件輸出框表示ST），并轉(zhuǎn)換到下一個(gè)工作狀態(tài)。</p><p>　　交通燈變換次序：綠--》黃--》紅--》綠--》...(一直循環(huán)下去)</p><p>　　A綠B紅--》A黃B紅--》A紅B綠--》A紅B黃--》A綠B紅--》...(一直循環(huán)下去

17、)</p><p>　　圖1-3 交通燈的ASM圖</p><p>　　方案二 用單片機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)交通燈控制</p><p>　　用單片機(jī)技術(shù)來來實(shí)現(xiàn)交通燈控制是最容易實(shí)現(xiàn)的，而且該電路可靠性也很高，但是這是要求設(shè)計(jì)者要有單片機(jī)編程的基礎(chǔ)上才能完成設(shè)計(jì)。由于本人單片機(jī)編程基礎(chǔ)不是很好，所以選用了數(shù)字電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)交通燈控制。</p><p&g

18、t;　　3.2．單元電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　3.2.1秒脈沖發(fā)生器 </p><p>　　秒脈沖發(fā)生器由NE555電路及外圍電路組成，其中R8=15K、R9=68K,C3=10uF的電阻電容值決定了脈沖寬度。既T=(R8+2R9)C2ln2當(dāng)T=1S，即可湊出R8、R9、C3其中C3=0.01uF是為了保持輸出的波形的穩(wěn)定。</p><p>　　如圖1-4

19、所示， R9=68K、C3=10uF組成一個(gè)串聯(lián)RC充放電電路，在NE555的7腳上輸出一個(gè)方波信號(hào)，C3上得到一個(gè)三角波。此三角波送到NE555的2腳輸入端。由NE555內(nèi)部的比較器和門電路共同作用，維持7腳上的方波信號(hào)和3腳上的輸出方波。</p><p>　　圖1-4 秒脈沖發(fā)生器原理圖</p><p>　　秒脈沖還可以由芯片CD4060和74LS74及其外圍電路構(gòu)成如圖1-4-4

20、，該電路選用石英晶體結(jié)構(gòu)成振蕩器，在經(jīng)過分頻電路得到秒脈沖。振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)精度越高。如果精度要求不高也可以采用集成邏輯門與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器以及由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器。因此，該設(shè)計(jì)選著由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器來產(chǎn)生秒脈沖。</p><p>　　圖1-4-4 石英晶體和分頻器構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器</p><p><b>　　3.

21、2.2定時(shí)器 </b></p><p>　　定時(shí)器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，要求計(jì)數(shù)器在狀態(tài)信號(hào)ST作用下，首先清零，然后在時(shí)鐘脈沖上升沿作用下，計(jì)數(shù)器從零開始進(jìn)行增1計(jì)數(shù)，向控制器提供模5的定時(shí)信號(hào)TY和模25的定時(shí)信號(hào)TL。</p><p>　　計(jì)數(shù)器選用集成電路74LS160進(jìn)行設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)便。74LS160是10進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，它具有異步清

22、零、同步置數(shù)的功能。74LS160功能表如表4-1所示。</p><p><b>　　表4-1</b></p><p>　　表中RD’是低電平有效的同步清零輸入端，LD’是低電平有效才同步并行置數(shù)控制端，EP、ET是計(jì) 圖1-3 交通燈的ASM圖數(shù)控制端，CO是進(jìn)位輸出端，D0～D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q0～Q 3是數(shù)據(jù)輸出端。設(shè)計(jì)如圖1-5</p>&l

23、t;p>　　圖1-5 交通燈定時(shí)器</p><p>　　其工作原理為：由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖CLK分別送給兩個(gè)74LS160的清零端9處。如圖所示：輸入端3.4.5.6分別接地.。U1的7和10由U2的11、14經(jīng)過與門相與后相連（與上圖不符，少了一個(gè)與非門，看74LS163的設(shè)計(jì)圖1--5-5）。.即：只有當(dāng)時(shí)11、14處產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖時(shí)才能觸發(fā)U1中的14產(chǎn)生脈沖。當(dāng)U13C 74LS04的

24、ST信號(hào)分別送給U1和U2的LOAD。就可以得到TY和TY非是秒脈沖的5倍；TL和TL非的結(jié)果是秒脈沖的25倍。</p><p>　　除此，還可以用74LS163來實(shí)現(xiàn)這個(gè)定時(shí)器。但是由于該芯片不是十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，因此在進(jìn)位時(shí)要加上一個(gè)與門，設(shè)計(jì)如下圖1-5-5。因?yàn)樵撾娐放c1-5的定時(shí)電路多用了一個(gè)與門，因此不選用。</p><p>　　圖1-5-5 由74LS163構(gòu)成的定時(shí)電路&l

25、t;/p><p>　　定時(shí)器中的控制信號(hào)ST由控制器中74LS153數(shù)據(jù)選擇器的輸出提供</p><p><b>　　3.2.3控制器</b></p><p>　　控制器是交通管理的核心，它應(yīng)該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號(hào)燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表1-6所示。選用兩個(gè)D觸發(fā)器74LS74做為時(shí)序寄存器產(chǎn)生 4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)

26、換的條件為TL（25s）和TY（5s），當(dāng)控制器處于Q1n+1Q0n+1＝ 00狀態(tài)時(shí)，如果TL＝ 0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果，則控制器轉(zhuǎn)換到Q1n+1Q0n+1＝ 01狀態(tài)。這兩種情況與條件TY無關(guān)，所以用無關(guān)項(xiàng)"X"表示。其余情況依次類推，就可以列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST。</p><p>　　表1-6 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表</p><p>　　根據(jù)上表可以推出狀態(tài)方

27、程和轉(zhuǎn)換信號(hào)方程，其方法是：將Q1n+1、Q0n+1和 ST為1的項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的輸人或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與，其中"1"用原變量表示，"0"用反變量表示，然后將各與項(xiàng)相或，即可得到下面的方程：</p><p>　　根據(jù)以上方程，選用數(shù)據(jù)選擇器 74LS153來實(shí)現(xiàn)每個(gè)D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇輸入端作為控制信號(hào)．即可實(shí)現(xiàn)控制器的功能。<

28、/p><p>　　控制器原理圖如圖1-7所示。圖中R、C構(gòu)成上電復(fù)位電路。由兩個(gè)雙多路轉(zhuǎn)換器74LS153和一個(gè)雙D觸發(fā)器74LS74組成控制器。觸發(fā)器記錄4種狀態(tài)，多路轉(zhuǎn)換器與觸發(fā)器配合實(shí)現(xiàn)4種狀態(tài)的相互交換。</p><p>　　圖1-7 交通燈控制器</p><p>　　其原理為： CLK分別送給U6A和U6B的3和11的清零端。將TY接入U(xiǎn)4的5和U5的4和5

29、；TY非接入U(xiǎn)4的4。如上圖所示：74LS74兩個(gè)D觸發(fā)器作為時(shí)序寄存器產(chǎn)生4種狀態(tài)。選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來實(shí)現(xiàn)每個(gè)D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的的現(xiàn)態(tài)值加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇端作為控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)控制器的功能。</p><p><b>　　3.2.4譯碼電路</b></p><p>　　譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出 Q1、 Q0的4種工作狀態(tài)，翻

30、譯成甲、乙車道上6個(gè)信號(hào)燈的工作狀態(tài)?？刂破鞯臓顟B(tài)編碼與信號(hào)燈控制信號(hào)之間的關(guān)系如表1-8所示。表中A、B代表甲、乙車道。</p><p>　　表1-8 控制器狀態(tài)編碼與信號(hào)燈關(guān)系表</p><p>　　由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生了周期性變化的CLK脈沖，一部分送給了定時(shí)器的74LS160芯片，另一部分送給了控制器的74LS74芯片。在脈沖ST同時(shí)加到定時(shí)器74LS160芯片的情況下，通過芯片7

31、4LS10將會(huì)輸出TY、TY非；TL、TL非。即TY（5s）和TY非放大的結(jié)果是秒脈沖的5倍；TL（25s）和TL非放大的結(jié)果是秒脈沖的25倍。前者輸出的信號(hào)是后者的1/5。將定時(shí)器輸出的TY。TY非；TL。TL非分別作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK脈沖置于芯片74LS74中會(huì)輸出高低變化的電平?？刂破髦械男盘?hào)在送給由芯片74LS08組成的譯碼器后再通過電路中的指示燈和200歐的電阻從而得到交通燈的邏輯電路，這種電路的結(jié)果最

32、終通過小燈的正常閃爍來實(shí)現(xiàn)。電路圖設(shè)計(jì)如圖1-9</p><p>　　圖1-9譯碼器部分原理圖</p><p><b>　　3.2.5顯示部分</b></p><p>　　顯示部分由74LS48和共陰極七段數(shù)碼管組成，74LS48作為譯碼器，對(duì)74LS160的輸出信號(hào)進(jìn)行譯碼，然后通過七段數(shù)碼管顯示出74LS160的計(jì)數(shù)。即交通燈需要顯示的時(shí)間

33、。其設(shè)計(jì)如圖1-9</p><p>　　圖1-9 由74LS48和數(shù)碼管組成的電路</p><p><b>　　4系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果</b></p><p>　?。?）組裝調(diào)試秒脈沖電路。</p><p>　?。?）進(jìn)行定時(shí)電路的組裝和調(diào)試。當(dāng)輸人1Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)時(shí)，要求電路能進(jìn)行增計(jì)時(shí)，當(dāng)增計(jì)時(shí)到25時(shí)，能輸電有效的

34、定時(shí)時(shí)間到信號(hào)。</p><p>　?。?）調(diào)試交通燈控制器以及顯示部分。 </p><p>　　（4）判斷各部分電路之間的時(shí)序配合關(guān)系。然后檢查電路各部分的功能，使其滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　最終調(diào)試如下：</b></p><p>　　接上電源,便可以進(jìn)行交通燈控制系統(tǒng)的仿真，電路默認(rèn)把通車時(shí)間設(shè)為2

35、5秒，甲車道方向綠燈亮，行人車輛都可自由通行；乙車道方向車道的紅燈亮，車輛禁止通行。時(shí)間顯示器從預(yù)置的0秒，以每秒增1，增到25到0時(shí)，甲道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，其余燈都不變。從增至5秒又到0后時(shí)甲車道的黃燈轉(zhuǎn)換為紅燈；乙車道的紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈。如此循環(huán)下去。</p><p><b>　　5主要元件</b></p><p>　　集成電路：NE55—1片 74LS160—2

36、片 74LS08—2片 74LS04—2片 </p><p>　　74LS153—2片 74LS74—2片 74LS48—2片 5106AS—2片</p><p>　　74LS20—1片（74LS04芯片含有4個(gè)非門，08、20芯片同上）</p><p>　　電阻： 200歐姆—9個(gè) 15K歐姆—1個(gè) 68K歐姆—1個(gè) </p><p&

37、gt;　　電容： 0.01uF—1片 10uF—2片</p><p>　　其他：發(fā)光二極管—6個(gè)</p><p><b>　　6、結(jié)論</b></p><p><b>　　1、能實(shí)現(xiàn)的功能</b></p><p>　　交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和計(jì)時(shí)時(shí)間的顯示，基本能實(shí)現(xiàn)甲、乙道路直行和轉(zhuǎn)彎燈的顯示功能。&

38、lt;/p><p><b>　　2、不足之處</b></p><p>　　交通燈中沒有右轉(zhuǎn)燈，用的芯片太多。</p><p><b>　　7、設(shè)計(jì)心得體會(huì)</b></p><p>　　開始拿到題目的時(shí)候，不知道怎么去做,因?yàn)橐呀?jīng)有半年沒看數(shù)電了，自己對(duì)這門課的設(shè)計(jì)都不是很會(huì)，對(duì)很多的芯片的功能都不是很清

39、楚，而且還要帶一個(gè)專升本的同學(xué)去做這個(gè)設(shè)計(jì)，所以做得特別認(rèn)真。從收集資料到仿真在到做實(shí)物一共用了半個(gè)月的時(shí)間。在做PCB板的時(shí)候，花了很長的時(shí)間去布線，由于芯片太多，線很亂不得不手動(dòng)布線，一共用了一天的時(shí)間才做好。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我動(dòng)手、思考和解決問題的能力.現(xiàn)在設(shè)計(jì)已經(jīng)做好了,但是控制器控制信號(hào)燈不是很好。雖然花了很多的時(shí)間，但學(xué)到了很多東西。做課程設(shè)計(jì)的時(shí)候,自己把整個(gè)書本都看了

40、幾遍，增強(qiáng)了自己對(duì)知識(shí)的理解，很多以前不是很懂的問題現(xiàn)在都已經(jīng)一一解決了。在課程設(shè)計(jì)的過程中，我想了很多種方案，對(duì)同一個(gè)問題(像計(jì)數(shù)器的接法)都想了很多種不同的接法，運(yùn)用不同的芯片進(jìn)行了比較，最后還是采取了上面的方法進(jìn)行連接。</p><p><b>　　8 、附錄</b></p><p>　　8.1總原理圖1-10和1-11（如下）</p><p

41、>　　圖1-10 仿真圖一</p><p>　　圖1-11 仿真圖二</p><p><b>　　8.2 PCB圖</b></p><p><b>　　9、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京：高等教育出版社，1999年</p>&l