交通灯设计报告.docx
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交通灯设计报告
课程设计报告
学生姓名:
吕春龙
学号:
0909310223
学院:
电气工程学院
班级:
电自0917
题目:
电子工艺实习——交通灯控制器的设计
指导教师:
李辉吴君鹏职称:
讲师讲师
7月14日
一、设计要求
(1)在十字路口的两个方向上各设一组红灯、绿灯、黄灯,显示顺序为:
其中一个方向是绿灯、黄灯、红灯,另一个方向是红灯、黄灯、绿灯。
(2)设置一组数码管,以倒计时的方式显示允许通行或禁止通行的时间,其中绿灯、黄灯、红灯的持续时间分别为20s、5s、25s。
(3)当各条路中任意一条上出现特殊情况,例如有消防车、救护车或其他需要优先放行的车辆时,各方向上均是红灯亮,倒计时停止,且显示数字在闪烁。
当特殊运行状态结束后,控制器恢复原来状态,继续正常运行。
二、设计原理及框图
交通灯控制系统的原理框图如图1所示。
它主要由控制器、定时器、倒计时数字显示、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器的标准时钟信号源,同时控制着正常工作时黄灯与特殊情况下数码管数字的闪烁,译码器输出两组信号灯的控制信号,经驱动电路后驱动信号灯工作,控制器是系统的主要部分,由它控制译码器的工作。
TR:
表示甲车道或乙车道红灯亮的时间间隔为25秒,即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到,TR=1,否则,TR=0。
TY:
表示倒计时到5秒。
定时时间到TY=1,否则,TY=0。
图1交通灯控制系统的原理框图
两方向车道的交通灯的运行状态共有4种,如图2所示
一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下:
(1)甲车道绿灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上的车辆允许通行,乙车道禁止
通行。
绿灯亮足规定的时间隔20s,定时器发出状态转换信号,使控制器控制译码器转到下一工作状态。
(2)甲车道黄灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行,
已过停车线的车辆继续通行,乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔5s时,定时器发出状态转换信号,使控制器控制译码器转到下一工作状态。
(3)甲车道红灯亮,乙车道绿灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上的车辆允许
通行,绿灯亮足规定的时间间隔20s时,定时器发出状态转换信号,使控制器控制译码器转到下一工作状态。
(4)甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上位过县停车
线的车辆停止通行,已过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定的时间间隔5s时,定时器发出状态转换信号,使控制器控制译码器转到下一工作状态,即系统又转换到第
(1)种工作状态。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、11、10,并分别用S0、S1、S3、S2表示,则控制器的工作状态及功能如下表所示。
控制器状态
信号灯状态
车道运行状态
S0(00)
S1(01)
S2(11)
S3(10)
甲绿,乙红
甲黄,乙红
甲红,乙绿
甲红,乙黄
甲车道通行,乙车道禁止通行
甲车道缓行,乙车道禁止通行
甲车道禁止通行,乙车道通行
甲车禁止道通行,乙车道缓行
图3控制器工作状态及其功能
控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见,把灯的代号和灯
的驱动信号合二为一,并作如下规定:
HG=1:
甲车道绿灯亮
FG=1:
乙车道绿灯亮
HY=1:
甲车道黄灯亮
FY=1:
乙车道黄灯亮
HR=1:
甲车道红灯亮
FR=1:
乙车道红灯亮
其中H代表甲车道,F代表乙车道,G为绿灯,Y为黄灯,R为红灯。
三、器件说明
1.元件清单:
(1)集成元件74LS138一片N555一片
74LS190两片4511BD两片
D触发器两个74LS11两片
74LS21一片74LS04两片
74LS08两片74LS27一片
(2)数码管共阴极七段数码管两个
红色LED两个,黄色LED两个,绿色LED两个
(3)电阻470Ω20只,47KΩ三只,10KΩ 一只
(4)电容10μF两只,22μF一只
(5)开关单刀单掷开关一只,单刀双掷开关一只
2.主要器件的引脚排列图和功能表74LS13的引脚图如下:
74LS138的功能表
输入
输出
使能
选择
G1
G2*
C
B
A
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
*
1
*
*
*
1
1
1
1
1
1
1
1
0
*
*
*
*
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
N555引脚图:
74LS190引脚图:
74LS190的逻辑功能示意图
74LS190功能表:
输入
输出
C
B
A
QD
QC
QB
QA
0
*
*
*
d3
d2
d1
d0
d3
d2
d1
d0
1
0
0
↑
*
*
*
*
加计数
1
0
1
↑
*
*
*
*
减计数
1
1
*
*
*
*
*
*
保持
74LS74引脚图:
74LS74功能表:
输入
输出
PR
CLR
CLK
D
Q
Q*
0
1
*
*
1
0
1
0
*
*
0
1
0
0
*
*
1*
1*
1
1
↑
1
1
0
1
1
↑
0
0
1
1
1
0
*
Q0
Q0*
4511BD引脚图:
4511BD功能表:
四、设计过程
(1)秒脉冲发生器
脉冲发生器是由555定时器构成的多谐振荡器,因为控制系统是以秒作为单位,所以用秒脉冲发生器,且其对信号的精度要求不高,这里选用555定时器来构成。
555定时器组成的秒脉冲CP1的周期为:
T≈0.7(R1+2*R2)*C,若T=1s,令C=10µF,R1=47kΩ,R2=47kΩ。
根据计算结果,脉冲发生器设计如图2所示,它向计数电路提供的秒计时CP脉冲,周期可通过下式:
T1=(R1+R2)CLn2(式1)
T2=R2Cln2(式2)
T=T1+T2(式3)
设定电路原理图。
原理图,波形图如下图所示:
脉冲发生器原理图
(2)控制器
控制器是交通管理的核心,它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
如下表所示。
选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生4种状态,控制器状态转换的条件为TR和TY,上电复位后控制器处于Q1n+1Q0n+1=00状态时,如果TY=0,则控制器保持在00状态;如果TY=1,则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。
这两种情况与条件TR无关,所以用无关项"X"表示。
其余情况依次类推,同时表中还列出了状态转换信号ST。
控制信号灯工作状态表
输入
输出
现态
状态转换条件
次态
状态转换信号
Q1n
Q0n
TY
TR
Q1n+1
Q0n+1
ST
0
0
0
无
0
0
0
0
0
1
无
0
1
1
0
1
无
0
0
1
0
0
1
无
1
1
1
1
1
1
无
无
1
1
0
1
1
无
无
1
0
1
1
0
无
0
1
0
0
1
0
无
1
0
0
1
其中TR,TY是由两个74LS190的输出端经过逻辑组合形成的两个输出端,如下图所示:
(3)倒计时及数字显示模块
1)原理:
通过单时钟同步十进制减数器74LS190(2片)来实现25s的。
通过74LS47(2片)译码器连接数码管输出数据.
2)原器件的选择及参数:
计数器选用集成电路74LS190进行设计较简便。
74LS190是十进制同步可逆计数器,它具有异步并行置数功能、保持功能。
74LS190没有专用的清零输入端,但可以借助QA、QB、QC、QD的输出数据间接实现清零功能。
译码器采用4511BD(2片)、倒计时显示采用共阴极七段数码管作为显示,它由计数器驱动并显示计数器的输出值。
现选用两个74LS190芯片级联成一个从99倒计到00的计数器,即其中作为个位数的74LS190芯片的CLK接秒脉冲发生器(频率为1),再把个位数74LS190芯片输出端的QD与十位数的74LS190芯片的CLK连起来。
当个位数减到0时,再减1就会变成9,0(0000)到9(1001)之间QD由0变为1,十位数的74LS190芯片实现减一。
引脚的输入信号由十位数74190芯片的QA和QB引脚与十位数74190芯片的QA、QB、QC和QD用六输入或门连起来。
工作开始时,LD为0,计数器预置数25,置完数后,LD变为1,计数器开始倒计时。
当倒计时减到数00时,LD又变为0,计数器又预置数25,之后又倒计时,如此循环下去。
具体接法如下图:
状态
CBA
HG
HY
HR
FG
FY
FR
S0
000
1
0
0
0
0
1
S1
001
0
1
0
0
0
1
S2
011
0
0
1
1
0
0
S3
010
0
0
1
0
1
0
S4
100
0
0
1
0
0
1
S5
101
0
0
1
0
0
1
S6
110
0
0
1
0
0
1
S7
111
0
0
1
0
0
1
(4)译码器
系统的输出是在Q1Q0驱动下的6个信号灯,各状态与信号灯的关系由表5给出,电路图见下图。
因此,得到灯光信号与控制器状态变量的关系为:
(式7)
(式8)
(式9)
译码器原理图
正常工作时单刀双掷开关掷向低电平,系统工作在S0~S3状态,特殊情况下单刀双掷开关掷向高电平,系统工作在S4~S7状态
在实现特殊情况与正常工作状态切换时,利用一个单刀双掷开关,其公共端与秒脉冲信号用与非门连接到七段数码管的阳极,来控制特殊情况下七段数码管上数字的闪烁。
同时,再把单刀双掷开关的公共端接非门,再与秒脉冲信号用与门连接到倒计时模块的脉冲信号输入端,实现保持功能。
实际电路图如下:
(5)附加功能
1)交通灯附加蜂鸣器,发生特殊情况时蜂鸣器报警,电路图如下:
2)正常工作时,黄灯闪烁。
将Vcc与秒脉冲信号用与门连接在一起,作为黄灯的供电源,起到闪烁的作用。
3)对通行车辆进行计数统计,利用对光管给定时器脉冲来实现对车辆的统计,具体电路图如下:
(6)综合逻辑电路图
五、仿真调试过程
在软件调试过程中,我们遇到以下几个问题:
(1)在倒计时模块置数方面,无法利用借位端进行置数,最后改用六输入或门与输出端连接进行置数。
(2)在显示译码器选择方面,刚开始选用的是共阳极显示译码器,连接正确但无法正常显示,最终采用4511BD共阴极显示译码器,解决此问题。
(3)在实现特殊情况与正常工作状态切换时,开始采用多个开关控制,经过进一步的仿真与探索,最终利用低电平对脉冲信号的屏蔽,实现一个开关控制状态转换。
(4)由于用1HZ的脉冲仿真的时候过程进行的太慢,所以用150HZ代替来模拟仿真。
(5)在焊接录音机的过程中,出现了以下问题:
有几个器件的引脚虚焊了,没有用焊烙铁焊接上,然后通过用电流表测电压的方法发现并解决;A,B,C,D四个地方没有焊接上,调试时出现了问题,然后连上后调试出来了;还有很多小的细节,都是因为自己的小粗心造成问题,然后通过细心检查一一解决。
焊接录音机最主要的就是细心,细节决定成败!
六、设计体会及收获
课程设计是在数字电子技术的基础上进行展开设计与学习的。
通过这次课程设计,我对数字电子技术基础这门课程有了更深一步地理解。
掌握了由555定时器构成所需频率脉冲发生器的方法,熟悉了由真值表列表达式、设计实现电路的过程,并掌握了计数器实现特定要求进制的减计数及其预置数的方法,电路原理和连接,和芯片上的选择。
巩固数字逻辑电路的理论知识,对190计数器更加了解,懂得它的功能与其它芯片替换等,同时也学会了各种常见元件的使用,为进一步学习课本知识奠定了坚实的基础。
使用D触发器从书本上的理论知识联系到实际,让我更加了解它的功能。
同时做课程设计也是对课本知识的巩固和加强,平时看课本时,有时问题老是弄不懂,做完课程设计,那些问题就迎刃而解了。
并借此机会了解了用MULTISIM软件仿真电路图的方法,在这次设计中学到了一些东西,不仅仅是电路上的知识,更是一种科研能力、独立思考的能力、对知识的热爱,这将会在我未来的学习工作中带来很大的帮助。
另外,这次课程设计的磨练增强了我的自信心,一切皆有可能,要学会懂得付出,我相信做事只要有恒心,有毅力就一定能取得成功。
三周以来,老师们精心的辅导让我感到很感动。
特此,感谢这些天来老师的耐心辅导,正因为有老师的帮助,我的课程设计才能顺利的完成,才能懂得更多的理论与实践知识。
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