交通信号灯数字电路设计

交通信号灯可动控制器一、设计目的1、巩固和加强《数字电子技术》课程的理论知识。2、掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发过程。3、掌握电子电路安装和调试的方法及其故障排除方法，学会用EWB路仿真。4、通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。巩固所学知识，加强综合能力，提高实验技能，启发创新能力的效果1、5、培养学生创新能力和创新思维。让学生通过动手动脑解决实际问题，巩固课程中所学的理论知识和实验技能。南北方向绿灯(NSG)亮70s,东西方向红灯亮EWR)亮;二、设计任务设计一个交通灯控制电路,实现对城市十字路口的交通灯控制。技术要求为：1、东西方向绿灯(EWG)亮70s,南北方向红灯亮(NSR)亮;2、东西方向黄灯(EWY)亮5s,南北方向红灯亮(NSR)亮;3、南北方向黄灯(NSY)亮5s,东西方向红灯亮(EWR)亮。设计任务分析本实验的知识点为：任意进制数加减计数器设计，触发器，555定时电路的工作原理以及基本控制逻辑电路的设计方法，参数计算和检测调试。（1）秒振荡电路应能输出频率分别为为1H幅度为5V的时钟脉冲，要求误差不超过0.1S。为提高精度，可用555设计一个输出频率为1Hz的多谐振荡器（2）计数器电路应具有75秒倒计时功能，可以通过2片74LS190级联来实现。（3）各个方向的倒计时显示可共用一套译码显示电路，只要用2个4输入的BCD_HEX数码管接74LS190的输出即可实现。（4）主控制电路和信号灯译码驱动用各种门电路和JK触发器组成，应能实现计时电路的转换、各方向信号灯的控制。三、设计框图首先分析实际交通灯控制电路，从主干道（南北方向）和支干道（东西方向）入手，路口均有红、黄、绿三个交通灯显示数码管。其示意图如下：图1-1十字路口交通信号灯控制示意图1．系统工作流程图设主干道通行时间为N1，支干道通行时间为N2，主、支干道黄灯亮的时间均为N3，通常设置为N1=N2N3。系统工作流程图如图所示：图1-2系统工作流程2．系统硬件框图硬件结构框图如图所示：图1－3硬件结构框图由于Multisim带有不需要译码的4输入DCD_HEX数码管，为了简便，在仿真电路中直接使用DCD_HEX数码管，没有使用译码电路。四．系统单元电路及设计原理(1)状态控制器由流程图可见，系统有4种不同的工作状态，状态编码分别为11、10、01、00，状态编码为两个下降沿触发的JK触发器74LS112的输出：BQ和AQ。当为11时，东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮。当为10时，东西方向黄灯闪，南北方向红灯亮。当为01时，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮。当为00时，东西方向红灯亮，南北方向黄灯闪。JK触发器由下面两路特殊的时钟信号驱动，所以会循环的在这四种状态之间转换。绿色的波形（上）为BQ的时钟，红色波形（中）为AQ的时钟，蓝色波形（下）为555定时器得到的1HZ的时钟信号。绿色信号的下降沿正好在第75个时钟处，红色信号的下降沿有两个一个在第70个时钟处，另一个在第75个时钟处。这部分电路由纯粹的组合逻辑电路来实现，思路如下：当两片192计数器的置数端都有效时（即输出为00），BQ的时钟信号为0，否则为1。设计组合电路，判断当两片192的输出为05（即倒计时70秒）时，输出CQ为0，否则CQ为1。这样得到了这样两个波形：再把他们进行与操作，便可得到AQ的时钟信号。AQ和BQ的波形：(2)状态译码器以状态控制器输出作译码器的输入变量，根据4个不同通行状态实现对主、支干道三色信号灯的控制要求，6盏灯控函数真值表如表2所示。表2由真值表得灯控函数逻辑表达式R=NOTBQ，Y=BQANDNOTAQ，G=BQANDAQr=BQ，y=NOTBQANDNOTAQ，g=AQANDNOTBQY和y的控制信号在输入之前与时钟信号进行一下与操作，为了达到黄灯闪烁的效果。电路图如下：(3)递减计时系统计数器选用集成电路74190较简便。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。74190没有专用的清零输入端，但可以借助QA、QB、QC、QD的输出数据间接实现清零功能。74190功能表如表3所示。表3选用两片74190时间控制可逆计数器，两片计数器之间采用异步级连方式，利用个位计数器的借位输出脉冲直接作为十进制计数器的计数脉冲，个位计数器输入秒脉冲作为计数脉冲。信号灯递减计数器电路图(4)秒脉冲发生器秒振荡电路可由555多谐振荡器构成，参数计算如下：取C2=10F，要得到1HZ的方波信号，低电平时间T2=0.5S，高电平时间T1=0.5S由（R1+2R2）C*0.69=T，T1=(R1+R2)*C*0.69，T2=R2*0.69*C，得：R2=72.4k，R1=0，在仿真时，为了便于观察，可以缩短周期，这里取R2=724，R1=1得到的近似为100HZ的方波。五.系统总电路进行主电路连接,得到完整的电路图,并进行运行、检测、调试.完整电路图如下:六．系统调试仿真用Multisim软件按照电路图连接电路并运行。上电以后，由于系统默认仿真时间比较慢，数码管显示更新比较慢，调整系统仿真时间，在Simulate-InteractiveSimulationSetting中，调整Maximuntimestep，直到得到比较好的显示效果。也可以通过成倍的减小555的参数来调整时钟信号，从而得到比较好的显示效果。通过观察数码管的显示和红绿灯的亮灭，满足设计要求，一开始数码管从75减到0，东西方向的绿灯亮70秒，然后东西方向的黄灯闪烁5秒，南北方向的红灯一直亮，之后，数码管又恢复到75，南北方向的绿灯亮70秒，然后黄灯闪烁5秒，东西方向的红灯一直亮。使用虚拟示波器观察555输出波形和控制信号AQBQ的波形，都符合设计要求。七．设计体会通过这次交通灯的课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决现实问题的能力。使我在单片机的基本原理、单片机应用学习过程中，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为一名合格的应用型人才打下良好的基础。综合课程设计让我把以前学习到的知识得到巩固和进一步的提高认识，对已有知识有了更深层次的理解和认识。在此，由于自身能力有限，在课程设计中碰到了很多的问题，我通过查阅相关书籍、资料以及和周围同学交流得到解决。