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3设计过程
3.1方案论证
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、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和控制器的标准时钟信号源,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,由它控制定时器和译码器的工作。
图1中:
TL:
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒,即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到,TL=1,否则,TL=0。
TY:
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到,TY=1,否则,TY=0。
ST:
表示定时器到了规定的时间后,由控制器发出状态转换信号。
由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
图1系统的原理框图
(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TL时,控制器发出状态信号ST,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TY时,控制器发出状态转换信号ST,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TL时,控制器发出状态转换信号ST,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TY时,控制器发出状态转换信号ST,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表1所示,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,并作表1规定:
3.2.单元电路的设计
3.2.1秒脉冲发生器
秒脉冲发生器由NE555定时器及外围电路组成,其中R8=68K、R9=15K,C3=10uF的电阻电容值决定了脉冲宽度。
既T=(R8+2R9)C2ln2当T=1S,即可凑出R8、R9、C3,其中C2=0.01uF是为了保持输出的波形的稳定。
如图2所示,R8=68K、C3=10uF组成一个串联RC充放电电路,在NE555的7脚上输出一个方波信号,C3上得到一个三角波。
此三角波送到NE555的2脚输入端。
由NE555内部的比较器和门电路共同作用,维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。
表1
控制状态
信号灯状态
车道运行状态
S0(00)
甲绿、乙红
甲车道通行,乙车道禁止通行
S1(01)
甲黄、乙红
甲车道缓行,乙车道禁止通行
S3(11)
甲红、乙绿
甲车道禁止通行,乙车道通行
S2(10)
甲红,乙黄
甲车道禁止通行,乙车道缓行
AG=1
甲车道绿灯亮
甲车道通行
BG=1
乙车道绿灯亮
乙车道通行
AY=1
甲车道黄灯亮
甲车道缓行
BY=1
乙车道黄灯亮
乙车道缓行
AR=1
甲车道红灯亮
甲车道禁止通行
BR=1
乙车道红灯亮
乙车道禁止通行
图2秒脉冲发生器原理图
3.2.2定时器
定时器由与系统秒脉冲(由时钟脉冲产生器提供)同步的计数器构成,要求计数器在状态信号ST作用下,首先清零,然后在时钟脉冲上升沿作用下,计数器从零开始进行增1计数,向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS160进行设计较简便。
74LS160是10进制同步加法计数器,它具有异步清零、同步置数的功能。
74LS160功能表如表2所示。
表2
CLK
EPET
工作状态
X
↑
1
XX
01
X0
11
清零
预置数
保持
保持(C=0)
计数
表中
是低电平有效的异步清零输入端,
是低电平有效的同步并行置数控制端,EP、ET是控制端,CO是进位输出端,D0~D3是并行数据输入端,Q0~Q3是数据输出端。
设计如图3。
图3交通灯定时器
其工作原理为:
由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CLK分别送给两个74LS160的清零端9处。
如图所示:
输入端3、4、5、6分别接地.。
U1的7和10和U2的15相连。
当U13C74LS04的ST信号分别送给U1和U2的LOAD。
就可以得到TY和TY非是秒脉冲的5倍;
TL和TL非的结果是秒脉冲的25倍。
3.2.3控制器
控制器是交通管理的核心,它能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
列出控制器的状态转换表,如表3所示。
选用两个D触发器74LS74做为时序寄存器,会产生4种状态,控制器状态转换的条件为TL和TY,当控制器处于
+
+1=00状态时,如果TL=0,则控制器保持在00状态;
如果,则控制器转换到
+1=01状态。
这两种情况与条件TY无关,所以用无关项"
X"
表示。
其余情况依次类推,就可以列出状态转换信号ST。
表3控制器状态转换表
根据表3可以推出状态方程和转换信号方程,其方法是:
将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输人“或”状态转换条件变量相“与”,其中"
1"
用原变量表示,"
0"
用反变量表示,然后将各“与”项相“或”,即可得到下面的方程:
根据以上方程,选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数,将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号.即可实现控制器的功能。
控制器原理图如图4所示。
图中R、C构成上电复位电路。
由两个双多路转换器74LS153和一个双D触发器74LS74组成控制器。
触发器记录4种状态,多路转换器与触发器配合实现4种状态的相互交换。
图4交通灯控制器
其原理为:
CLK分别接入U6A和U6B的3和11。
将TY接入U4的4和U5的4和5;
TY非接入U4的5。
如图4所示:
74LS74两个D触发器作为时序寄存器产生4种状态。
选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数,将触发器的的现态值加到74LS153的数据选择端作为控制信号,即可实现控制器的功能。
3.2.4译码电路
译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态,翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。
控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表4所示。
表4中A、B分别代表甲、乙车道。
表4控制器状态编码与信号灯关系表
Q1Q0
AG绿灯
AY黄灯
AR红灯
BG绿灯
BY黄灯
BR红灯
00
10
图5译码器原理图
由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CLK脉冲,一部分送给了定时器的74LS160芯片,另一部分送给了控制器的74LS74芯片。
在脉冲ST同时加到定时器74LS160芯片的情况下,通过芯片74LS10将会输出TY、
;
TL、
。
即TY和
放大的结果是秒脉冲的5倍;
TL和TL非放大的结果是秒脉冲的25倍。
前者输出的信号是后者的1/5。
将定时器输出的TY、
分别作用于控制器的芯片74LS153中,在CLK脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。
控制器中的信号在送给由芯片74LS08组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路,这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。
电路图设计如图5。
3.2.5显示时间电路
显示部分由74LS48和共阴极七段数码管组成,74LS48作为译码器,对74LS160的输出信号进行译码,然后通过七段数码管显示出74LS160的计数。
即交通灯需要显示的时间。
其设计如图6。
图6由74LS48和数码管组成的电路
4仿真
图7仿真总原理图
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