數(shù)電交通信號燈課程設計---交通信號燈控制器仿真設計

1、<p>　　《電子技術》課程設計報告</p><p>　　題 目 交通信號燈控制器仿真設計 </p><p>　　學 院 電子與控制工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 自動化 </p><p>　　班 級

2、 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　12 月 19 日至 12 月 30 日 共 2 周</p><p>　　指導教師（簽字） </p><p&g

3、t;　　目錄 </p><p>　　第1章 摘要 -------------------------------------------2</p><p>　　第2章 引言--------------------------------------------2</p><p>　　

4、第3章 信號燈的設計目的和設計要求----------------------3</p><p>　　第4章 設計原理及總方案設計----------------------------3</p><p>　　第5章 系統(tǒng)元件介紹------------------------------------4</p><p>　　5.1

5、 74LS163計數(shù)器------------------------------------4</p><p>　　5.2 555振蕩器構成的秒脈沖電路------------------------5</p><p>　　5.3 共陰極LED七段數(shù)碼管-----------------------------8</p><p>　　5.4 74

6、LS190加減計數(shù)器-------------------------------9</p><p>　　第6章 設計模塊思路和過程--------------------------------11</p><p>　　6.1 信號獲取和傳遞模塊------------------------------11</p><p>　　6.2 數(shù)

7、碼管顯示模塊----------------------------------13</p><p>　　第7章 調試結果------------------------------------------14</p><p>　　第8章 心得體會------------------------------------------15</p><

8、p>　　第9章 參考文獻------------------------------------------16</p><p>　　交通信號燈控制系統(tǒng)的設計</p><p><b>　　一、摘 要</b></p><p>　　隨著各種交通工具的發(fā)展和交通指揮的需要，第一盞名副其實的三色燈(紅、黃、綠三種標志)于1918年誕生

9、。它是三色圓形四面投影器，被安裝在紐約市五號街的一座高塔上，由于它的誕生，使城市交通大為改善。 </p><p>　　當前，大量的信號燈電路正向著數(shù)字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者關系的協(xié)調， 多值化方向發(fā)展隨著社會經濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關注.隨著社會的發(fā)展,城市規(guī)模的不斷擴大,城市交通成為制約城市發(fā)展的一大因素,因此,有許多設計工作者為改善城市交通環(huán)境設計了許多方案,而大多數(shù)都為交通指

10、揮燈,本電路也正是基于前人設計的基礎上進行改進的.全部有數(shù)字電路組成,比較以前的方案更為精確。</p><p>　　關鍵詞：控制器 計數(shù)器 信號燈 譯碼電路</p><p><b>　　二、引 言</b></p><p>　　黃色信號燈的發(fā)明者是我國的胡汝鼎，他懷著“科學救國”的抱負到美國深造，在大發(fā)明家愛迪生為董事長的美國通用電器公司任職員

11、。一天，他站在繁華的十字路口等待綠燈信號，當他看到紅燈而正要過去時，一輛轉彎的汽車呼地一聲擦身而過，嚇了他一身冷汗。回到宿舍，他反復琢磨，終于想到在紅、綠燈中間再加上一個黃色信號燈，提醒人們注意危險。他的建議立即得到有關方面的肯定。于是紅、黃、綠三色信號燈即以一個完整的指揮信號家族，遍及全世界陸、海、空交通領域了。 </p><p>　　中國最早的馬路紅綠燈，是于1908年出現(xiàn)在上海的英租。 從最早的手牽皮帶到2

12、0世紀50年代的電氣控制，從采用計算機控制到現(xiàn)代化的電子定時監(jiān)控，交通信號燈在科學化、自動化上不斷地更新、發(fā)展和完善。</p><p>　　當前，大量的信號燈電路正向著數(shù)字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者關系的協(xié)調， 多值化方向發(fā)展隨著社會經濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關注.隨著社會的發(fā)展,城市規(guī)模的不斷擴大,城市交通成為制約城市發(fā)展的一大因素,因此,有許多設計工作者為改善城市交通環(huán)境設計了許多方

13、案,而大多數(shù)都為交通指揮燈,本電路也正是基于前人設計的基礎上進行改進的.全部有數(shù)字電路組成,比較以前的方案更為精確。 </p><p>　　三、交通信號燈的設計目的以及要求</p><p>　　十字路口的紅綠燈指揮著行人和各種車輛的安全運行。實現(xiàn)紅綠燈的自動指揮是城市交通自動化的重要課題。本課題利用數(shù)字路的

14、基本知識和設計方法，設計一個簡單的交通燈控制系統(tǒng)要求。</p><p><b>　　目的：</b></p><p>　　1.掌握系統(tǒng)設計的一般步驟和方法，掌握一個大的系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的相互作 用和相互制約關系；</p><p>　　2.運用數(shù)字電路理論知識自行設計并實現(xiàn)一個較為完整的小型數(shù)字系統(tǒng)。通過系統(tǒng)設計、電路安排與調試、寫設計論文等環(huán)節(jié)

15、，初步掌握工程設計的具體步驟和方法，提高分析問題和解決問題的能力，提高實際應用水平；</p><p>　　3.學會用中規(guī)模器件設計一個符合要求的系統(tǒng)，并熟悉常用中規(guī)模器件的用法。</p><p>　　4.學會按照電路圖在面包板上合理布局使各器件在系統(tǒng)中的連線更簡單，清晰；</p><p>　　5.在實踐中運用理論知識，培養(yǎng)實際動手能力；</p><

16、;p><b>　　要求：</b></p><p>　　1.設計一個十字路口交通控制電路，要求東西方向和南北防線扯到兩條叫你觀察道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設為45s。 </p><p>　　2.在綠燈轉為紅燈時，要求黃燈先亮5s，才能變換運行車道。 </p>

17、<p>　　3.黃燈亮時，要求每秒閃亮一次。</p><p>　　4.東西方向，南北方向，車道出來有紅,黃，綠燈指示外每一種燈亮的時間段偶用顯示器進行顯示（采用倒計時的方法） </p><p>　　5．在一個主支干道的十字路口，東西和南北方向各設置一個紅，黃，綠三種顏色的交通燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行。在綠燈變紅燈時先要求黃燈亮5秒鐘，以便讓后來車輛準備停車。由于

18、主干道車輛較多，支干道車輛較少，所以要求主干道處于通行狀態(tài)的時間要長一些，為30秒；而支干道通行時間為20秒.</p><p>　　四、設計原理及總體方案設計 </p><p>　　十字路口的紅綠燈指揮著行人和各種車輛的安全通行。有一個主干道和一個支干道的十字路口如圖3-1所示。每邊都設置了紅、綠、黃色信號燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行，在綠燈變紅燈時先要求黃燈亮幾秒鐘，以便讓

19、停車線以外的車輛停止運行。因為主干道上的車輛多，所以主干道放行的時間要長。</p><p>　　路口交通指揮系統(tǒng)示意圖</p><p>　　交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如下。整個系統(tǒng)可以分為4個模塊，秒脈沖信號發(fā)生器、倒計時計數(shù)電路、信號燈轉換器和信號顯示器組成。秒脈沖信號發(fā)生器是該系統(tǒng)中倒計時計數(shù)電路和黃燈閃爍控制電路的標準時鐘信號源，倒計時計數(shù)器輸出兩組驅動信號T5和T0，經信號燈轉換器控

20、制信號燈工作，倒計時計數(shù)電路是系統(tǒng)的主要部分，由它控制信號燈轉換器的工作。</p><p>　　交通燈控制系統(tǒng)的原理如下：</p><p>　　五、系統(tǒng)所需要的元件</p><p>　　信號轉換器中需要計數(shù)器74163，在倒計時計數(shù)器中采用74190計數(shù)器，下面分別介紹這兩種元件的功能，用法，及其原理</p><p>　　5.174LS163

21、</p><p>　　74LS163引腳功能表及管腳定義圖 (帶時序波形圖)</p><p>　　定時器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時鐘脈沖產生器提供）同步的計數(shù)器構成，要求計數(shù)器在狀態(tài)信號ST作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從零開始進行增1計數(shù)，向控制器提供模5的定時信號TY和模25的定時信號TL。計數(shù)器選用集成電路74LS163進行設計較簡便。74LS163是4位二進制同步計

22、數(shù)器，它具有同步清零、同步置數(shù)的功能。74LS163的外引線排列圖和時序波形圖如圖（一）所示，其功能表如表（二）所示。圖中，是低電平有效的同</p><p>　　控制器提供模5的定時信號TY和模25的定時信號TL。 計數(shù)器選用集成電路74LS163進行設計較簡便。74LS163是4位二進制同步計數(shù)器，它具有同步清零、同步置數(shù)的功能。74LS163的外引線排列圖和時序波形圖如圖（二）所示，其功能表如表12、2

23、所示。圖中， 是低電平有效的同步清零輸入端， 是低電平有效才同步并行置數(shù)控制端，CTp、CTT是計 圖（一）交通燈的ASM圖數(shù)控制端，CO是進位輸出端，D0～D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q0～Q 3是數(shù)據(jù)輸出端。由兩片74LS163級聯(lián)組成的定時器電路如圖(一)所示。</p><p>　　圖（一） 圖（二）</p><p>　　5.2 555振蕩器構成的

24、秒脈沖電路</p><p>　　555定時器是種中規(guī)模集成電路，只要外部配上適當阻容元件，就構成脈沖產生和整形電路。</p><p>　　1 555定時器的引腳</p><p>　　時器555定時器內部結構和引腳排列圖，如內部電路圖，引腳排列圖。555定時器內部含有一個基本RS觸發(fā)器，配個電壓比較器C1,C2,一個放電三極管T由三個5K的電阻的分配器，555定時器因

25、此而得名一個輸出緩沖器G3。比較器C1的參考電壓為2VCC/3加在同相輸入端C2的參考電壓為VCC/3加在反相輸入端，兩者均由分在器上取得。</p><p>　　圖 555的內部電路圖</p><p>　　555定時器引腳排列圖</p><p>　　555定時器個引線端的用途如下：</p><p><b>　　1．1端為接地線；&

26、lt;/b></p><p>　　2．2端為低電平觸發(fā)端，也稱為觸發(fā)輸入端。當2端的輸入高電壓高 于VCC/3時，C2輸出為1；當輸入電壓低于VCC/3時，C2的輸出為0，使基本觸發(fā)器置1；</p><p>　　3．3端U0為輸出端；</p><p>　　4．4端是復位端，當=0時，基本觸發(fā)器直接置0，使Q=0，=1；</p><p>

27、　　5．3端UDD 為電壓控制端，如果CO 端另加控制電壓，則可以改變C1，C2的參考電壓。工作中不使用CO 端時，一般都通過一個0.01uF的電容接地，以防旁路干擾；</p><p>　　6．6端TH 為高電平觸發(fā)端，當輸入電壓低于2VCC/3時，C1的輸出為1；當輸入電壓高于2VCC/3時，C1的輸出為0，使基本觸發(fā)器置0，即Q0=0，=1，這時定時器輸出U0=0；</p><p>　

28、　7．7端D為放電端。當基本觸發(fā)器的=1時，放電晶體管T導通，外接電容元件通過T放電；</p><p>　　8．8端VCC為電源端，可在4.3-1.6V范圍內使用，若為CMOS電路，則VCC=3-18V。</p><p>　　表7-1 555定時器功能表，它全面表示了555的基本功能。</p><p><b>　　55定時器功能表</b>&l

29、t;/p><p>　　2 555定時器構成的多諧振蕩器</p><p>　　多諧振蕩器產生矩形波的自激振蕩電路，由于矩形波包含和高次諧波成分，因此稱為多諧振蕩器。如圖7-3 555定時器圖7-4 波形圖采用555設計的多諧振蕩器及其工作波形，其振蕩頻率與實際的數(shù)字鐘頻率略有出入，但可以通過校時裝置校時。多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時毋須外加發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（

30、自激振蕩）。用555實現(xiàn)多諧振需要外接電阻R1，R2和電容C，并外接+3V的直流電源。只需在+VCC端接上+3V的電源，就能在3腳產生周期性的方波。</p><p>　　圖 本次設計的秒脈沖電路圖</p><p>　　5．3 共陰極LED七段數(shù)碼管數(shù)碼管分為共陽極結構和共陰極結構。</p><p>　　若顯示器共陽極連接，則對應陽極接高電平的字段發(fā)光；而顯示

31、器共陰極連接，則接低電平的字段發(fā)光。此次設計采用的是共陰極連接如圖圖  共陰極數(shù)碼管引腳圖5.2 CD4511譯碼器圖 CD4511管腳功能排列圖1.以下介紹各引腳的功能：其功能介紹如下：            BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端

32、狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。           LT：3腳是測試輸入端，當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示&#8220;8&#8221;。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。  

33、0;         LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。           A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 

34、0;          a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。2.數(shù)碼連接譯碼電路。CD4511是一種BCD碼輸入端,其中D是高電位;a、b、c、d、e、f、g是輸出端,輸出高電平有效,</p><p>　　5.4 74SL190加減計時器</p><p>　　五

35、、設計模塊思路和過程</p><p>　　通過總控制端控制兩組倒計時器，分別循環(huán)計時，并在預定時間獲取相應信號，提供給信號燈轉換模塊，從而實現(xiàn)信號燈按預定時間實現(xiàn)循環(huán)轉換，交通信號燈的電路連接完成。</p><p>　　我負責的是信號獲取和傳遞模塊和數(shù)碼管顯示模塊，所采用的方法全部都是我們自己的思路，因此很多地方可能走了彎路，做的比較麻煩，望老師見諒。</p><p&g

36、t;　　下面我重點介紹信號獲取和傳遞模塊和數(shù)碼管顯示模塊。</p><p>　　5.1信號獲取和傳遞模塊</p><p>　　從倒計時計數(shù)器獲得適當脈沖信號部分，由于我們所做的倒計時計數(shù)器無法實現(xiàn)從45s到5s再到25s再到5s倒計時的循環(huán)，因此在經過多次嘗試無果的情況下，采用了2組倒計時器分別從50s和30s開始計時，當?shù)褂嫊r計數(shù)到05s的時候獲得一個脈沖信號，傳遞給信號燈轉化模塊，使得

37、黃燈亮，于是是第一組計數(shù)器先工作，計數(shù)由50s到05s過程中主干道綠燈亮，次干道紅燈亮，05s到00s過程中是主干道綠燈亮，次干道紅燈亮，然后轉為第二組計數(shù)器工作，計數(shù)由30s到05s時次干道綠燈亮，主干道紅燈亮，05s到00s時次干道黃燈亮，主干道紅燈亮，因此只要在工作計數(shù)器示數(shù)為05s和00s時獲得脈沖并提供給信號燈轉換模塊，就能實現(xiàn)信號燈按預定想法轉換，我的思路是直接從倒計時計數(shù)器的輸出端來獲取信號，即當且僅當計數(shù)器在所需示數(shù)時獲

38、得高電平，其余時候均為低電平，由此產生脈沖傳遞給信號燈轉換模塊，由于信號燈轉換模塊采用了74ls163計數(shù)器接收脈沖信號，而74ls163接收端clk僅當下降沿有效，因此若要想使信號燈在5s和0s的時候轉換，需在倒計時計數(shù)器示數(shù)為06s和01s的時候產生高電平，使其到05s和00s的時候出現(xiàn)下</p><p>　　信號獲取傳遞模塊如下圖</p><p>　　5.2數(shù)碼管顯示模塊</p

39、><p>　　該模塊的作用即是只將工作的計時器的輸出信號顯示出來，不工作的計時器不予顯示，要想實現(xiàn)這一過程，首先得從計時器控制端入手，找出計時器模塊的控制端，由于計時器控制模塊是由74ls160通過計數(shù)變化控制兩組計數(shù)器，當其控制輸出端為1時，被控制的倒計時器工作，由此可將控制端與倒計時器的輸出端分別相與，這樣不工作時不論倒計時計數(shù)器示數(shù)為多少，都為0，數(shù)碼管都不會顯示，然后分別將兩組計數(shù)器的輸出端相與，相與后的信號

40、按對應的高地位相或后連上數(shù)碼管，即可產生數(shù)碼管只顯示工作計數(shù)器的輸出情況，不顯示不工作計數(shù)器的輸出情況，由于兩組計數(shù)器循環(huán)工作，因此數(shù)碼管一直循環(huán)顯示兩組計數(shù)器的輸出,從而實現(xiàn)主干道支干道不同時間的同步顯示</p><p>　　數(shù)碼管顯示模塊如下圖：</p><p><b>　　第7章、調試結果</b></p><p>　　將上述三部分依次完美

41、連接，通過總控制端控制兩組倒計時器，分別循環(huán)計時，并在預定時間獲取相應信號，提供給信號燈轉換模塊，從而實現(xiàn)信號燈按預定時間實現(xiàn)循環(huán)轉換，交通信號燈的電路連接完成。以下是總電路圖</p><p><b>　　第8章、心得體會</b></p><p>　　短短兩周時間的課程設計，可是感覺經歷了很多很多，在課設初期，由于審題不清，以為主干道支干道都是綠燈45s，很快就拿出一

42、套方案并仿真出來，可是后來在咨詢老師時發(fā)現(xiàn)審題不清，又將之前的方案全部推翻重新構思，經過我們組三人的通力配合，又完全自己構思擬定了一個初步的方案，并以此方案進行制作仿真，初步計劃的3個倒計時計數(shù)器分別控</p><p>　　制45s，25s和5s的倒計時，可是由于三組計時器的減位信號無法有效的反饋到控制端，在詢問很多同學無果的情況下，將倒計時器簡化為倒計時50s和30s兩組，并成功實現(xiàn)兩組自動循環(huán)計時，解決了使倒

43、計時計數(shù)器分開循環(huán)工作的問題，在此期間我們在網上也找到了很多很成熟，可行性更高的辦法，我們堅持按照自己的想法做了出來，并沒有抄襲網上的方案，我們經過多天的調試，最終實現(xiàn)了它并成功仿真出來，達到了課設提出的要求，盡管我們的想法比較稚嫩，很不成熟，可是這畢竟是完全是由我們自己構思出來的方案，我們在自己設計連接仿真中學到了很多很多東西，也收獲了很多經驗，我想這樣已經達到了課設最根本的要求了。</p><p>　　經過這

44、個課程設計，我真正體會到了學有所用，同時也讓我更加深刻的了解數(shù)字邏輯電路的重要性，真正體會到一種共同學習、共同進步的學習氣氛，一種大討論的學習氛圍。我最需要感謝我的隊友和老師以及那些無私幫助過我的同學，在我們第一個方案在整體設計上出現(xiàn)錯誤是，是老師及時指正我們，讓我們少走了很多彎路，衷心感謝老師的指導。這次設計對我來說感觸最深的是，要做好一個設計，首先要了解每一個部分所涉及的知識點，掌握它的原理；同時要跟同伴們緊密聯(lián)系、加強合作，體會到

45、一種合作意識。整個設計我都參與其中，這令我的分析設計以及動手能力有了很大的提高，培養(yǎng)了我思考問題的全面性；讓我明白，做學問要有一絲不茍的態(tài)度，遇到困難要有勇往直前的精神，做事情要有耐心和毅力，工作中要學會與人合作，認真聽取他人意見，這樣做事情才會順手、順心，舉得事倍功半的效果。</p><p><b>　　第9章、參考文獻</b></p><p>　　《數(shù)字電子技術基