基于NE555的交通灯设计

武汉理工大学《电子综合实训Ⅱ》说明书1交通信号灯电路的设计1.技术指标1.1初始条件直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具。1.2要求完成的主要任务（包括电子综合实训工作量及其技术要求以及说明书撰写等具体要求）1.3技术要求设计一种利用发光二极管作为交通信号灯的指示，实现南北、东西车道的交替通行，要求实现南北车道方向循环显示的顺序是绿灯、黄灯、红灯；东西车道方向循环显示的顺序是红灯、绿灯、黄灯。2.设计方案及其比较2.1方案一电路结构：脉冲信号发生器，控制电路，交通灯显示电路。电路如图1所示。图1方案一原理图脉冲信号发生器：由NE555构成的多谐振荡器组成，振荡周期T=(R1+2R2)C2Ln2,我们需要1HZ的信号，于是T=1S,我们取C2=10uf,R1=25K,R2=50K可满足产生频率为武汉理工大学《电子综合实训Ⅱ》说明书21HZ方波的条件。控制电路：由74ls161和74ls138组成，74ls161是四位二进制计数器，用来控制计数的时间。为了满足74ls138译码器的8个端口输出。这里我们只用Q2Q1Q0三个输出口，构成8进制计数器，即从000计数到111循环，刚好和74ls138译码器的输出的8个数相对应。译码器则与交通灯相连，将74ls161的控制信号传给交通灯。交通灯显示电路：通过译码器和一些门电路，可以设定相应交通灯的显示时间，满足南北东西显示的要求。这里我们设置南北方向的绿灯，黄灯，红灯的时间分别为3s，1s，4s，东西方向对应的灯为红灯，绿灯，黄灯，时间分别为4s，3s,1s。由于138译码器输出低电平，所有可以通过与门控制相应的灯显示时间，并且灯为共阳极连接。如（东西）南北方向需要3s的绿灯显示，则需要一个三输入与门；南北方向需要4s的红灯显示的时候，由于南北方向的红灯显示的时间等于东西方向的绿灯和黄灯的显示时间之和，所以可以把东西方向的绿灯对应的三输入与门的输出端和东西方向的黄灯输出端接到一个二输入与门的输入端，二输入与门的输出接到南北方向的红灯，就可以实现红灯4s显示。2.2方案二电路结构：信号发生器，控制器，交通灯显示电路如图2所示。图2方案二原理图设计思想：首先我们把交通灯显示分为四个状态，如表1所示：表1交通灯状态表武汉理工大学《电子综合实训Ⅱ》说明书3采用分模块设计的思想，模块化后，通过设置或程序清除来实现状态的转换，由于每一个模块的计数大多不是相同的，这里的各模块是以预置数和计数器计数共同来实现的，所以要考虑增加一个置数模块，其主要功能细分为：对不同的状态输入要产生相应状态的下一个状态的预置数，如要求的南北车道和东西车道,分别为南北车道的置数选择和东西车道的置数选择。以南北车道为例，简述其设计思想。可以通过程序循环的方法设计该模块，主要思想是通过数据判断指令、跳转指令实现，由主控制器计时和中断产生的四个状态去译码，从而得到不同的输出，即预置数，由上分析可用一个计数器和跳转指令去完成的预置数。可以用数据选择器的思想，在本系统中，直接通过门电路的译码，接下来就是计数模块了，其主要的功能细分为，要从预置数开始递减计数，一个状态结束，通过判断，通知主控制模块，使之进入下一模块。2.3方案三电路同样由三部分构成：基于NE555的脉冲信号发生器，控制器，交通灯显示电路。原理如图3所示：图3方案三原理图脉冲信号发生器原理不在累述。控制器由四位二进制计数器74ls161和上升沿D触发器74ls74组成。首先我们把交通灯显示分为四个状态：状态一（Q2Q1=00）南北车道绿灯亮，东西车道红灯亮。状态二（Q2Q1=01）南北车道黄灯亮，东西车道红灯亮。状态三（Q2Q1=10）南北车道红灯亮，东西车道绿灯亮。状态四（Q2Q1=11）南北车道红灯亮，武汉理工大学《电子综合实训Ⅱ》说明书4东西车道黄灯亮。我们用四位二进制计数器74ls161和上升沿D触发器74ls74控制状态变量Q2Q1的变化，即实现00-01-10-11的循环变化。用计数器的进位端做为状态控制器的脉冲，利用状态控制器实现对计数器置数的操作，从而实现膜计数状态的转换。交通灯由74ls74上升沿触发器通过门电路相连，实现对灯的控制。2.4方案比较方案一：结构简单，设计方便；但如果设计红绿灯显示时间较长时，比如40秒，则很难实现。方案一只适合时间很短的交通灯显示电路，虽然不适合实际应用，但在实验条件下可以满足要求。并且由于实验器件有限，我们选择方案一做为实现方案。方案二：采用单片机编程的方式进行控制，这种方案电路结构简单，方便修改灯显示时间。但是由于自己对编程缺少实践，这种方案也不能实现。方案三：主控制器采用计数器加边沿D触发器构成，此方案虽然可以实现较长时间的交通灯显示。但电路很复杂，并且要改交通灯显示时间就要改动电路，所有不适合实验。3.实现方案3.1实现方案原理电路结构：脉冲信号发生器，控制电路，交通灯显示电路。电路逻辑图如图4所示。图4交通灯实验电路脉冲信号发生器：由NE555构成的多谐振荡器组成，振荡周期T=(R1+2R2)C2Ln2,我们武汉理工大学《电子综合实训Ⅱ》说明书5需要1HZ的信号，于是T=1S,我们取C2=10uf,R1=25K,R2=50K可满足产生频率为1HZ方波的条件。控制电路：由74ls161和74ls138组成，74ls161是四位二进制计数器，用来控制计数的时间。为了满足74ls138译码器的8个端口输出。这里我们只用Q2Q1Q0三个输出口，构成8进制计数器，即从000计数到111循环，刚好和74ls138译码器的输出的8个数相对应。译码器则与交通灯相连，将74ls161的控制信号传给交通灯。交通灯显示电路：通过译码器和一些门电路，可以设定相应交通灯的显示时间，满足南北东西显示的要求。这里我们设置南北方向的绿灯，黄灯，红灯的时间分别为3s，1s，4s，东西方向对应的灯为红灯，绿灯，黄灯，时间分别为4s，3s,1s。由于138译码器输出位低电平，所有可以通过与门控制相应的灯显示时间，并且灯为共阳极连接。如（东西）南北方向需要3s的绿灯显示，则需要一个三输出与门；南北方向需要4s的红灯显示的时候，由于南北方向的红灯显示的时间等于东西方向的绿灯和黄灯的显示时间之和，所以可以把东西方向的绿灯对应的三输入与门的输出端和东西方向的黄灯输出端接到一个二输入与门的输入端，二输入与门的输出接到南北方向的红灯，就可以实现红灯4s显示。3.2所用芯片参数3.2.1NE555芯片参数Pin1(接地)地线(或共同接地),通常被连接到电路共同接地。Pin2(触发点)这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3VCC,下缘须低于1/3VCC。Pin3(输出)当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200mA。Pin4(重置)一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin5(控制)这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin6(重置锁定)Pin6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。Pin7(放电)这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时武汉理工大学《电子综合实训Ⅱ》说明书6为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin8(V+)这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。参数功能特性：•供应电压4.5-18V•供应电流3-6mA•输出电流225mA(max)•上升/下降时间100ns。3.2.274ls08芯片参数74ls08为二输入与门，其真值表如表2所示：表274ls08真值表引脚分布如图5所示：图574ls08引脚图3.2.374ls11芯片参数其为三输入与门，Z=ABC。逻辑功能如表3所示：武汉理工大学《电子综合实训Ⅱ》说明书7表374LS11功能表管脚如图6所示。图674LS11管脚图3.2.474ls161芯片参数74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能，管脚如图7所示：图774ls161管脚图管脚图介绍：武汉理工大学《电子综合实训Ⅱ》说明书8时钟CP和四个数据输入端P0~P3。清零/MR。使能CEP和CET。置数：PE数据输出端Q0~Q3。以及进位输出TC(TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)。功能如表4所示：3.2.574ls138芯片参数表474ls161功能表74LS138为3线－8线译译码。共有54LS138和74LS138两种线路结构型式。其管脚如图8所示：图874ls138管脚图74LS138为3线－8线译码器。共有54LS138和74LS138两种线路结构型式。端口说明：A0~A2：地址输入端STA（E1）：选通端/STB（/E2）、/STC（/E3）：选通端（低电平有效）武汉理工大学《电子综合实训Ⅱ》说明书9/Y0~/Y7：输出端（低电平有效）VCC：电源正GND：地A0~A2对应Y0——Y7；A0,A1,A2以二进制形式输入，然后转换成十进制，对应相应Y的序号输出低电平，其他均为高电平；4.调试过程及结论4.1仿真和调试按照原理图连接电路，然后接上电源调试。最后实现所要求功能：实现南北、东西车道的交替通行，要求实现南北车道方向循环显示的顺序是绿灯3s、黄灯1s、红灯4s；东西车道方向循环显示的顺序是红灯4s、绿灯3s、黄灯1s。一开始频率过大，我们把25K的电阻换成50K之后，频率变小。显示正常。调试电路实物如图9所示：图9实验连线图4.2设计结论设计实现了南北、东西车道的交替通行，南北车道方向循环显示的顺序是绿灯3s、黄灯1s、红灯4s；东西车道方向循环显示的顺序是红灯4s、绿灯3s、黄灯1s。实验成功。武汉理工大学《电子综合实训Ⅱ》说明书105.心得体会这次电路最主要的参考文献是数字电子电路，我们是这个学期才开始学习的数电，学的时候很难，也很反感数电。有的时候甚至不知道学数电的意义何在，因为老师讲的几乎听不懂，后来直到要期末了才勉强一知半解，最后刚刚可以过关。可是经过这次实践才发现自己错了，数电真的很有用。这几天猛地扎进数电书里才了解了很多知识，才发现数电其实没有那么难，学以致用之后感觉还有点趣味，现在才发现数电的真正意义。实验进行了两周左右，感觉难度不是特别大，花的时间也还正常，几乎没有影响期末的复兴，但是确实学会了很多东西，自己受益匪浅。第一：我觉得从中学到了查找资料的方法，加强了自己自主学习的能力。面对这个实验，自己还是有很多东西不知道的，比如设计方案的详细原理，数电课本只是提供了基本原理，真正的实践方案还是自己到网上寻找资料，然后再加上自己的修改和取精，最后才能得出自己的东西。第二：在两周的实训中加强了自己的动手能力，学会了很多处理故障的办法和思想，也得到了不少快乐。与同学的交流和互助让我体会到了浓浓的同学感情，原来大学并不是我们感觉的那么冷漠，只是我们交流的机会太少了，感谢这次实训给我和同学一个很好交流的机会。另一方面书本的知识得到了巩固，实训中提高了自己对知识的兴趣。第三：我觉得最主要的是从中学到了书写标准报告的办法，第一次书写这么严格而标准的报告，感觉很多地方都不懂，通过一步步的摸索还是得到了不少东西，这对于以后我们的学习很有帮助。两周的实训结束了，我希望以后更多的进行这样的实验，实训确实让我们学到很多书本之外的东西，很期待下一次实训。6.参考文献[1]吴友宇.数字电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009[2]周新民.工程实践与训练教程.武汉：武汉理工大学出版社，2009[3]刘原.电路分析基础.北京：电子工业出版社，2011武