課程設(shè)計(jì)---交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要3</b></p><p><b>　　關(guān)鍵詞3</b></p><p><b>　　引 言3</b></p><p>　　一、交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)目的以及要求4</

2、p><p>　　二.交通信號(hào)燈基本原理及設(shè)計(jì)方法5</p><p><b>　　三、主控制器7</b></p><p>　　3.1 74LS90引腳排列圖與邏輯圖7</p><p>　　3.2 74LS90的功能表及引腳功能.8</p><p><b>　　四、計(jì)數(shù)器9</b

3、></p><p>　　4.1計(jì)數(shù)器的作用9</p><p>　　4.2計(jì)數(shù)器的工作情況9</p><p>　　4.3控制信號(hào)燈的譯碼電路的真值表11</p><p>　　4.4秒信號(hào)產(chǎn)生電路12</p><p>　　五.譯碼顯示電路14</p><p>　　5.1譯碼顯示電路連

4、接圖14</p><p>　　5.2 CD4511譯碼器14</p><p>　　六.交通燈總體框圖17</p><p>　　七.組裝和調(diào)試過程17</p><p><b>　　總 結(jié)18</b></p><p>　　參考文獻(xiàn)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

5、。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。18</p><p>　　交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　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(shí)的三色燈(紅、黃、綠三種標(biāo)志)于1918年誕生。它是三色圓形四面投影器，被安

6、裝在紐約市五號(hào)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(dāng)前，大量的信號(hào)燈電路正向著數(shù)字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)， 多值化方向發(fā)展隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注.隨著社會(huì)的發(fā)展,城市規(guī)模的不斷擴(kuò)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(shè)計(jì)工作者為改善城市交通環(huán)境設(shè)計(jì)了許多方案,而大多數(shù)都為交通指揮燈,本電路也正是基于前人設(shè)計(jì)

7、的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)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(guān)鍵詞：控制器 計(jì)數(shù)器 信號(hào)燈 譯碼電路</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　黃色信號(hào)燈的發(fā)明者是我國(guó)的胡汝鼎，他懷著“科學(xué)救國(guó)”的抱負(fù)到美國(guó)深造，在大發(fā)明家愛迪生為董事長(zhǎng)的美國(guó)通用電器公司任職員。一天，他站在繁華的十字路口等待綠

8、燈信號(hào)，當(dāng)他看到紅燈而正要過去時(shí)，一輛轉(zhuǎn)彎的汽車呼地一聲擦身而過，嚇了他一身冷汗?；氐剿奚幔磸?fù)琢磨，終于想到在紅、綠燈中間再加上一個(gè)黃色信號(hào)燈，提醒人們注意危險(xiǎn)。他的建議立即得到有關(guān)方面的肯定。于是紅、黃、綠三色信號(hào)燈即以一個(gè)完整的指揮信號(hào)家族，遍及全世界陸、海、空交通領(lǐng)域了。 </p><p>　　中國(guó)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20世紀(jì)50年代的電氣控制，從采用計(jì)

9、算機(jī)控制到現(xiàn)代化的電子定時(shí)監(jiān)控，交通信號(hào)燈在科學(xué)化、自動(dòng)化上不斷地更新、發(fā)展和完善。</p><p>　　當(dāng)前，大量的信號(hào)燈電路正向著數(shù)字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)， 多值化方向發(fā)展隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注.隨著社會(huì)的發(fā)展,城市規(guī)模的不斷擴(kuò)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(shè)計(jì)工作者為改善城市交通環(huán)境設(shè)計(jì)了許多方案,而大多數(shù)都為交通指揮燈,本電路

10、也正是基于前人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的.全部有數(shù)字電路組成,比較以前的方案更為精確。</p><p>　　一、交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)任務(wù)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(yùn)行。實(shí)現(xiàn)紅綠燈的自動(dòng)指揮是城市交通自動(dòng)化的重要課題。本課題利用數(shù)字路的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的交通燈控制系統(tǒng)要求。</p><p>　　1.掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一

11、般步驟和方法，掌握一個(gè)大的系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的相互作 用和相互制約關(guān)系；</p><p>　　2.運(yùn)用數(shù)字電路理論知識(shí)自行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為完整的小型數(shù)字系統(tǒng)。通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路安排與調(diào)試、寫設(shè)計(jì)論文等環(huán)節(jié)，初步掌握工程設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用水平；</p><p>　　3.學(xué)會(huì)用中規(guī)模器件設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的系統(tǒng)，并熟悉常用中規(guī)模器件的用法。<

12、/p><p>　　4.學(xué)會(huì)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(jiǎn)單，清晰；</p><p>　　5.掌握連接實(shí)物圖的一般步驟和方法，學(xué)會(huì)系統(tǒng)安裝與調(diào)試的一般步驟和方法。</p><p>　　6.在實(shí)踐中運(yùn)用理論知識(shí)，培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力；</p><p>　　7.主干道的通行時(shí)間長(zhǎng)于支干道的通行時(shí)間；</p><p

13、>　　8.每次由綠燈變?yōu)榧t燈或由紅燈變?yōu)榫G燈的前5秒四個(gè)路口要亮黃燈以提示過往車輛及行人注意路燈變化，安全通行；</p><p>　　9.設(shè)計(jì)正計(jì)時(shí)30s、20s計(jì)時(shí)數(shù)碼實(shí)現(xiàn)電路，要求每秒鐘改變一次數(shù)字； </p><p>　　10．在一個(gè)主支干道的十字路口，東西和南北方向各設(shè)置一個(gè)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(shí)先要求黃燈亮5秒鐘，

14、以便讓后來車輛準(zhǔn)備停車。由于主干道車輛較多，支干道車輛較少，所以要求主干道處于通行狀態(tài)的時(shí)間要長(zhǎng)一些，為30秒；而支干道通行時(shí)間為20秒。</p><p>　　二.交通信號(hào)燈基本原理及設(shè)計(jì)方法</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(gè)主干道和一個(gè)支干道的十字路口如圖3-1所示。每邊都設(shè)置了紅、綠、黃色信號(hào)燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行，在綠燈變

15、紅燈時(shí)先要求黃燈亮幾秒鐘，以便讓停車線以外的車輛停止運(yùn)行。因?yàn)橹鞲傻郎系能囕v多，所以主干道放行的時(shí)間要長(zhǎng)。</p><p>　　路口交通指揮系統(tǒng)示意圖</p><p>　　設(shè)主干道通行時(shí)間為N1，干道通行時(shí)間為N2，主、支干道黃等的時(shí)間均為N3，按主支干道通行的時(shí)間來看，設(shè)置N1﹥N2﹥N3。系統(tǒng)工作流程圖如圖所示。</p><p><b>　　系統(tǒng)工作流

16、程圖</b></p><p>　　要實(shí)現(xiàn)上述交通信號(hào)燈的自動(dòng)控制，則要求控制電路由時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、主控制器、信號(hào)燈譯碼驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成，整機(jī)電路的原理框圖如圖所示。四個(gè)路口設(shè)有紅、黃、綠三色燈和兩位8421BCD碼的計(jì)數(shù)、譯碼顯示器。 </p><p>　　十字路口車輛運(yùn)行情況只有4種可能：1）設(shè)開始時(shí)主干道通行，支干道不通行，這種情況下主綠燈

17、和支紅燈亮，持續(xù)時(shí)間為30s。2）30s后，主干道停車，支干道仍不通行，這種情況下主黃燈和支紅燈亮，持續(xù)時(shí)間為5s。3）5s后，主干道不通行，支干道通行，這種情況下主紅燈和支綠燈亮，持續(xù)時(shí)間為20s。4）50s后，主干道仍不通行，支干道停車，這種情況下主紅燈和支黃燈亮，持續(xù)時(shí)間為5s。5s后又回到第一種情況，如此循環(huán)反復(fù)。因此，要求主控制電路也有4種狀態(tài)，設(shè)這4種狀態(tài)依次為：S0、S1、S2、S3。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖所示。</p>

18、;<p><b>　　三、主控制器</b></p><p>　　3.1 74LS90引腳排列圖與邏輯圖</p><p>　　十字路口車輛運(yùn)行情況只有4種可能，實(shí)現(xiàn)這4個(gè)狀態(tài)的電路，可用兩個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，也可用一個(gè)二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器或二進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成。我采用二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　采用反饋歸零法構(gòu)成4進(jìn)制

19、計(jì)數(shù)器,即可從輸出端QBQA得到所要求的4個(gè)狀態(tài)。圖4-1 74LS90管腳排列圖,邏輯圖如圖所示。為以后敘述方便，設(shè)X1=QB,X0=QA。</p><p>　　74LS90管腳排列圖</p><p><b>　　主控制器的邏輯圖</b></p><p>　　3.2 74LS90的功能表及引腳功能.</p><p>&

20、lt;b>　　74LS90功能表</b></p><p>　　如表7 4LS90功能表：7 4LS90邏輯功能為</p><p>　　(1)計(jì)數(shù)脈沖從CP1輸入，QA作為輸出端，為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 </p><p>　　(2)計(jì)數(shù)脈沖從CP2輸入，QDQCQB作為輸出端，為異步五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。 </p><p>　　(3)若

21、將CP2和QA相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP1輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端，</p><p>　　則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。</p><p>　　(4)若將CP1與QD相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP2輸入，QA、QD、QC、QB作為輸出端，</p><p>　　則構(gòu)成異步5421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。</p><p>　　(5)清零、置9功能

22、。</p><p><b>　　a) 異步清零</b></p><p>　　當(dāng)R0(1)、R0(2)均為“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”時(shí)，實(shí)現(xiàn)異步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。</p><p><b>　　b) 置9功能</b></p><p>　　當(dāng)S9(1)、S9(2)均為“

23、1”；R0(1)、R0(2)中有“0”時(shí)，實(shí)現(xiàn)置9功能，即QDQCQBQA＝1001。</p><p><b>　　四、計(jì)數(shù)器</b></p><p><b>　　4.1計(jì)數(shù)器的作用</b></p><p>　　計(jì)數(shù)器的作用有二：一是根據(jù)主干道和支干道車輛運(yùn)行時(shí)間以及黃燈切換時(shí)間的要求，進(jìn)行30s、20s、5s 3種方式的

24、計(jì)數(shù)；二是向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，主控制器根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。</p><p>　　4.2計(jì)數(shù)器的工作情況</p><p>　　計(jì)數(shù)器除需要秒脈沖作時(shí)鐘信號(hào)外，還應(yīng)受主控制器的狀態(tài)控制。計(jì)數(shù)器的工作情況為：計(jì)數(shù)器在主控制器進(jìn)入狀態(tài)S0時(shí)開始60s計(jì)數(shù)；30s后產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，使計(jì)數(shù)器歸零，主控制器進(jìn)入狀態(tài)S1，計(jì)數(shù)器開始5s計(jì)數(shù)；5s后又產(chǎn)生歸零脈

25、沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，使計(jì)數(shù)器歸零，主控制器進(jìn)入狀態(tài)S2，計(jì)數(shù)器開始20s計(jì)數(shù)；20s后也產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，使計(jì)數(shù)器歸零，主控制器進(jìn)入狀態(tài)S3，計(jì)數(shù)器又開始5s計(jì)數(shù)；5s后同樣產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)，使計(jì)數(shù)器歸零，主控制器回到狀態(tài)S0，開始新一輪循環(huán)。</p><p>　　根據(jù)以上分析，設(shè)30s、20s、5s計(jì)數(shù)的歸零信號(hào)分別為A、B、C，則計(jì)數(shù)器的歸零信

26、號(hào)L為：</p><p><b>　　L=A+B+C</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　A=S0 QC2= QC2 </p><p>　　B=S2 QB2 QA2= QB2 QA2</p><p>　　C=S1 QB1 QA1+S3 QB

27、1QA1= X0 QB1 QA1</p><p>　　考慮到主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下降沿觸發(fā)，將L取反后送到主控制器的CP端作為主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)?？蛇x用集成異步十進(jìn)制加法記數(shù)器(74LS192)。圖5-1計(jì)數(shù)器。</p><p>　　圖計(jì)數(shù)器(利用74LS192減計(jì)數(shù)功能)</p><p>　　4.3控制信號(hào)燈的譯碼電路的真值表</p><p

28、>　　主、支干道上紅、黃、綠信號(hào)燈的狀態(tài)主要取決于狀態(tài)控制器的輸出狀態(tài)。它們之間的關(guān)系見真值表2。對(duì)于信號(hào)燈的狀態(tài)，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅。</p><p>　　表2 信號(hào)燈信號(hào)的狀態(tài)</p><p>　　根據(jù)真值表，可求出各信號(hào)燈的邏輯函數(shù)表達(dá)式為：</p><p><b>　　主干道：； ；</b></p>

29、<p>　　支干道：； ； </p><p>　　由邏輯表達(dá)式可得狀態(tài)譯碼器電路</p><p><b>　　主干道譯碼電路：</b></p><p><b>　　支干道譯碼電路：</b></p><p>　　4.4秒信號(hào)產(chǎn)生電路</p><p>　　

30、產(chǎn)生秒信號(hào)的電路有多種形式，555定時(shí)器在實(shí)際應(yīng)用中，除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路，如：多個(gè)單穩(wěn)、多個(gè)雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。利用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，其管腳如下圖7所示。圖8是利用555定時(shí)器組成的秒信號(hào)發(fā)生器及其產(chǎn)生的波形圖。</p><p>　　圖5 555定時(shí)器的引腳圖</p><p>　　圖6 555定時(shí)器組成的秒信號(hào)發(fā)生器及</p

31、><p>　　根據(jù)功能要求采用以下邏輯門電路構(gòu)成：</p><p>　　門電路是數(shù)字邏輯電路的基本組成單元，門電路按邏輯功能可分為：與門、或門、非門以及與非門、或非門、異或門、同或門、與或非門。若按電路結(jié)構(gòu)組成的不同，可分為立元件門電路、CMOS集成門電路、TTL集成門電路等。各種集成門電路通常都封裝在集成芯片內(nèi)。此次設(shè)計(jì)采用的集成電路有74LS04、74LS08、74LS32引腳排列圖如下圖

32、所示 這些集成電路的封裝形式均為雙列直插式。為雙列直插式集成電路的右下方通常是地線GND，左上方引腳一般是電源線VCC，其它引腳的用途如圖中符號(hào)所示，每個(gè)集成電路都有自己的代號(hào)，與代號(hào)對(duì)應(yīng)的名稱形象地說明了集成電路的用途。如74LS08是二輸入端四與門，它說明這個(gè)集成電路中包含四個(gè)二輸入端的與門。74LS04、74LS08、74LS32引腳圖如下圖所示：</p><p>　　圖74LS04六非門內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳圖&l

33、t;/p><p>　　圖74LS08四與門內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳圖</p><p>　　圖74LS32四或門內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳圖</p><p><b>　　五．顯示電路</b></p><p>　　5．1譯碼顯示電路連接圖</p><p>　　5．2 CD4511譯碼器</p><p>　　

34、圖 11 段鎖存譯碼器/驅(qū)動(dòng)器CD4511管腳圖</p><p>　　CD4511引腳說明：</p><p>　　A0 ~A3：并行數(shù)據(jù)輸入端</p><p><b>　?。狠敵鱿[控制端</b></p><p><b>　　LE：數(shù)據(jù)鎖定控制</b></p><p>&l

35、t;b>　　：燈測(cè)試</b></p><p><b>　　VDD：正電源</b></p><p><b>　　Vss：地</b></p><p>　　Ya~Yb：數(shù)據(jù)輸出端</p><p><b>　　功能表：</b></p><p>

36、　　表 5段鎖存譯碼器/驅(qū)動(dòng)器CD4511功能表</p><p><b>　　3. 真值表</b></p><p>　　共陽極數(shù)碼管的數(shù)字顯示真值表如下表所示</p><p>　　表 七段顯示譯碼電路真值表</p><p><b>　　六．交通燈總體框圖</b></p><p&

37、gt;　　根據(jù)設(shè)計(jì)各部分功能可畫出交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)總體框圖：</p><p><b>　　七.組裝和調(diào)試過程</b></p><p>　　在電路板上按整機(jī)框圖把主控制器、計(jì)數(shù)器、信號(hào)燈譯碼器、數(shù)子顯示譯碼器和秒脈沖信號(hào)發(fā)生器焊接好然后按以下步驟進(jìn)行調(diào)試：</p><p>　　1．秒脈沖信號(hào)發(fā)生器的調(diào)試，按照數(shù)字電子鐘的方法逐級(jí)調(diào)試振蕩電路和分

38、頻電路，使輸出設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　2．將秒脈沖信號(hào)送入主控制器的CP端，觀察主控制器的狀態(tài)是否是按00、01、10、11、00…的規(guī)律變化。</p><p>　　3．將秒脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器的CP端，接入主控制器的狀態(tài)信號(hào)X0、X1，并把主控制器的狀態(tài)信號(hào)送入主控制器的CP端，觀察計(jì)說器是否按30秒、5秒、20秒、5秒、30秒…循環(huán)計(jì)數(shù)。</p><p

39、>　　4．把主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)X1、X0接至信號(hào)燈的譯碼電路，觀察6個(gè)發(fā)光二極管是否按設(shè)計(jì)要求發(fā)光。</p><p>　　5．整機(jī)聯(lián)調(diào)，使交通信號(hào)燈控制電路正常工作。 </p><p>　　以上是本次設(shè)計(jì)的全過程，由以上分析知此設(shè)計(jì)所需材料有：1片74LS90、2片CD4511和2個(gè)共陽數(shù)碼管、1個(gè)555定時(shí)器、1片74LS04、3片74LS08、1片74LS32、14個(gè)400

40、ohm電阻、1個(gè)50k電阻、1個(gè)43k電阻﹑6個(gè)10 ohm電阻、2個(gè)10UF電容和導(dǎo)線若干。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過這個(gè)課程設(shè)計(jì)，我真正體會(huì)到了學(xué)有所用，同時(shí)也讓我更加深刻的了解數(shù)字邏輯電路。對(duì)于本次課程設(shè)計(jì)，讓我印象深刻的是最后的調(diào)試過程，第一次摁下開關(guān)的時(shí)候，在心里祈禱自己的電路板不要出錯(cuò)，當(dāng)結(jié)果呈現(xiàn)在自己面前的時(shí)

41、候，又開始檢查自己的電路板哪里出錯(cuò)，用萬用表測(cè)試每根電路，檢查焊接處焊的是否牢固，如果自己沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，全組的成員一起討論，一起研究，找出問題所在，直到調(diào)試成功。這次課程設(shè)計(jì)讓我體會(huì)到一種共同學(xué)習(xí)共同進(jìn)步的學(xué)習(xí)氛圍，體會(huì)到小組合作的重要性。整個(gè)設(shè)計(jì)我都參與其中，這令我的分析以及動(dòng)手能力有了很大的提高。也讓我明白在今后的學(xué)習(xí)中，當(dāng)別人與自己的意見不一致時(shí)，不要輕易否定別人，注意找出自己的問題所在，如果自己沒有錯(cuò)誤，想辦法讓自己的伙伴意識(shí)到