基于计数器的交通信号灯控制器.pdf

1 目录 第一章 选题背景 1 1.指导思想1 2.方案论证1 3.基本设计任务2 第二章 电路设计2 1.总体方框图2 2.工作原理2 第三章 各主要电路及部件工作原理3 1.主控电路3 2.秒脉冲发生器4 3.计数部分5 4.信号灯显示部分6 5.数码显示部分7 6.支干道车辆情况信号模拟器8 第四章 原理总图9 第五章 元器件清单9 第六章 调试过程及测试数据10 1.通电前检查10 2.通电检查10 3.结果分析11 第七章 设计体会及今后的改进意见11 1.小结体会11 2 2.本方案特点及存在的问题12 3.改进意见12 参考文献13 1 正文 第一章 选题背景 随着社会的发展，城市车流量也是越来越大，一个良好的交通控制系统已经成为交通管理的必需。在城镇街道的十字交叉路口，为保证交通秩序和行人安全，在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通信号灯控制器自动控制十字路口两组红、黄、绿交通信号灯的状态转换，指挥各种车辆和行人的安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。1.指导思想 以基本数模电知识设计电路。2.方案论证 方案一：用四进制计数器和译码器构成电路状态控制部分。分别设计45 进制、5 进制、25 进制计数器，在不同电路状态选择不同计数器计数，来实现对电路的计时控制。此方案的特点是电路清晰原理简单。方案二：同样用四进制计数器和译码器构成电路状态控制部分。设计计数进制可选择的计数器，该计数器可作为 45 或 25 或 5 进制计数器，由对于每个时刻只能有一个计数器工作，可以在不同时刻选择不同进制的计数器计数。综合考虑，方案一原理固然简单，但由于要设计 3 个不同类型的计数器，要使用的计数器集成块很多（比如需要 5 块 74HC160）；另外由于计数器太多，译码显示部分电路就相对比较复杂。方案二只设计一个计数器，同样可以实现三种计数器功能，需要的计数器集成块少（比如需要 2 块 74HC160）；计数器少，译码显示电路简单;另外，相对方案一方案二更经济。因此选择方案二。2 3.基本设计任务 1)用红、绿、黄发光二极管作信号指示灯。2)让主干道处于常允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行。可用逻辑开关作主支干道检测车辆是否到来的的信号。3)主支干道交替允许通行。主干道每次放行45 秒，支干道每次放行 25 秒。4)在每次由绿灯亮转换到红灯亮的过程中，要亮5 秒钟的黄灯作为过渡。5)设置 45 秒、25 秒计时、5 秒计时显示电路。6)14 电路特点 本设计方案，可实现题目要求所有功能。另外，原理比较简单，模块化强，容易制作和调试，可实行性高 第二章 电路设计 1.总体方框图 图 2-1 总体方框图 2.工作原理 本控制器的组成框图如图2-1 所示。状态控制器和状态译码器共同构成主控部分。状态控制器是整个系统的核心控制端，它控制整个电路的工作状态，通过状态译码器控制计数计数部分 译码显示 主支干道信号灯 计数器 状态译码 计数控制器 状态控制器 支干道车辆情况信号 555 秒脉冲信号发生器 主控部分 3 控制端和信号灯控制端。计数部分是由计数控制器和计数器组成。计数控制端根据状态译码器的状态选择计数器计数，信号灯控制端根据状态译码器的状态选择点亮对应得主支干道信号灯。秒脉冲发生器为计数器提供脉冲信号，当计数器完成一个周期的计数时会发出一个脉冲信号到状态控制端，状态控制端根据该信号及支干道车辆情况信号判断跳转到下一个状态工作。计数器计数状态经显示译码器译码然后由数码管显示数值。第三章 各主要电路及部件工作原理 1.主控电路 U1874HC138D_6VY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16G2A4G2B5U1674HC160D_6VQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK212VCC5VVCC03U1A74HC04N_6V456H接 主 控 时 钟 信 号abcd10987 图 3-1 主控电路 工作原理：设任意时刻电路要显示的红绿灯情况为事件 Q；主干道绿灯亮、支干道红灯亮为事件 A；主干道黄灯亮、支干道红灯亮为事件 B;主干道红灯亮、支干道绿灯亮为事件 C；主干道红灯亮、支干道黄灯亮为事件 D；支干道有车为事件 H。很显然 A、B、C、D相会独立。以四进制计数器的 0000、0001、0010、0011 四个状态分别代表 A、B、C、D 四件事，经译码器译码后，译码器的输出端 Y0、Y1、Y2、Y3 有效就代表 A、B、C、D 发生。当 H 不为真时（支干道无车 H=0）Q=A，此时计数器输出 0000,译码后 YI 有效对应事件 A 发生。当 H为真（支干道有车 H=1）时，电路状态为 A、B、C、D 一次发生，也就是计数器正常计数。因此，使 H=CLD。4 四进制计数器的设计。选择计数器芯片 74HC160（十进制），采用复位法将其接成四进制。图 3-2 状态转换图 有状态转换图 CLR=3Q。对于 74HC160 各引脚接法如下：CLR=3Q,CLD=H1PTEE,A=B=C=D=0 对于 74HC138 各引脚接法为：1221,0ABGGG。74HC160输出端与 74HC138输入端相连接。138 译码器输出状态啊a，b，c，d 与事件A，B，C，D 一一对应。2.秒脉冲发生器 VCC6VR147kR247kC110pFC210uFU1LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI23120VCC 图 3-3 555 秒脉冲发生器 工作原理：将 555 接成多谐振荡器112()ln2TRR C，22ln2TR C。1212(2)ln2TTTRR C 112122TRRqTRR 由于001,66.7Ts q/1/1 0001/1/1/0 0011 0010 0100 0000 CLR DCBAQ Q Q Q 5 则，若取 C=10F，12RR47K。按照如图连接就可以输出周期为 1s 占空比为 66.7%的方波。3.计数部分 U5A74HC00D_6VU7A74HC00D_6VU8A74HC00D_6VU10A74HC00D_6VU11A74HC00D_6VU9A74HC00D_6VU13A74HC00D_6VU21A74HC00D_6VU474HC160D_6VQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U374HC160D_6VQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U19A74HC04D_6VU20A74HC04D_6VU14A74HC04D_6VU15A74HC04D_6V21191412VCC050222315242520cabd接 主 控 部 分 CLK341011137188接 译 码 显 示 电 路（低 位）接 译 码 显 示 电 路（高 位）26接 555秒 脉 冲CABSRT16617912WM 图 3-4 计数部分原理图 工作原理：计数部分由计数控制和计数器组成，计数器由两片 74HC160 组成。控制部分的作用是控制计数器的不同计数状态。当 A 端为 0，B、C、D 端为 1 时计数器为 45 进制计时器；当 B 或者 D 为 0 其他为 1 时计数器为 5 进制计数器；当 C 为 0 其他为 1 时计数器为25 进制计数器。设 U1 的cQ=1 为事件 R，BQ=1 为事件 S；U2 的AQcQ=1 为事件 T。由于 138 译码器的输出端为低电平，因此在输入到技术控制端时要加一个非门，a 和 c 端加非门后的信号设为A 和 C，b 和 d 加与非门后的信号设为 B。并且 A、B、C 在任意时刻有且只有一个为 1。控制部分的真值表如表 3-1 所示。表 3-1 6 A B C R S T M 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 其他状态 0 MABCRTABCTABCT(A、B、C 任意时刻仅有一个为 1)ARTCSTBT()ARCS TBT ARCSTBT 则 CLR=M，整个计数器的进位信号为CLR即 M。计数器的数据输出端接译码显示电路，进位信号 M 接主控部分的时钟信号。4.信号灯显示部分 7 LED1R1R2R3R4R5R6LED2LED3LED4LED5LED68111213U4AU6A74HC00D_6V614U2AU3AU5AU7A35151727LED7R8715R9715R10715R11715R12715R13715LED8LED9LED10LED11LED12U10A74HC00D_6VU12A74HC04N_6VU13A74HC04N_6VU14A74HC04N_6VU15A74HC04N_6V38373231302927262523220436109绿黄红绿黄红1abcd主 干 道支 干 道 图 3-5 信号灯显示电路 根据 a、b、c、d 的状态通过门电路选择合适的主、支找到合适的红绿灯并将之点亮。发光二极管采用高电平驱动，共阴极接法，须经电阻与电源连接这里这个电阻（限流电阻）选 750。对于主干道 a、b 经非门接后接发光二极管（分别接绿色和黄色的 LED），c、d 先和与非门连接再后接发红光的 LED。对于支干道 c、d 经非门之后接发光二极管（分别接绿色和黄色的 LED），a、b 先和与非门连接后再接发红光的 LED。5.数码显示部分 8 VCC5VU24511BT_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3U34511BT_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3VCCU1A B C D E F GCAU4A B C D E F GCA15161718接 计 数 器（高 位）接 计 数 器（低 位）R1510R2510R3510R4510R5510R6510R7510R8510R9510R10510R11510R12510R13510R1451012345678910111213141920212223242526272829303132 图 3-6 译码显示电路 工作原理：译码显示电路又 CD4511 译码后与七段位数码显示管相连（中间接 510限流电阻）。6.支干道车辆情况信号模拟器 工作原理：K 打向高电平时 H=1，模拟支干道有车；当 K 打向低电平时 H=0，模拟支干道没有车。kKey=SpaceVCC5V0VCC1H 图 3-7 支干道车辆情况信号模拟器 9 第四章 原理总图 VCC6VU2DCD_HEXU1DCD_HEXU5A74HC00D_6VU7A74HC00D_6VU8A74HC00D_6VU10A74HC00D_6VU11A74HC00D_6VU9A74HC00D_6VU13A74HC00D_6V2017161512111098543216U21A74HC00D_6V25282918U23A74HC04D_6V33U24A74HC04D_6VU25A74HC04D_6VU26A74HC04D_6VU27A74HC04D_6VU28A74HC00N_6VU29A74HC00N_6VR1715R2715R3715R4715R5715R6715LED1LED2LED3LED4LED5LED6343536373840414243444546021KKey=Space39R747kR847kC110nFC210uFU30LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI248471951U1874HC138D_6VY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16G2A4G2B5U474HC160D_6VQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U1674HC160D_6VQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U374HC160D_6VQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U19A74HC04D_6VU20A74HC04D_6VU14A74HC04D_6VU15A74HC04D_6V724232227312630主 干 道支 干 道VCC0 图 4-1 原理总图 第五章 元器件清单 元器件清单 器件名称 型号 数量 计数器 74LS160 3 555 NE555 1 10 译码器 74HC138 1 与非门 74HC00 3 非门 74HC04 2 电阻 750 6 电阻 510 14 电阻 47K 2 电容 10F 1 电容 10nF 1 显示译码器 CD4511 2 数码显示管 2 红色 LED 2 黄色 LED 2 绿色 LED 2 开关 1 表格 5-1 第六章 调试过程及测试数据 1.通电前检查 认真检查各引脚连线情况，检查是否与原理图连接情况相同，各引脚之间有无短路情况，集成块插入方向是否正确。检查无误后方可进入下一步检查。2.通电检查 1)555 秒脉冲发生器的调试 首先，用示波器观察 555 的输出波形，观察是否是方波，若是进行下一步操作，不是的话要检查 555 是不是连接正确，电阻电容有无接错，焊点有无虚焊现象。指导输出方波为止。然后测量方波的周期和占空比周期要为 1s 占空比要为 66.7%，允许存在一定误差。如果数据不正确检查电阻电容连接情况。数据正确为止。调试结果：得到周期为 0.98s 的占空比为 65%的方波。2)控制部分和计数、显示部分的调试 接通电源后，观察数码管显示情况包括是否正常显示，显示是否正确。如果不正确，则须要分析原因并逐项排查直至无误为止。另外，观察电路状态转换是否正确，如果不正常 11 则对照原理图分析原因直至无误为止。调试结果：接通电源后，数码管显示正常，数码管计数跳转顺序与设定相同。但是信号灯显示部分支干道绿灯时亮时灭不稳定，经过排查发现该发光二极管前面的非门输出引脚接触不好，从新换了一片非门后工作正常。最后整个电路工作正常。符合课题要求。3)发光二极管的调试 观察发光二极管工作情况，包括是否发光，电路状态在转换过程中，发光二极管发光情况与电路要求是否一致，不以真的话要分析原因，排查错误直到正确为止。调试结果：各发光二极管工作正常，电路状态转换信号灯显示正确。3.结果分析 当支干道没有车时（开关 k 接高电平），电路四个状态正常循环运行。首先，主干道绿灯亮支干道红灯亮，持续时间 45s，数码显示管显示数据从 00 跳转到 44；下来，主干道黄灯亮支干道红灯亮，持续时间 5 秒，数码显示管从 00 跳转到 04；然后，主干道红灯亮支干道绿灯亮，持续时间 25 秒，数码显示管状态从 00 跳转到 24；最后，主干道红灯亮支干道黄灯亮，持续时间 5 秒，数码显示管状态从 00 跳转到 04，然后开始新一轮循环。当主干道没有车时（开关 k 接低电平），电路处于主干道常通状态，主干道绿灯亮支干道红灯亮，持续时间 45s，数码显示管状态从 00 跳转到 44。如果在此过程中支干道还没有车（开关变成接高电平），则主干道继续处于常通状态；如果在此过程中支干道有车则仔 45s 结束后电路转入四个状态循环情况。在四个状态循环时，在主干道绿灯亮的过程中，支干道没有车（k 始终接低电平）则电路将自动转入主干道常通状态。第七章 设计体会及今后的改进意见 1.小结体会 经过暑假的准备和开学半学期的努力，包括题目选择、课题分析、结构设计、实物制作和调试,最终完成了交通信号控制器的设计和制作。我们的课程设计是两个人一组，再设计、制作过程中我们配合的很好，遇到问题了共 12 同讨论、解决。对我的团队合作能力进行了锻炼。另外，我还学到了许多书本上没有的知识,从方案的论证、课题的选择、电路原理，到电路上元器件的焊接、电路的调试，一步步，我收获很大。在设计中，力求电路原理简单、模块化强、便于调试，满足系统设计要求。在整个设计、制作过程中我的思维能力、动手能力都有了很大的提高。最后感谢老师在这段时间对我们的帮助和指导。2.本方案特点及存在的问题 本方案在设计时电路结构新颖，原理相对简单，制作调试容易，可操作性强。但是，设计过程中没有考虑计数器的倒计数问题。实际生活中我们常见到的交通信号灯，我们更习惯于倒计数。另外，在设计时没有考虑人对交通控制系统的影响，比如紧急情况下我们要使支干道处于常通状态，我们这个电路就不能完成。因此对于整个电路还许多待改进之处。3.改进意见 首先改变电路结构，使计数显示过程为倒计数式的显示。可以改变集成计数器的型号或使用减法器实现倒计数。其次可以在电路中增加一部分电路，通过这些电路可以实现对电路工作状态的人为控制。13 参考文献 1 数字电子技术基础第五版 高等教育出版社出版 2 模拟电子技术基础第四版 高等教育出版社出版 3.电路第五版 高等教育出版社出版 4.电路电子技术实验与电子实训 电子工业出版社出版