交通信号灯课程设计报告.docx

交通信号灯课程设计报告 书目 1、 、 前言 1 2 总体方案设计 错误!未定义书签。 2 、1 方案论证与比较 2 2 、2 方案的选择 4 3 单元模块设计 5 3 、1 各单元模块功能介绍及电路设计 5 3、1、1 秒脉冲发生器 5 3、1、2 定时器 5 3、1、3 限制器 6 3、1、4 译码电路 8 3、1、5 显示电路 9 3、1、6 总原理图 9 3 、2 特别器件的介绍 10 3、2、1 74LS160 10 3、2、2 74LS153 11 3、2、3 74LS74 11 3、2、4 CD4511 错误! 未定义书签。 3、2、5 NE555 13 4 系统调试 14 5 系统功能、原件 错误!未定义书签。 5 、1 系统能实现的功能 17 5 、2 主要元件 17 6 结论 17 7 总结与体会 错误!未定义书签。 8 致谢 18 9 参考文献 错误!未定义书签。 附录: 19 1 1 、前言 在城镇街道的十字交叉路口,为保证交通秩序与行人平安,一般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,已过停车线的车辆接着通行;绿灯亮表示该条道路允许通行。交通信号灯限制器自动限制十字路口两组红、黄、绿交通信号灯的状态转换,指挥主、从干道上各种车辆与行人的平安通行,实现十字路口交通管理的自动化。自从交通信号灯产生后其内部限制电路几经完善使其更加合理与人性化,科技含量不断提高,各种新型算法的诞生使得限制理论向着智能化方向迈进,前人的基础上给信号限制器的进一步发展供应了宽敞的平台与肯定的技术基础。 该设计就是利用数字电路实现对交通灯的限制,可以提高其时间上的精确度及抗干扰实力,提出访交通灯限制电路用数字信号自动限制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆与行人平安通行,实现十字路口交通管理的自动化。因此,在本次课程设计里,将以传统的设计方法为基础来实现设计交通限制信号灯。本试验设计目的就是培育数字电路的实力,驾驭交通信号灯限制电路的设计方法。设计要求:1、两干道路灯亮的时间同为 25 秒;2、每次由绿灯变为红灯时,应有5秒黄灯亮作为过渡;3、分别用红、黄、绿发光二极管表示信号灯;4、设计计时显示电路。试验设计由秒脉冲发生器、定时器、限制器、译码显示电路组成。其中秒脉冲发生器由 NE555 产生脉冲,定时器由 74LS160 实现,限制器由 74LS153 与 74LS74 组成,译码电路采纳 CD4511 与七段数码管来显示。限制器通过 ST 信号对定时器进行限制,从而显示红黄绿灯的转换。 设计过程中参考了一些相关文献,包括电子技术基础,电子技术课程设计好用教程,及西华高校图书馆内相关藏书。本试验用 portues7、8 软件仿真实现。 由于所学学问有限,设计中难免出现错误,请老师指责指正。 2 2 总体方案设计 2 、1 方案论证与比较 方案一 用数电电子技术来实现交通灯限制 交通灯限制系统的原理框图如图 2、1 所示。 它主要由限制器、定时器、译码器与秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器就是该系统中定时器与限制器的标准时钟信号源,译码器输出两组信号灯的限制信号,经驱动电路后驱动信号灯工作,限制器就是系统的主要部分,由它限制定时器与译码器的工作。图中: 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,由限制器发出状态转换信号。由它限制定时器起先下个工作状态的定时。 图 2、1 系统的原理框图 交通灯限制器的 ASM 如图 1-3 所示 (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,限制器发出状态信号 ST,转到下一工作状态。 (2)乙车道黄灯亮,乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆接着通行,乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔 TY 时,限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,限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,已过停车线的车辆接着通行。黄灯亮足规定的时间间隔 TY 时,限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 种工作状态的转换就是由限制器器进行限制的。设限制器的四种状态编码为 00、01、11、10,并分别用 S0、S1、S3、S2 表示,则限制器的工作状态及功能如表 1、2 所示,限制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的限制信号。为简便起见,把灯的代号与灯的驱动信号合二为一,并作如下表 2、1 规定: 表 2、1 系统状态表 限制状态 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 BY=1 乙车道红灯亮 乙车道禁止通行 由此得到交通灯的 ASM 图,如 图 1-3 所示。设限制器的初始状态为 S0(用状态框表示 S0),当 S0 的持续时间小于 25 秒时,TL=0(用推断框表示 TL),限制器保持 S0 不变。只有当 S0 的持续时间等于 25 秒时,TL=1,限制器发出状态转换信号 ST(用条件输出框表示ST),并转换到下一个工作状态。 图 1-3 交通灯的 ASM 图 方案二 用单片机技术来实现交通灯限制 用单片机技术来来实现交通灯限制特别简单实现,过程简洁,用到的器件较少,并且限制信号稳定。但就是单片机编程叫困难,要求有肯定单片机编程基础。 2 、2 方案的选择 方案一与方案二比较之后,由于本人单片机基础薄弱,编程不易实现,而方案一相交而言简单实现,且能很好的运用所学数电学问,因此选择方案一。 3 3 单元模块设计 3 、1 各单元模块功能介绍及电路设计 3 、1 、1 秒脉冲发生器 秒脉冲发生器由 NE555 电路及外围电路组成,其中 R8=28K、R9=57K,C2=1nF 的电阻电容值确定了脉冲宽度。既 T=(R8+2R9)C2ln2 当 T=1S,即可凑出 R8、R9、C3 其中C3=9uF 就是为了保持输出的波形的稳定。 如图 3、1、1 所示, R9=57K、C3=9uF 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 内部的比较器与门电路共同作用,维持7脚上的方波信号与 3脚上的输出方波。 图 3、1、1 秒脉冲发生器 3 、1 、2 定时器 定时器由与系统秒脉冲(由时钟脉冲产生器供应)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,计数器从零起先进行增 1 计数,向限制器供应模 5 的定时信号 TY 与模 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 就是 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 3、1、2 所示。 表中 RD’就是低电平有效的同步清零输入端,LD’就是低电平有效才同步并行置数限制端,EP、ET就是计 图 1-3 交通灯的 ASM 图数限制端,CO 就是进位输出端,D0D3 就是并行数据输入端,Q0Q 3 就是数据输出端。设计如图 3、1、2 表 3、1、2 74LS160 功能表 图 3、1、2 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 与 10 由 U2 的 11、14 经过与门相与后相连。、即:只有当时 11、14 处产生一个高电平脉冲时才能触发 U1 中的 14 产生脉冲。当 U13C74LS04 的 ST 信号分别送给 U1 与 U2 的 LOAD。就可以得到 TY 与 TY非就是秒脉冲的 5 倍;TL 与 TL 非的结果就是秒脉冲的 25 倍。 3 、1 、3 限制器 限制器就是交通管理的核心,它应当能够根据交通管理规则限制信号灯工作状态的转换。列出限制器的状态转换表,如表 3、1、3 所示。选用两个 D 触发器 74LS74 做为时序寄存器产生 4 种状态,限制器状态转换的条件为 TL 与 TY,当限制器处于 Q1n+1Q0n+1 00 状态时,假如 TL 0,则限制器保持在 00 状态;假如,则限制器转换到 Q1n+1Q0n+1 01 状态。这两种状况与条件 TY 无关,所以用无关项X表示。其余状况依次类推,就可以列出了状态转换信号 ST。 表 3、1、3 限制器状态转换表 CLK RD’ LD’ EP ET 工作状态 X ↑ X X ↑ 0 1 1 1 1 X 0 1 1 1 X X X X 0 1 X 0 1 1 置零 预置数 保持 保持(C=0) 计数 依据上表可以推出状态方程与转换信号方程,其方法就是:将 Q 1 n+1 、Q 0 n+1 与 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: 依据以上方程,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限制信号.即可实现限制器的功能。 限制器原理图如图 3、1、3 所示。图中 R、C 构成上电复位电路。由两个双多路转换器 74LS153 与一个双 D 触发器 74LS74 组成限制器。触发器记录 4 种状态,多路转换器与触发器协作实现 4 种状态的相互交换。 图 图 3 3 、1 1 、 3 限制器 由秒脉冲发生器产生了周期性改变的 CLK 脉冲,一部分送给了定时器的 74LS160 芯片,另一部分送给了限制器的 74LS74 芯片。在脉冲 ST 同时加到定时器 74LS160 芯片的状况下,通过芯片 74LS10 将会输出 TY、TY 非;TL、TL 非。即 TY 与 TY 非放大的结果就是秒脉冲的 5 倍;TL 与 TL 非放大的结果就是秒脉冲的 25 倍。前者输出的信号就是后者的 1/5。将定时器输出的 TY。TY 非;TL。TL 非分别作用于限制器的芯片 74LS153 中,在 CLK 脉冲置于芯片 74LS74 中会输出凹凸改变的电平 。 3 、1 、4 译码电路 限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与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耀来实现。电路图设计如图 3 、1、4 图 3、1、4 译码电路 3 、1 、5 显示电路 显示部分由CD4511与共阴极七段数码管组成,CD4511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。即交通灯须要显示的时间。其设计如图 3、1、5 图 3 3 、1 1 、 5 显示电路 3 、1 、6 总原理图 电路总原理图如下图: : 图 图 3 3 、1 1 、 6 总原理图 3 、2 特别器件的介绍 3 、2 、1 74LS160 74LS160 为可预置的十进制同步计数器,共有 54/74160 与 54/74LS160 两种线路结构型式。160 的清除端就是异步的。当清除端/MR 为低电平常,不管时钟端 C 盘状态如何,即可完成清除功能。160 的预置就是同步的。当置入限制器/PE 为低电平常,在 CP 上升沿作用下,输出端 Q0-Q3 与数据输入端 P0-P3 一样。对于 54/74,当由低至高跳变前,假如计数限制端,为高电平,则应避开由低至高电平的跳变,而无此中限制。引出端符号: TC 进位输出端 CEP 计数限制端 Q0Q3 输出端 CE计数限制端 CP 时钟输入端(上升沿有效) /MR 异步清除输入端(低电平有效) /PE 同步并行置入限制端(低电平有效) 3 、2 、2 74LS153 就是双选数据选择器多路选择器。里面有两个地址码共用的选数据选择器。通过输入不同的地址码,可以限制输出选个输入数据中的一个。 结构图如图 3、2、2: 图 3、2、2 74153 结构图 功能表如表 3 3 、2 2 、 2: 表 表 3 3 、2 2 、3 2 74153 功能表 3 、2 、3 74LS74 74LS74 为带预置与清除端的两组型触发器,共有 547474、54/74S74 等四种结构路途形式,其主要电特性如表 3、2、3、1: 表 3、2、3、1 74LS74 特性表 引脚含义如下: 1CP、2CP 时钟输出端 1D、2D 数据输入端 1Q、2Q、1Q-、2Q- 输出端 CLR1、CLR2 干脆复位端(低电平有效) PR1、PR2 干脆置位端(低电平有效) 逻辑图如图 3、2、3: 图 3、2、3 74LS74 逻辑图 功能表如表 3 3 、2 2 、3 3 、 2: 表 表 3 3 、2 2 、3 3 、4 2 7474 功能表 3 、2 、4 CD4511 CD4511就是用于驱动共阴极LED(数码管)显示器的BCD码-七段码译码器,特点:具有 BCD 转换、消隐与锁存限制、七段译码及驱动功能的 CMOS 电路能供应较大的拉电流。可干脆驱动显示器。引脚如图 3、2、4 所示。其中 a,b,c,d 为 BCD 码输入,a 为最低位。LT 为灯测试端,加高电平常,显示器正常显示,加低电平常,显示器始终显示数码8,各段都被点亮,以检查显示器就是否有故障。BI 为消隐功能端,低电平常使全部段均消隐,正常显示时,B1 端应加高电平。另外 CD4511 有拒绝伪码的特点,当输入数据越过十进制数 9 时,显示字形也自行消隐。LE 就是锁存限制端,高电平常锁存,低电平常传输数据。a-g 就是 7 段输出,可驱动共阴 LED 数码管。 CD4511 引脚如图 3、2、4: 图 3、2、4 CD4511 引脚图 其功能如下: BI:4 脚就是消隐输入限制端,当 BI=0 时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭状态,不显示数字。 LT:3 脚就是测试输入端,当 BI=1,LT=0 时,译码输出全为 1,不管输入 DCBA 状态如何,七段均发亮,显示8。它主要用来检测数码管就是否损坏。 LE:锁定限制端,当 LE=0 时,允许译码输出。LE=1 时译码器就是锁定保持状态,译码器输出被保持在 LE=0 时的数值。 A1、A2、A3、A4 为 8421BCD 码输入端。 A、b、c、d、e、f、g:译码输出端,输出为高电平 1 有效。 3 、2 、5 NE555 NE555 引脚图如图 3、2、5: 图 3、2、5 NE555 引脚图 NE555 功能介绍: 1 脚为地。2 脚为触发输入端;3 脚为输出端,输出的电平状态受触发器限制,而触发 器受上比较器 6 脚与下比较器 2 脚的限制。 当触发器接受上比较器 A1 从 R 脚输入的高电平常,触发器被置于复位状态,3 脚输出 低电平; 2 脚与 6 脚就是互补的,2 脚只对低电平起作用,高电平对它不起作用,即电压小于 1Ucc/3, 此时 3 脚输出高电平。6 脚为阈值端,只对高电平起作用,低电平对它不起作用,即输入 电 压大于 2Ucc/3,称高触发端,3 脚输出低电平,但有一个先决条件,即 2 脚电位必需大于 1Ucc/3 时才有效。3 脚在高电位接近电源电压 Ucc,输出电流最大可打 200mA。 4 脚就是复位端,当 4 脚电位小于 0、4V 时,不管 2、6 脚状态如何,输出端 3 脚都输出低 电平。 5 脚就是限制端。 7 脚称放电端,与 3 脚输出同步,输出电平一样。 4 4 系统调试 (1)组装调试秒脉冲电路,如图 4、1。 图 4、1 秒脉冲 (2)进行定时电路的组装与调试。当输人1Hz的时钟脉冲信号时,要求电路能进行增计时,当增计时到 25 时,能输电有效的定时时间到信号,。 (3)调试交通灯限制器以及显示部分,输入信号后,数码管能正确显示数字,且能根据设置递增,从 0 至 25,如图 4、2,图 4、3。 图 图 4 4 、 2 数码管仿真图 图 图 4 4 、 3 数码管仿真图 (4)当输入脉冲后,视察信号灯就是否根据要求亮,如图 4、4,图 4、5,图 4、6,图 4、7。 图 4、4 信号灯仿真 1 图 4、5 信号灯仿真 2 图 4、6 信号灯仿真 3 图 4、7 信号灯仿真 4 (5)推断各部分电路之间的时序协作关系,检查电平的改变,就是否符合电路的要求。 最终调试结果如下: 接上电源,便可以进行交通灯限制系统的仿真,电路默认把通车时间设为 25 秒,甲车道方向绿灯亮,行人车辆都可自由通行;乙车道方向车道的红灯亮,车辆禁止通行。时间显示器从预置的 0 秒,以每秒增 1,从 0 增到 25 时,甲道的绿灯转换为黄灯,其余灯都不变。从 0 增到 25 后时甲车道的黄灯转换为红灯;乙车道的红灯转换为绿灯。如此循环下去。 5 5 系统功能、原件 5 、1 系统能实现的功能 系统供上电之后,秒脉冲发生器发出脉冲,各部分起先工作,数码管上起先计时,从 0到 25,并且同时甲车道的绿灯亮,乙车道的红灯亮,甲车道的行人与车辆正常通行, 当数码管计时到 25 时,甲车道未过线的车辆禁止通行,并且在数码管计时变为 0时,乙车道的黄灯亮,数码管计时 5 秒,这期间甲乙车道的车辆都禁止通行,当数码管计时 5 秒之后,甲车道黄灯亮,乙车道绿灯亮,数码管重新从 0 起先计时到 25,而此时,乙车道的车辆与行人通行,甲车道的车辆与行人禁止通行。当数码管计时到 25 秒时,乙车道黄灯亮,甲乙车道车辆禁止通行,当数码管计时 5 秒之后,重新计时,如此循环。 5 、2 主要元件 主要元件如表 5、2,。 表 5、2 主要元件 共阴极数码管 2 片 CD4511 2 片 74LS160 2 片 74LS153 2 片 74LS74 2 片 74LS08(与门) 4 片 74LS00(与非门) 2 片 非门 3 片 6 6 结论 本设计基本达到要求,实现了限制甲乙干道车辆的通行,由于课程设计过程的要求故通行时间设置为 25 秒,中间过渡时间设置为 5 秒。而在现实中可以把时间加长,以达到现实的要求。本试验设计优点在于交通灯的限制上加了计时器,使得人们可以更具时间来调整车速,并且可以就是的交通灯的时间限制变得更精确,抗干扰实力更强。 而本设计的缺点就就是没有设计出可以限制干道车辆转弯的信号,并且在时间限制上假如采纳倒计时就会更加完备。但就是由于水平的缘由,没有设计出这两个问题的解决方法。目前所知到的有,可以用 74ls192 来代替 CD4511,因为 74192 就是可预置数的倒计时译码器,可以设计出倒计时的计时器,但就是这样就会使得其她部分的逻辑电路设 计变得更加难。而在转弯的问题上,则在显示上遇到了肯定问题,由于显示不能用灯来限制,须要带箭头的电子屏幕,而这样的显示不会运用与限制,也不易找到,并且同上一个问题一样,加上了这部分之后,逻辑电路变的困难,不易设计出来。 本设计只就是基本达到要求,能实现提出的基本要求,其中的不足,请老师指正。 7 7 总结与体会 这个课程设计的任务用时两周多的时间。在这段时间里我们几乎用完了一切能想到的方法,进了最大的努力。但我感觉还就是不太胜利。缘由就是多方面的,第一点,我觉本次选的课程设计任务并不太难,而我们花了两周的时间本身就就是一种办事效率低下所导致的, 我们的学习工作以及生活中都将留意这一点,终归现在社会运行就是特别的高效。这一点我将在以后的学习生活中不断的加强这个方面的要求,争取成为一个办事高效的人。 其次点,本次课设所用到的内容都就是以前所学过的,但就是我发觉对以前学的内容驾驭的与自己想象的还有很大差距。许多东西我们在课堂上学了但就是下来没有刚好的复习,导致了现在不能刚好拿来运用。还有一点在学习中就是一个很大的误区,我们许多时候为了应付考试并没有将很多本应当学懂学透的内容真正驾驭,这也干脆导致我在课设的时候不能敏捷运用那些学问。这就是我们在以后的学习中肯定要相识的一点。 第三点,通过本次课程设计我还真实的相识到理论联系实际在实践中并不就是我们想象中的那么简单,许多东西可能在理论上我们驾驭了,但要在实践中自如的运用还须要多多的熬炼。毛主席说过没有调查就没有发言权的确就是一句实话 。在实践中我们可以更好的理解课本上的内容,因此我们还须要更多的理论联系实际的练习。 第四点.Portues 仿真软件运用的很少,现在要用了,它的许多功能都不知道。通过这次课设,加强了我动手、思索解决问题的实力。现在设计已经做好了,虽然花了许多时间,但学到了许多东西。 第五点,我通过本次课设瞧到相互帮助的力气,培育了同学之间的默契与协作实力,也加教会了我们合作。 8 8 致谢 感谢*老师,以及我的室友与同学在我课设过程中给了我极大的帮助与激励。 在以后的学习生活中,我将努力提高自己的实力,知恩图报,不负她们赐予的帮助。 9 9 参考文献 1 彭介华、电子技术课程设计指导M、北京:高等教化出版社,2022 2 康华光、电子技术基础模拟部分(第 5 版)M.北京:清华高校出版社,2022 3 谢自美、电子线路设计、试验、测试M,华中科技高校出版社,2022 年 8 月 4 电子技术试验指导书M,西华高校,2022、10; 165-173 页 5 阎石主、数字电子基础基础编、M 、高等教化出版社 2022 版 6姚福安、电子电路设计与实践M,山东科技技术出版社,2001 年 10 月 7王橙非、电路与数字电路设计实践M,东南高校出版社,11019 年 10 月 8李银华、电子线路设计指导M,北京航空航天高校出版社,2022 年 6 月 9李莺、罗毅、超高频数字频率计的设计J,重庆邮电高校学报,2022 年 6 期 10龙驹、基于 proteus 数字频率计的设计 J,数字技术与应用,2022 年 8 期 11 曲学基等、稳定电源电路设计手册M、 北京:电子工业出版社,2003、10 12 王水同等、PWM 限制与驱动器运用指南及应用电路M、西安:西安电子科技高校出版社,2022、5 附录: : 仿真设计图: 电路仿真图 PCB: 电路 PCB 第20页 共20页第 20 页 共 20 页第 20 页 共 20 页第 20 页 共 20 页第 20 页 共 20 页第 20 页 共 20 页第 20 页 共 20 页第 20 页 共 20 页第 20 页 共 20 页第 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