交通灯控制逻辑电路设计(13页).doc

-黑 龙 江 工 业 学 院数字电子技术课程设计报告 院 系：电气与信息工程系 专业班级：14电气本八 姓 名：耿振 学 号：04991408005 指导教师：黄睿 报告成绩：-第 9 页-1.设计目的为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。其中红灯（R）亮表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次2.设计任务要求要求东西方向的红、黄、绿灯和南北方向的红、黄、绿灯按照上面的工作时序进行工作，黄灯亮时应为闪烁状态；1)南北和东西车辆交替进行，各通行时间24秒2)每次绿灯变红灯时，黄灯先闪烁4秒，才可以变换运行方向3)十字路口要有数字显示作为时间提示，以倒计时按照时序要求进行显示；4)可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀状态(选作：通行时间和黄灯闪亮时间可以在0-99秒内任意设)3.设计方案选取与论证 G Y R白天工作模式依据功能要求，交通灯控制系统应主要由秒脉冲信号发生器、倒计时计数器电路和信号灯转换器组成，原理框图如图1所示。秒脉冲信号发生器是该系统中倒计时计数电路和黄灯闪烁点控制电路的标准时钟信号源。倒计时计数器输出两组驱动信号T5和T0，分别为黄灯闪烁和变换为红灯的控制信号，这两个信号经信号灯转换器控制信号灯工作。倒计时计数电路是系统的主要部分，由它控制信号灯转换器的工作。夜间工作模式 G Y R 信号灯转换器倒计时计数器秒脉冲发生器交通信号灯的逻辑框图 （1）白天工作模式南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，各20秒。南北方向黄灯闪亮4秒，东西方向红灯亮4秒。南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，各20秒。南北方向红灯亮4秒，东西方向黄灯闪亮4秒。 信号指示灯白天工作流程图（2）夜晚工作模式 东西南北各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮。因此总设计图如下图所示：东西信号灯南北信号灯组合逻辑电路计数器分频器秒脉冲产生电路系统电源工作方式控制开关 总设计图秒脉冲产生电路秒脉冲产生电路的功能是产生标准秒脉冲信号，主要由振荡器和分频器组成。振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的进度决定了计时器的准确度，可由石英晶体振荡电路或555定时器与RC组成的多谐振荡器构成。一般来说，振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大，故在设计时，一定根据需要设计出最佳电路。石英晶体振荡器具有频率准确、振荡稳定、温度系数小的特点，但如果精度要求不高的时候可以采用555构成的多谐振荡器。振荡周期与频率的计算公式为：T=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C,电源电压为Vcc=12V，其中电路图中C1的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，课程设计中要求输出T=1S，选取电容为C=10nF，R1=28.86M，根据振荡周期计算，选择电阻R2=57.72M。用multisim进行仿真，仿真图如图所示： 555构成的多谐振荡器此电路就可以产生脉冲频率为1赫兹的脉冲。以下对555定时器进行简介：NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。555定时器内部逻辑电路信号灯转化器信号灯状态与车道运行状态如下：S0:东西方向车道的绿灯亮，车道通行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；S1:东西方向车道的黄灯亮，车道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；S2:东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道通行；S3：东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道缓行。用以下6个符号来分别代表东西（A）、南北（B）方向上个灯的状态：GA=1: 东西方向车道绿灯亮；YA=1：东西方向车道黄灯亮；RA=1：东西方向车道红灯亮；GB=1：南北方向车道绿灯亮；YB=1：南北方向车道黄灯亮；RB=1：南北方向车道红灯亮。实现信号灯的转换有多种方法，现采用比较典型的方法进行设计，实现信号灯的转换工作。若选用JK触发器，则原理如下。JK触发器设状态编码为S0=00,S1=01,S2=11,S3=10,其输出为Q1，Q2，则其与信号灯状态关系如表31所示。状态编码与信号灯关系表现态次态输出Q0 Q1 0 0 0 1 1 1 1 0Q0* Q1* 0 1 1 1 1 0 0 0GA YA RA GB YB RB 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0可以得出信号灯状态的逻辑表达式： GA =Q1Q0 YA =Q1Q0 RA =Q1 GB =Q1Q0 YB =Q1Q0 RB=Q1JK触发器的输出状态是与J输入端的状态相同的，同时分析表3-1，触发器0的现态与触发器1的次态相同，触发器1的现态与触发器0的次态相反，因此可以将触发器0的输出端Q、Q（现态）分别接触发器1的J、K输入端（次态），触发器1的输出端Q、Q（现态）分别接触发器0的K、J端（次态），取触发器0为 、触发器1为 ，连接后的电路如下图所示： JK触发器连接的电路倒计时计数器十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们更直观的把握时间。具体工作方式为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1，计数方式工作，直至减到数位“4”和“0”。十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。在倒计时过程中计数器还向信号灯转换器供模4的定时信号T4和模0的定时信号T0，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红灯的变换。 倒计时显示采用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。 根据要求，采用两片74190芯片构成计数器，因为74190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。采用两片74190芯片可设计成0099的百进制计数器，再根据线路连接的改变将其连接成24进制计数器。 74190没有专用的清零输入端，但可以借助QD、QC、 QB、 QA的输出数据间接实现清零功能。其功能表如下图所示：表3-2 74190的功能表CTEN D/U CLK LOADA B C D QA QB QC QD 0 A B C D 0 1 1 减计数 0 0 1 加计数 1 1 0 0 0 0 要实现24s的倒计时，需选用两个74190芯片级联成一个从99到00的计数器，其中作为个位数的74190芯片的CLK接秒脉冲发生器，再把个位数74190芯片输出端QD用一个与门连起来，再接在十位数74190芯片的CLK端。当个位数减到0时，再减1就会变成9，0（0000）和9（1001）之间的QA 、QD同时由0变为1，把QA 、QD起来接在十位数74190芯片的CLK端，此时会给十位数74190芯片一个脉冲数字减1，相当于借位。则又74190芯片的功能性质可知，当个位数74190的C管脚和十位数74190的B管脚同时置1，CTEN端接低电频，加/减计数控制端D/U接高电频实现减计数，预置端LOAD接高电频时计数，接低电频时预置数。因此，工作开始时，LOAD为0，计数器预置数，置完数后，LOAD变为1，计数器开始倒计时，当倒计时减为00时，LOAD又变为0，计数器又预置数，如此循环下去。则连接后的电路如下图所示：倒计时计数器电路倒计时计数器与信号灯转化器的连接倒计时计数器向信号灯转换器提供定时信号T4和定时信号T0以实现信号灯的转换。TO表示倒计时减到数“00”时（即绿灯的预置时间，因为到“00”时，计数器重新置数），此时给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。接法为：把个位、十位计数器的输出端QA、QB、QC、QD分别用一个4输入或非门连起来，再把这两个4输入或非门的输出用一个与门连起来。T4表示倒计时减到数“04”时，给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯的变为黄灯，红灯不变。接法为：当减到数为“04”（0000 0100）时，把十位计数器的输出端QA、QB、QC、QD用一个4输入或非门连起来，个位计数器的输出端QB、QD用一个两输入或非门连起来，再把这两个或非门与个位计数器的的输出端QA、QC用一个4输入与门连接起来。最后将T4和T0两个定时信号用或门连接接入信号灯转换器的时钟端。则连接图如下图所示： 交通灯信号控制器电路图黄灯闪烁控制要求黄灯为闪烁状态，即黄灯0.5秒亮，0.5秒灭，故用一个频率为1赫兹的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接至黄灯。在3.1.1中已用555定时器连接成了频率为1赫兹的多谐振荡器。白天夜间模式的转换根据任务书的要求，要用一个手动开关来控制白天模式与晚上模式的改变。由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式可以看出，白天与夜间模式的转换由单刀双掷开关与与门或或门控制。当开关接上边时为白天工作模式，开关接地时为夜晚工作模式。则电路连接如下图3-5所示： 白天夜间的切换开关在实际生活中，手动开关电路毕竟不方便，因此实际应用中可设计自动开关电路。用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现），作为白天与夜间的自动转换开关。这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。第二天天量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。在本次课程设计中选择使用手动切换白天与夜晚模式的选择。四.仿真过程及仿真结果 白天工作模式交通灯从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用红、绿、黄发光二灯模拟。 在实际电路中，开关J2和J7闭合，使个位74190的C管脚接高电平，A、B、D接低电平；十位74190的B管脚接高电平，A、C、D接低电平，并且白天夜间的切换开关不接地。计数器的开关如下图所示： 置数法的开关连接方法白天的工作状态结果如下图3-7所示：白天工作状态夜间工作模式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮，将设置的手动开关，拨动到接地状态。电路图工作结果如下图3-7所示： 夜间工作状态仿真电路图五.结论故障分析及总结 经过一周的努力，我终于完成关于交通灯控制电路的电子课程设计，通过一周不断的查各种资料让我积累了许多实际操作经验，已初步掌握了数电的应用技术，以及数字电路的知识和有关器件的应用，我深刻体会到了数子电路技术对当今现代社会的重要性。 经过这次设计，我学会了很多的东西，学会了，构想及如何思考，怎样把计划付诸于实际行动之中。同时与社会的不断高速发展的步伐相比，我认识到自己所学的知识和技能还远远不足，有些实际性的问题还不能够解决，缺少很多有实际运用价值的知识储备，缺乏应有的动手解决实际问题的能力，缺少高效利用及筛选大量资料的能力，缺少应有的团队合作精神，有待进一步提高，我应当学好自己的专业知识以适应不断发展的社会。 在这次课程设计中，我学会了如何有效的利用网络资源，找到了几个很不错的专业网站，为以后的查阅专业方面的信息和相互之间的交流打下了坚实的基础，学会了如何看电路图，识别电路图，提高了自己的专业技能，同时也培养了自己独立解决实际问题的能力，也培养了自己认真和严谨的科学态度，收到了很大的启发，为以后的工作积累了些宝贵的经验。以后注意理论和实践相结合，多注意实践。把我们所学的理论和知识都用于我们以后的工作和学习中，这样我们才能在以后的社会中生活的更好。这次实验也增加了我学习数电的信心，世上无难事，只要肯攀登。相信自己，永远是最可靠的！